ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОКЕАНА И АТМОСФЕРЫ. ОКЕАН И КЛИМАТ

В последние десятилетия сложилось понимание того, что океан и атмосферу нужно рассматривать как единую систему. Эти две среды, находясь в непосредственном контакте, непрерывно обмениваются энергией (внутренней и механической) и веществом. Все процессы в океане и атмосфере (кроме приливов) имеют единый источник энергии — солнечное излучение. Усвоение солнечной радиации зависит от состояния атмосферы и океана, поэтому нельзя отделить получение энергии от процесса ее передачи и трансформации, которые вместе формируют природную среду, ее физические, химические и биологические характеристики, а также скорость преобразования энергии из одного вида в другой.

Океан — не только аккумулятор и перераспределитель теплоты в пространстве и времени, но и главный поставщик атмосферной влаги, оказывающей не меньшее влияние на термодинамику атмосферы, чем солнечная радиация. Достаточно отметить, что за счет конденсации влаги воздух получает больше тепла, чем приносит ему турбулентный перенос и поглощение солнечной радиации. Велика роль влаги и в сконденсированном состоянии как экрана, перераспределяющего тепловые потоки не только в атмосфере, но и в океане. Влагообмен океана с атмосферой влияет через изменение солености воды и на состояние океана. При этом обратного эффекта влияния солености на испарение или осадки не наблюдается.

Если океан влияет на атмосферные процессы в основном через тепло- и влагообмен, то атмосфера воздействует на океан не только через эти потоки, но и динамически. Термический режим и соленость вод океанов и морей, течения в значительной мере обусловлены действием атмосферы, если не непосредственно, то косвенным образом. Атмосферные движения вызывают перемещения больших масс воды, переносящих накопленную ими теплоту в районы с совершенноиными климатическими характеристиками, где эта тепловая аномалия изменяет свойства воздушной массы над океаном. Передача атмосферой количества движения (импульса) — важнейшая причина возникновения движения в верхнем слое океана. Под воздействием касательного напряжения ветра в океане возникают ветровые волны, турбулентность, дрейфовые течения. Колебания атмосферного давления напрямую изменяют уровень океана, вызывают сгонно-нагонные явления.

Очень важен в современных условиях и газообмен между океаном и атмосферой. Например, океаны содержат в 50 раз больше диоксида углерода (углекислого газа), чем атмосфера. В настоящее время примерно 1/3 часть ежегодного антропогенного поступления СО₂ от сжигания топлива в атмосферу усваивается океаном.

Таким образом, под взаимодействием между океаном и атмосферой следует понимать совокупность разномасштабных процессов перераспределения и трансформации солнечной энергии, водяного пара, газов, солей, количества движения (импульса) в процессе обмена свойствами между океаном и атмосферой, в результате которых формируется природа Земли.

При взаимодействии атмосферы и океана, как правило, трудно выделить причину и следствие того пли иного процесса, поскольку воздействие одной сферы на другую происходит с многочисленными обратными связями. Положительные обратные связи усиливают первоначальное воздействие, отрицательные (их большинство) — препятствуют его развитию. Например, при увеличении температуры поверхности океана увеличивается испарение, в атмосферу попадает больше влаги, увеличивается облачность, задерживающая длинноволновое излучение поверхности океана. 11рп этом температура подоблачного слоя атмосферы и поверхности океана еще более возрастает — это положительная обратная связь. С другой стороны, возрастание облачности повышает альбедо атмосферы, меньше коротковолновой радиации достигает поверхности океана, и ее температура должна понижаться — так работает отрицательная обратная связь.

Взаимодействие океана и атмосферы охватывает очень широкий диапазон масштабов — от долей секунды и сантиметров до сотен лет и десятков тысяч километров. В то же время каждый масштаб характеризуется и своими особенностями обмена энергией, влагой, газами и другими компонентами, а также своими механизмами превращений энергии и вещества. Выделяют следующие наиболее важные временные масштабы изменчивости океанских процессов:

• 1) мелкомасштабный (10 ¹ — 10³ с, т. е. от долей секунды до десятков минут) — он достаточно хорошо прослеживаются как в атмосфере, например, по скорости ветра, так и в океане — он соответствует периоду ветровых волн;
• 2) мезомасштабный (10⁴ — 10⁵ с) — этот класс явлений с периодом от часов до суток выделяется в связи с широко встречающейся внутрисуточной изменчивостью гидрометеорологических элементов;
• 3) синоптический (1()⁶ — 10 с, от нескольких суток до месяцев), связанный с атмосферными и океанскими вихрями, фронтальными зонами, неоднородностью потоков теплоты и импульса;
• 4) сезонный (годовой период), определяемый годовым склонением Солнца и поступлением солнечной радиации на поверхнсоть раздела океан-атмосфера;
• 5) межгодовой, связанный с колебаниями характеристик теплообмена отдельных областей океана и всей атмосферы, самый яркий пример такого колебания — явление Эль-Ниньо/Южное Колебание в низких шпротах;
• 6) долгопериодный (внутривековой и межвековой), определяемый изменчивостью формирования глубинных водных масс океана и глобальной циркуляции.

Часто эти масштабы, начиная с синоптического, объединяют в общую группу крупномасштабных процессов. Именно для этих масштабов характер изменчивости климатической системы Земли в значительной степени определяется процессами, происходящими в океане.

С точки зрения оценок крупномасштабной изменчивости океана и его действия на изменение атмосферной циркуляции, потоки энергии океан — атмосфера являются ключевым фактором, характеризующим одновременно изменения температуры поверхности океана и приводного слоя воздуха. В главе 3 уже отмечалось, что теплоемкость всей атмосферы соответствует теплоемкости слоя в океане толщиной лишь 3 м. Из сопоставления теплоемкостей океана и атмосферы становится ясно, что в среднем океан является тепловым резервуаром, значительно превосходящим атмосферу по запасам внутренней энергии. Скорость преобразования энергии в атмосфере во много раз превышает скорость ее трансформации в океане. В системе океан-атмосфера океан служит инерционной средой, медленно накапливающей изменения своих характеристик. Атмосфера же представ.шет собой нестационарную часть, глобальная устойчивость которой поддерживается океаном.

Крупномасштабный теплообмен океана и атмосферы определяется разностями температур вода— воздух. Средняя температура поверхности воды в океане 17,5°С, примерно на 3°С выше температуры приземного слоя воздуха (14,6°С). Максимума (5—7°С) эти различия достигают во фронтальных областях, приуроченных к границам теплых и холодных течений — Гольфстрима и Лабрадорского, Куроспо и Курило-Камчатского, где складываются специфические условия выноса на теплую поверхность океана холодного континентального воздуха. Поскольку потоки энергии между океаном и атмосферой определяются контрастами температуры в зоне их контакта, такие районы называют энергоактивными областями, т. е. акваториями с повышенной активностью энергообмена. Среди таких областей, помимо вышеперечисленных, следует отметить районы муссонной циркуляции (моря Индонезии), районы апвеллинга (Канарского, Перуанского и г. д.), области окраинных морей (Норвежского, Гренландского, Берингова). Всю акваторию Северной Атлантики можно считать энергоактивной зоной глобального масштаба: занимая 11% площади Мирового океана она обеспечивает 19% от общего потока энергии в атмосферу (причины этого будут объяснены ниже).

В разд. 3.3 было указано, что поглощаемая Землей приходящая коротковолновая солнечная радиация в отдельной точке не компенсируется уходящей длинноволновой радиацией, хотя при этом интегральный тепловой баланс планеты остается нулевым. Следовательно, избыточная тепловая энергия, получаемая в тропиках, должна переноситься в высокой шротные районы и тем самым обеспечивать стабильный тепловой режим на планете. Этот меридиональный перенос тепловой энергии может осуществляться в двух средах — океане и атмосфере (расходы рек, текущих в меридиональном направлении — Нила, Оби, Енисея, Лены и т. д. — несопоставимы с расходами океанских течений). До недавнего времени считалось, что меридиональный перенос теплоты в атмосфере во много раз больше, чем в океане. Лишь с развитием спутниковых методов оценки радиационного баланса было установлено, что океанское звено мерпдиона.ъного переноса тепловой энергии сравнимо с атмосферным.

К настоящему времени существует два основных метода оценки меридионального переноса теплоты в океане. Один из них использует имеющиеся данные океанографических наблюдений на широтных разрезах, при этом поток теплоты представляет собой просуммированное ио всем станциям и горизонтам наблюдений произведение удельной теплоемкости воды на скорость меридионального течения и температуру (таким же образом рассчитывают и тепловой поток рек— см. формулу (6.57)). В другом методе на основе карт теплового баланса поверхности океана меридиональный перенос теплоты вычисляется как остаточный член уравнения бюджета (баланса) теплоты (см. формулу 2.2). На Рпс. 10.25 приведено распределение меридионального переноса теплоты в целом по Мировому океану и для его отдельных частей (севернее 40° ю. ш., с учетом адвекции теплоты из Тихого океана в Индийский через моря Индонезии). Максимумы потока теплоты для Мирового океана в целом приурочены к 20—25° широты и составляют около 2,5 Петаватг (1 Иставап — сокращенно ПВт — равен 10^ь Вт) в сторону полюсов; переносы постепенно уменьшаются к высоким широтам и экватору. Для сравнения в атмосфере максимумы переносов теплоты от экватора к полюсам составляют 4—5 ПВт, но они расположены в умеренных шпротах, а в тропиках океанский перенос превышает атмосферный.

Н . ПВт

Рис. 10.25. Меридиональный перенос тепловой энергии океанами (10¹⁵Вт). Положительное направление — на север

В Тихом океане поток тепла в целом соответствует картине для Мирового океана, в Индийском океане, ограниченном с севера тропическими шпротами, перенос тепла повсеместно направлен на юг, к Антарктиде. Напротив, в Атлантическом океане тепловая энергия на всех шпротах переносится к северу. Таким образом, мы имеем в последнем случае парадоксальный результат: океан в районе Антарктиды передает теплоту экваториальным широтам, что противоречит упомянутой ранее картине перераспределения солнечной энергии от низких шпрот к высоким. Чтобы понять, каким образом возникло аномальное направление потока теплоты в Атлантике, следует рассмотреть особенности этого океана по сравнению с другими и механизмы перераспределения тепловой энергии на Земле.

Наиболее наглядно процесс преобразования энергии в климатической системе можно представить с помощью предложенной В.В. Шулейкиным концепции природных тепловых машин разных масштабов. Природная тепловая машина первого рода работает на контрасте экватор (нафеватель)—полюса (холодильники). Машина второго рода отвечает за обмен воздушными массами между океаном и континентами — за муссонную циркуляцию, которая меняет в течение года направление в соответствии с тем, как меняют свою относительную роль нафевателей и холодильников континенты и океаны. С.С. Лаппо предположил, что существует и более крупная по масштабу тепловая машина «нулевого рода». Она работает за счет глобального конфаста в температуре и солености воды между отдельными бассейнами Мирового океана и приводит к возникновению глобальной межокеанской циркуляции или «глобального океанского конвейера».

Возникновение межокеанской циркуляции во многом определяется особенностями геофафического положения Атлантического океана. Меридиональное простирание и относительная узость по шпроте, свободный водообмен с Арктическим бассейном и прпантарктическпмп секторами

Тихого и Индийского океанов, гидрологические особенности окраинных морей, отсутствие значительных орографических барьеров для воздушных масс у западного берега в умеренных широтах, — все это формирует своеобразную картину тепло- и влагообмена на его поверхности. В целом Атлантика, в отличие от других океанов, отдает теплоту в атмосферу — 0,6 ПВт, а превышение испарения над осадками и речным стоком достигает 0,3 миллиона м³/с. Интересно сравнить средние характеристики Тихого и Атлантического океанов к северу от экватора. Поверхностный слой Атлантики оказывается на 6° холоднее, чем в Тихом океане. Но при этом, по расчетам С.А. Добролюбова, средняя по объему температура всей толщи вод северной части Атлантики теплее на 1,3°, а средняя соленость выше на 0,5%о, чем в северной части Тихого океана. Таким образом, в целом теплая и соленая Северная Атлантика на поверхности холоднее, а в глубинных слоях в среднем теплее холодной и распресненной северной части Тихого океана. Вследствие этих различий средняя плотность воды северной части Тихого океана от поверхности до дна оказывается значительно ниже, а уровень поверхности — на 60—70 см выше, чем в Северной Атлантике, причем эта разница опреде-ляется различиями в солености. Поток теплых вод по наклону уровня из Тихого океана в Атлантику через моря Индонезии, Индийский океан и вокруг Южной Африки и состав.мгет верхнюю ветвь «глобального океанского конвейера».

Схема такого межокеанского обмена представлена на Рис. 10.26. Иа схеме видно как в поверхностных слоях идет ноток теплых вод из Тихого и Индийского океанов в субполярные районы Северной Атлантики. Процессы взаимодействия между океаном и атмосферой приводят к охлаждению воды и ее погружению в глубинные слои океана, т. е. к формированию холодной глубинной Северо-Атлантической водной массы, движущейся в противоположном направлении. Вследствие разности температур текущих на север теплых вод и распространяющейся па юг

Северо-Атлантической глубинной воды формируется дополнительный поток теплоты в Северное полушарие, приводящий в конечном счете к смягчению климата Европы. Таким образом, возникающая в результате храдпентов солености вод межокеанская циркуляция определяет тепловое взаимодействие между океаном и атмосферой.

Рпс. 10.26. Схема глобальной межокеанской циркуляции вод

Глобальная неоднородность проявляется и в распределении биогенных элементов (растворенного фосфора, кремния и азота) в Мировом океане: их содержание, начиная от наименьших концентраций в Северной Атлантике, постепенно увеличивается ио мере приближения к антарктическим водам и далее — с юга на север в Тихом океане. Характер увеличения концентрации этих элементов в Мировом океане отражает и возраст вод: он увеличивается от нескольких лет в глубинных слоях Северной Атлантики до 1500—2000 лет в северо-восточной части Тихого океана.

Устойчивая работа такого «теплового океанского конвейера» может давать сбои, когда в области традиционного образования глубинных вод в районе Гренландии не возникают необходимые условия для развития процессов глубокой конвекции (погружения поверхностных вод в глубь океана). Изменение интенсивности конвекции определяется как атмосферными условиями (суровость зим, скорость ветра и т. д.), так и притоком вод с аномальной соленостью. Все это приводит к перестройке глобальной циркуляции в океане, к пространственному перераспределению энергоактивных зон, что, в свою очередь, отражается на циркуляции атмосферы и, следовательно, на состоянии климата.

Так, за последние годы было обнаружено, что в Северную Атлантику иногда поступает сильно распресненная вода нз Арктического бассейна. Наиболее интенсивно этот процесс развивался в 1970-е годы. Наличие слоя распресненпой, а значит, и более легкой воды, на поверхности в районах формирования глубинных вод к югу от Гренландии привело к прекращению глубокой зимней конвекции. Даже охлаждение зимой морской воды до температуры замерзания не позволяло активно перемешиваться всей водной толще. Следствием этого была аномально высокая деловитость вод северо-западной части Атлантики, большая, чем в год гибели «Титаника» (1912). При этом теплому⁷ потоку верхнего звена глобального конвейера уже не было возможности беспрепятственно проникать далеко на север: без опускания холодных вод для него там нет свободного пространства. К северу от Северного полярного фронта накапливались холодные воды, к югу’ — теплые. Контраст температур на фронте обострялся, в результате с середины 1970-х гг. увеличилось количество образующихся над Северной Атлантикой атмосферных циклопов и количество переносимой ими влаги. За 10 лет (1976—1985) на европейскую территорию России из Атлантики пришло в 1,5 раза больше циклонов, чем в предшествующее десятилетие (1966—1975). Сток Волги за 1971—1977 гг. в среднем составлял

236км³/год, а в 1978—1990 гг. — 305 км³/год. С конца 1977 г. начался рост уровня Каспийского моря, к 1994 г. поднявшегося более чем на 2 м.

Вплоть до недавнего времени считалось, что в глубинных слоях океана отсутствует изменчивость характеристик водных масс. Однако в 1990-х гг. обнаружены значимые климатические изменения температурно-соленостных характеристик на промежуточных и придонных горизонтах, колебания переносов теплоты океанскими течениями в умеренных широтах. Например, наблюдается климатически значимое постоянное охлаждение и распреснение глубинных слоев Северной Атлантики на протяжении 1970—1990-х гг., сменившееся к началу XXI в. фазой потепления. Оказалось, что на этот процесс оказывает воздействие колебания атмосферного давления в северной части Атлантики — так называемое Северо-Атлантическое колебание. Индекс этого колебания тем выше, чем больше разница давлений между Азорским максимумом и Исландским минимумом. При большой величине индекса усиливается западный перенос в атмосфере умеренных шпрот, интенсивность циклонов в области формирования глубинных вод, глубина конвекции, объем вновь образующейся глубинной воды, меридиональный перенос теплоты в средних шпротах Атлантики, малые значения индекса замед^^яют все эти процессы.

Таким образом, условия на поверхности океана не только влияют на характер пеги кп теплообмена с атмосферой, но и на глубинные воды, а значит, и на весь «межокеанский конвейер». 11оскольку движение вод у дна океана происходит очень медленно, климатический сигнал в виде аномалии температуры и солености из Северной Атлантики распространяется в нижнем звене «глобального конвейера» за многие сотни и даже тысячи лет.

Анализ подобных природных феноменов дает нам ключ к пониманию механизма воздействия океана на климат: холодные воды Северной Атлантики контролируют количество теплоты в атмосфере над средними и высокими широтами Северного полушария. Поэтом}⁷ информация о состоянии «океанского конвейера» даст возможность определить современное состояние климата и тенденции его развития.