Меняющиеся представления об устройстве океанического конвейера

Автор: Mega
Просмотров: 4500
Комментариев: 0
Категория: Планета Земля
Дата: 30-08-2010, 19:44
Меняющиеся представления об устройстве океанического конвейера
Меняющиеся представления об устройстве океанического конвейера До недавнего времени предполагалось, что перемешивание толщи океана осуществляется благодаря «большому океаническому конвейеру» — системе течений, которые в Северной Атлантике уносят массу находящейся у поверхности воды на большую глубину, а в ряде других мест в Мировом океане поднимают её к поверхности. Исследования последнего времени показывают, что данная схема крайне упрощает реальную ситуацию, а главное — не выявляет механизмов, обеспечивающих работу конвейера.
Меняющиеся представления об устройстве океанического конвейера
На рисунке: Основные направления потоков в глубинной (абиссальной) части Мирового океана согласно концепции Стоммела, предложенной в 1958 г. Места поступления масс воды на глубину в северной части Атлантического океана и в южной (около Антарктиды) отмечены жирными чёрными точками. Отсюда вода движется на глубине по направлению к экватору, где взаимодействует с западными пограничными течениями (толстые линии), от которых исходят внутренние потоки, направленные к полюсам (тонкие линии). Из работы: Stommel, 1958. Приведено по статье S. Lozier // Science. 2010. V. 328. P. 1507–1511
До недавнего времени предполагалось, что перемешивание толщи океана осуществляется благодаря «большому океаническому конвейеру» — системе течений, которые в Северной Атлантике уносят массу находящейся у поверхности воды на большую глубину, а в ряде других мест в Мировом океане поднимают её к поверхности. Исследования последнего времени показывают, что данная схема крайне упрощает реальную ситуацию, а главное — не выявляет механизмов, обеспечивающих работу конвейера.

Уже в конце XVIII века на основании единственного измерения температуры воды на большой глубине англо-американский физик Бенджамин Томпсон (Benjamin Thompson), известный также как граф Румфорд (Count Rumford), предположил, что в океане существует крупномасштабное вертикальное перемешивание. Происходит оно за счёт того, что в высоких широтах, вода «из-за холодных ветров лишается значительной части своего тепла», опускается вниз на большую глубину и движется в сторону экватора. На поверхности же возникают компенсирующие течения, направленные в сторону высоких широт. Удивительно, но идея Томпсона оказалась правильной, хотя конечно, позже, уже в XX веке, появилось множество данных, позволивших нарисовать гораздо более детальную картину.

В 1950-х годах большой вклад в развитие представлений о крупномасштабном перемешивании океана внёс американский океанограф Генри Стоммел (Henry Stommel). Основная заслуга Стоммела в том, что он показал, как могут быть связаны между собой крупные океанические течения, в том числе глубоководные. Согласно его модели (см. рис. 1) в высоких широтах, в двух местах — в северной Атлантике и около Антарктиды, есть сравнительно небольшие области, где вода, находившаяся у поверхности («провентилированная»), опускается вниз, на большую глубину, и начинает двигаться в сторону экватора, вступая в контакт с описанными ранее «пограничными западными течениями». Эти отдавшие тепло воды заполняют глубинную часть океана, но в конце концов во многих разных местах поднимаются к поверхности. При этом на промежуточной глубине возникают компенсирующие «внутренние течения», направленные к полюсам (рис. 1). Таким способом и осуществляется перемешивание всей водной толщи.

Четверть века спустя схема Стоммела получила развитие в работах Уоллеса Брокера (Wallace Smith Broecker), предположившего, что изменения режима перемешивания океана могут быть тесно связаны с резкими изменениями климата. Ключевая роль при этом принадлежит процессам, происходящим в Северной Атлантике, куда с юга на промежуточной глубине (около 800 м) движутся воды, имеющие довольно высокую солёность. Этот мощнейший поток (количество переносимой за год воды в 100 раз больше годового стока Амазонки) примерно на широте Исландии поднимается к поверхности. Дующие здесь ветры сгоняют поверхностную воду и сильно охлаждают воды, пришедшие с юга и поднявшиеся к поверхности (в зимнее время — с 10о до 2о). Отдаваемое этими водами тепло определяет необычайную мягкость зим на севере Европы. Охлажденная и вследствие этого значительно «потяжелевшая» вода «тонет» — опускается вниз, на этот раз до самого дна, где начинает свой длинный путь по глубинам океана. Эта так называемая «Северо-Атлантическая глубинная вода» (NADW — North Atlantic Deep Water), двигаясь на юг, пересекает экватор и, достигнув в южном полушарии широты 30–40о, поворачивает на восток, где сливается с глубинным течением, окружающим Антарктиду. Затем даёт ответвление на север в Индийском океане и продолжает путь в широтном направлении до Тихого океана, где поворачивает на север. Таким образом и формируется получившая широкую популярность «петля Брокера» или «большой океанический конвейер» (рис. 2). Основной движитель конвейера — термохалинный (т. е. «температурно-солёностный) механизм (см.: Термохалинная циркуляция), работающий в Северной Атлантике.
Меняющиеся представления об устройстве океанического конвейера

Схема глобального океанического конвейера, или «петли Брокера», представляющая некое упрощение схема Стоммела. Оранжевым показаны верхние (идущие ближе к поверхности) теплые ветви течений, синим — нижние (идущие глубоко) холодные ветви течений. Ключевое место, где находится «термохалинный движитель» всего круговорота, это Северная Атлантика. Попадание сюда пресной воды из тающих ледников Гренландии грозит остановкой конвейера и, соответственно, очень сильным длительным похолоданием на севере Европы. По материалам Брокера (приведено в статье S. Lozier // Science. 2010. V. 328. P. 1507–1511)

Остановка конвейера чревата сильным похолоданием в Европе. Такая возможность в принципе существует, причем инициирует её, как ни странно, потепление. Дело в том, что в случае потепления и вызванного им таяния ледников, прежде всего покрывающих Гренландию (что уже происходит, см.: Гренландия всё быстрее теряет свой лед), талые воды поступают в океан, где могут вызвать сильное опреснение поверхностного слоя океана. А происходит это как раз там, где пришедшие с юга воды опускаются вниз. Если плотность воды понизится (а это происходит при опреснении), она просто перестаёт «тонуть» и приводить тем самым в движение весь конвейер. Такие события случались в прошлом. Последний раз — 11 тыс. лет тому назад, когда в результате таяния мощных ледников на севере Северной Америки массы талой воды, переполнив существовавшее там очень крупное озеро Агассис (см.: Lake Agassiz), устремились через район Великих озер и реку Св. Лаврентия на восток, вызвав сильнейшее опреснение Северной Атлантики. Конвейер Брокера остановился тогда на тысячу лет, вызвав сильнейшее похолодание в Европе.

Хотя схема Стоммела—Брокера получила большую известность и часто рассматривается как базовая, по мере накопления эмпирических данных ряд её положений в последнее время подвергался серьёзной критике. Сюзан Лозье (M. Susan Lozier), профессор из Отдела наук о земле и океане Школы Никольса (Nicholas School) при Университете Дюк (Duke University, Durham, Северная Каролина, США), недавно подытожила результаты этой критики и обрисовала современное состояние проблемы. При этом она подчеркнула, что специалисты в общем соглашаются с определением океанического конвейера как потока, который своим нижним рукавом уносит из полярных районов к экватору «провентилированные» (недавно вступавшие в контакт с поверхностью) воды, а верхним доставляет на их место тёплые солёные воды. Однако никто, как подчеркнула Лозье, не будет утверждать, что это есть сплошной непрерываемый поток, в который можно опустить глубинный поплавок и ожидать, что он опишет замкнутую траекторию, подобной той, что описывает точка на ленте транспортера. Все признают, что реальность гораздо сложнее.

Так, если вплоть до недавнего времени исследователи полагали, что основная масса «Северо-Атлантической глубинной воды» движется сплошным потоком по узкому коридору вдоль шельфового склона Америки, образуя «Глубинное Западное пограничное течение» (см.: Boundary current), то теперь они в этом далеко не уверены. Возраст воды этого течения, определенный по ряду физико-химические характеристик, оказался существенно старше, чем следовало бы ожидать исходя из уравнений обычного перемешивания (адвекции). По-видимому, воды пограничного течения где-то смешивались с более старыми внутренними водами. Сейчас эти соображения подтверждаются анализом траекторий движения глубинных поплавков, которые, как выясняется, то втягиваются в поток, то от него отторгаются. Соответственно вместо сплошного потока мы имеем множество вихрей, в которые вовлечена значительная часть воды, движущейся с севера.

В 1990-х годах в Море Лабрадор, на той глубине, где проходит направленное к югу пограничное течение, запустили множество глубинных поплавков, которые работают до 2 лет, после чего всплывают на поверхность и передают всю информацию на спутник (см. рис. 3). Как выяснилось, поплавки эти или выносились течениями обратно а море Лабрадор, или же обнаруживались гораздо восточнее, уже в районе Северо-Атлантического течения (North Atlantic Current). Позднее был проведен еще один эксперимент с большой серией поплавков RAFOS, которые поместили в район Глубинного Западного пограничного течения, причем непосредственно в тот слой, где находилась вода из моря Лабрадор. В результате этого эксперимента выяснилось, что только 8% поплавков оставались в границах течения на всём своём пути в субтропики. Остальные двигались сложными маршрутами, часто образуя петли и попадая в другие течения, проходящие на значительном расстоянии от Глубинного Западного. Завихрения, которые раньше рассматривались только как агенты, разрушающие чётко направленные течения, стали рассматриваться как способ перемещения глубинных вод на пути к экватору.
Что касается верхнего рукава конвейера, т. е. течения, движущегося от экватора к высоким широтам, то здесь также выявляется сложная картина. В период с 1990 по 2002 г. сотни поверхностных поплавков были запущены в Гольфстрим (течение, которое рассматривается как часть потока океанического конвейера), но только один и них достиг области приполярных круговоротов. Как отмечает Лозье, в общем, ясна двумерная картинка, но никак не трёхмерная (3D). Неясно, непрерывно ли движется конвейер или он периодически меняет свою скорость, а главное — в какой степени связаны эти изменения скорости движения воды с изменениями климата. Убедительных эмпирических данных о наличии такой связи пока нет. Идёт спор и о том, что же является основным движителем конвейера — увеличение плотности воды, заставляющее её тонуть, или же сильные ветра, заставляющие подниматься воду к поверхности. Иными словами — что важнее: толкать конвейер или его тянуть. Работы последнего времени не выявили основных механизмов конвейера, но поставили множество конкретных вопросов


Источник: Elementy

Научно-популярное онлайн издание "Меганаука"