Атлантическая меридиональная опрокидывающая циркуляция

Атлантическая меридиональная опрокидывающая циркуляция (АМОЦ, англ. Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC) — это крупномасштабная система океанических течений в Атлантическом океане, характеризующаяся переносом тёплых поверхностных вод из тропических и субтропических широт на север, а холодных глубинных вод — на юг. АМОЦ является ключевым компонентом глобальной термохалинной циркуляции, играя фундаментальную роль в перераспределении тепла, регулировании климата Северного полушария и поддержании уровня Мирового океана.

История изучения

Первые научные описания системы течений, впоследствии названной АМОЦ, относятся к XVIII—XIX векам. Американский учёный и государственный деятель Бенджамин Франклин в 1770 году опубликовал первую карту Гольфстрима — одного из основных поверхностных компонентов АМОЦ. В 1847 году американский гидрограф Мэтью Фонтейн Мори, «отец океанографии», составил подробные карты ветров и течений, описав общую циркуляцию Атлантики.

Систематическое изучение глубинных вод началось в XX веке. В 1920-х годах немецкий океанограф Георг Вюст на основе данных экспедиции «Метеор» (1925—1927) впервые описал структуру глубинных водных масс Атлантики. В 1950-х годах американский учёный Генри Стоммел разработал теоретическую модель термохалинной циркуляции, объясняющую формирование глубинных течений.

Современный термин «Атлантическая меридиональная опрокидывающая циркуляция» вошёл в научный обиход в конце 1990-х годов, когда были получены первые непрерывные наблюдения за системой с помощью буёв ARGO и спутниковой альтиметрии. С 2004 года действует международная программа RAPID (Rapid Climate Change Programme), осуществляющая мониторинг АМОЦ на 26° с. ш. с помощью массива заякоренных измерителей.

Структура и механизм

Поверхностная ветвь

Поверхностная часть АМОЦ состоит из тёплых течений, движущихся на север вдоль восточного побережья Северной Америки. Основными компонентами являются:

• Гольфстрим — мощное тёплое течение, начинающееся у Флориды и несущее воды из Карибского бассейна вдоль побережья США до района Ньюфаундленда.
• Северо-Атлантическое течение — продолжение Гольфстрима, направляющееся на северо-восток к берегам Европы.
• Норвежское течение — ответвление, огибающее Скандинавию и входящее в Северный Ледовитый океан.

Тёплые воды (температура до 24—28 °C в тропиках) переносят огромное количество тепла — около 1,3 петаватта (1,3×10^15 Вт), что сопоставимо с мощностью 100 000 электростанций.

Глубинная ветвь

В высоких широтах Северной Атлантики, в морях Лабрадор, Ирмингера и Гренландском, тёплые поверхностные воды отдают тепло атмосфере, охлаждаются и становятся более плотными. При охлаждении и частичном замерзании (при котором соль не входит в лёд) происходит увеличение солёности оставшейся воды, что дополнительно повышает её плотность. Образовавшаяся плотная холодная вода опускается на глубину 2000—4000 метров, формируя Северо-Атлантическую глубинную воду (North Atlantic Deep Water, NADW).

Глубинная ветвь течёт на юг вдоль дна океана, огибая Южную Америку, и вливается в Антарктическое циркумполярное течение. В Южном океане часть этих вод поднимается к поверхности в зонах апвеллинга, замыкая цикл.

Термохалинный двигатель

Движущей силой АМОЦ является разность плотностей воды, обусловленная температурой (термо-) и солёностью (халинный). В тропиках вода тёплая и менее плотная, в высоких широтах — холодная и более плотная. Эта гравитационная разница создаёт конвекцию: лёгкая вода движется на север, тяжёлая — на юг на глубине.

Ключевые характеристики

Объём переноса

Средний объёмный расход АМОЦ на 26° с. ш. составляет около 17—18 свердрупов (1 свердруп = 10^6 м³/с). Для сравнения, суммарный расход всех рек мира составляет около 1,2 свердрупа. Тепловой перенос на этой широте достигает 1,3 ПВт.

Скорость

Скорость поверхностных течений АМОЦ варьируется от 0,5 до 2,5 м/с (Гольфстрим), глубинных — от 0,05 до 0,2 м/с. Полный цикл циркуляции (от тропиков до высоких широт и обратно) занимает от 500 до 1000 лет.

Сезонная и межгодовая изменчивость

АМОЦ подвержена значительным колебаниям. Наблюдения RAPID показывают, что её интенсивность может меняться на 20—30 % в течение года под влиянием ветров, сезонных изменений температуры и солёности. Межгодовая изменчивость составляет 5—10 %.

Роль в климате

Регулирование температуры

АМОЦ переносит тепло из тропиков в высокие широты, смягчая климат Западной Европы, Скандинавии и восточного побережья Северной Америки. Без этого механизма средняя температура в Лондоне, Париже и Берлине была бы на 5—10 °C ниже, сопоставимой с климатом Аляски или Сибири на тех же широтах.

Влияние на уровень моря

Ослабление АМОЦ может привести к повышению уровня моря у восточного побережья США на 20—30 см за счёт перераспределения водных масс. Это связано с тем, что Гольфстрим «оттягивает» воду от берега; при его ослаблении вода накапливается у побережья.

Влияние на осадки

АМОЦ влияет на распределение осадков в тропиках и субтропиках. Изменения её интенсивности могут смещать зону внутритропической конвергенции, вызывая засухи в Сахеле (Африка) и усиление муссонов в Южной Азии.

Современное состояние и угрозы

Ослабление циркуляции

По данным наблюдений и палеоклиматических реконструкций, АМОЦ в настоящее время находится в самом слабом состоянии за последние 1000—1600 лет. Исследования, опубликованные в 2018—2023 годах, показывают, что с середины XX века интенсивность циркуляции снизилась на 15—20 %. Основной причиной считается таяние Гренландского ледяного щита, которое приводит к поступлению пресной воды в Северную Атлантику, снижая солёность и плотность поверхностных вод, что препятствует их опусканию.

Климатические модели

Модели общей циркуляции (CMIP6) предсказывают дальнейшее ослабление АМОЦ на 30—50 % к концу XXI века при сценариях высоких выбросов парниковых газов (RCP8.5). Полная остановка циркуляции в ближайшие 100 лет считается маловероятной, но не исключается при превышении определённых пороговых значений (так называемых «переломных моментов»).

Последствия коллапса

Гипотетический коллапс АМОЦ приведёт к катастрофическим последствиям:

• Похолодание в Северной Европе на 5—10 °C в течение нескольких десятилетий.
• Повышение уровня моря у восточного побережья США на 0,5—1 м.
• Смещение зон осадков: засухи в Европе и Северной Америке, усиление муссонов в Азии.
• Нарушение морских экосистем: изменение распределения планктона, рыбных запасов, морских млекопитающих.
• Усиление штормовой активности в Северной Атлантике.

Мониторинг и исследования

Наблюдательные сети

Основным инструментом мониторинга АМОЦ является массив RAPID (с 2004 года), расположенный на 26° с. ш. между Багамскими островами и Западной Сахарой. Он включает 22 заякоренные станции, измеряющие температуру, солёность, давление и скорость течения на разных глубинах. Дополнительные массивы действуют на 16° с. ш. (MOCHA) и в проливе Фрама (Арктика).

С 2000 года для мониторинга используются буи системы ARGO (более 4000 по всему Мировому океану), измеряющие температуру и солёность до глубины 2000 м. Спутниковая альтиметрия (миссии TOPEX/Poseidon, Jason, Sentinel-6) позволяет оценивать высоту морской поверхности, связанную с динамикой течений.

Палеоклиматические реконструкции

Для изучения долгосрочной изменчивости АМОЦ используются косвенные данные (прокси): изотопный состав кислорода в раковинах фораминифер из донных осадков, содержание палладия в ледяных кернах Гренландии, годичные кольца деревьев. Эти данные показывают, что в прошлом АМОЦ неоднократно ослабевала и восстанавливалась, в том числе во время последнего ледникового периода (около 20 000 лет назад).

Критика и альтернативные гипотезы

Некоторые исследователи ставят под сомнение тезис о неизбежном ослаблении АМОЦ. Критики указывают на:

• Недостаточную длину наблюдений: непрерывные данные RAPID охватывают лишь около 20 лет, что недостаточно для отделения естественной изменчивости от антропогенного тренда.
• Сложность моделирования: современные климатические модели имеют ограниченное разрешение и не всегда точно воспроизводят процессы на границе океан-атмосфера, особенно в приполярных регионах.
• Влияние ветров: некоторые модели предполагают, что усиление западных ветров в Южном океане может компенсировать ослабление АМОЦ за счёт усиления апвеллинга.

Тем не менее, консенсус научного сообщества, отражённый в отчётах Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), признаёт высокую вероятность ослабления АМОЦ в XXI веке.

Источники

• IPCC (2021). Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.
• Rahmstorf, S. (2006). Thermohaline Ocean Circulation. In: Encyclopedia of Quaternary Sciences. Elsevier.
• Srokosz, M. A., & Bryden, H. L. (2015). Observing the Atlantic Meridional Overturning Circulation yields a decade of inevitable surprises. Science, 348(6241).
• Caesar, L., Rahmstorf, S., Robinson, A., et al. (2018). Observed fingerprint of a weakening Atlantic Ocean overturning circulation. Nature, 556, 191–196.
• Boers, N. (2021). Observation-based early-warning signals for a collapse of the Atlantic Meridional Overturning Circulation. Nature Climate Change, 11, 680–688.