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 во времени, но и главный поставщик атмосфер­ной влаги, оказывающей не меньшее влияние на термодинамику атмосферы, чем солнечная радиация. Достаточно отметить, что благодаря конденсации влаги воздух получает больше теплоты, чем приносят 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 совершенно иными 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, чем атмосфера. В настоящее время пример­но ¹ /3 часть ежегодного антропогенного поступления С0₂ 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 или 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. При 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:

мелкомасштабный (К)'¹—10³ с, т. е. от долей секунды до десят­ков минут) — он достаточно хорошо прослеживается как в атмосфе­ре, например по скорости ветра, так и в океане — он соответствует периоду ветровых волн;

мезомасштабный (10⁴—10⁵ с) — этот класс явлений с периодом от часов до суток выделяется в связи с широко встречающейся внутрисуточной изменчивостью гидрометеорологических элемен­тов;

синоптический (10⁶ — 10⁷ с, от нескольких суток до месяцев), связанный с атмосферными и океанскими вихрями, фронтальными зонами, неоднородностью потоков теплоты и импульса;

сезонный (годовой период), определяемый годовым склонением Солнца и поступлением солнечной радиации на поверхность раз­дела океан — атмосфера;

межгодовой, связанный с колебаниями характеристик теплооб­мена отдельных областей океана и всей атмосферы, самый яркий пример такого колебания — явление Эль-Ниньо/Южное Колебание в низких широтах;

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 гл. 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 — тепло­вой резервуар, значительно превосходящий 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 представляет 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 (14,5 °С). Максимума (5—7 °С) эти различия достигают во фронтальных областях, приуроченных к гра­ницам теплых и холодных течений — Гольфстрима и Лабрадорско­го, Куросио 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 т.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 % 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 высокоширотные районы и тем самым обеспечивать стабильный тепловой режим на планете. Этот мери­диональный перенос тепловой энергии может осуществляться в двух средах — океане и атмосфере (расходы воды 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 меридионального 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 по 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 (2.7)). На рис. 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 Петаватт (1 Пета- ватт — сокращенно ПВт — равен 10¹⁵ 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 широтах, а в тропиках океанский перенос превышает атмосферный.

В Тихом океане поток теплоты в целом соответствует картине для Мирового океана, в Индийском океане, ограниченном с севера

Н, ПВт

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

тропическими широтами, перенос теплоты повсеместно направлен на юг, к Антарктиде. Напротив, в Атлантическом океане тепловая энергия на всех широтах 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 широт 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. Шу- лейкиным (1968) концепции природных тепловых машин разных масштабов. Природная тепловая машина первого рода работает на контрасте экватор (нагреватель) — 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 нагревателей и холодильников континенты и океаны. С. С. Лаппо (1984) предположил, что суще­ствует и более крупная по масштабу тепловая машина «нулевого рода». Она работает за счет глобального контраста 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 географического положения Атлантического океана. Меридиональное простирание и относительная узость по широте, свободный водообмен с Арктическим бассейном и приан- тарктическими 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°С холоднее, чем в Тихом океане. Но при этом, по расчетам С. А. Добролюбова (1987), средняя по объему температура всей толщи вод северной части Атлантики теплее на 1,3 °С, а средняя соленость выше на 0,5 %с, 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 — почти на 1 м выше, чем в Северной Атлантике, причем эта разница более чем на опре­деляется различиями в солености. Поток теплых вод по наклону уровня из Тихого океана в Атлантику через моря Индонезии, Индийский океан и вокруг Южной Африки и составляет верхнюю ветвь «глобального океанского конвейера».

Схема такого межокеанского обмена представлена на рис. 10.26. На схеме видно, как в поверхностных слоях идет поток 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 глубь океана, т. е. к формированию глубинной Северо-Атлантической водной массы, образующей поток холодных вод, который движется в про­тивоположном направлении. Вследствие разности температур дви­жущихся на север теплых вод и распространяющейся на 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 градиентов солености вод межокеанская цирку­ляция определяет тепловое взаимодействие между океаном и ат­мосферой.

Глобальная неоднородность проявляется и в распределении биогенных элементов (растворенного фосфора, кремния и азота)

Рис. 10.26. Схема глобальной межокеанской циркуляции вод

в Мировом океане: их содержание, начиная от наименьших кон­центраций в Северной Атлантике, постепенно возрастает по 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: 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 из Аркти­ческого бассейна. Наиболее интенсивно этот процесс развивался в 1970-е годы. Наличие слоя распресненной, 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 ледовитость вод северо-западной части Атлантики, большая, чем в год гибели «Ти­таника» (1912). При этом теплому 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 годов увеличилось количество образующихся над Северной Атлантикой атмосферных циклонов 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 1970—1977 гг. в среднем составлял 207 км³/год, а в 1978—1995 гг.—274 км³/год. С конца 1977 г. начался рост уровня Каспийского моря, к 1994 г. подняв­шегося более чем на 2 м (см. разд. 7.10).

Вплоть до недавнего времени считалось, что в глубинных слоях океана отсутствует изменчивость характеристик водных масс. Однако в 1990-х годах были 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 оказывают 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 широт, интенсивность циклонов в области формирования глубинных вод, глубина конвек­ции, объем вновь образующейся глубинной воды, меридиональный перенос теплоты в средних широтах Атлантики, малые значения индекса замедляют все эти процессы.

Таким образом, условия на поверхности океана не только вли­яют на характеристики теплообмена с атмосферой, но и на глубин­ные воды, а значит, и на весь «межокеанский конвейер». Посколь­ку 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 ключ к понима­нию механизма воздействия океана на климат: холодные воды Северной Атлантики контролируют количество теплоты в атмосфе­ре над средними и высокими широтами Северного полушария. Поэтому информация о состоянии «океанского конвейера» даст возможность определить современное состояние климата и тенден­ции его развития.