Термохалинная циркуляция

Термохалинная циркуляция — это глобальный океанический процесс перемещения водных масс, обусловленный различиями в плотности воды, которые, в свою очередь, возникают из-за изменений температуры (термо-) и солёности (халинный). Этот процесс является ключевым компонентом климатической системы Земли, обеспечивая перераспределение тепла, пресной воды и химических элементов между океанами и широтами.

Механизм и движущие силы

Основной движущей силой термохалинной циркуляции является градиент плотности воды. Плотность морской воды увеличивается при понижении температуры и повышении солёности. В определённых регионах Мирового океана, преимущественно в высоких широтах, вода охлаждается и становится более солёной (например, из-за образования морского льда, который «вымораживает» соль в окружающую воду). В результате образуются плотные водные массы, которые опускаются на глубину.

Роль температуры и солёности

• Температура: Вода в полярных регионах (например, в Норвежском и Гренландском морях) сильно охлаждается, достигая температуры около -1,8 °C. Это приводит к значительному увеличению её плотности.
• Солёность: В субтропических регионах, где испарение превышает количество осадков, солёность воды повышается. Однако в тропиках, где осадков много, солёность может быть ниже. В полярных регионах образование льда концентрирует соль в оставшейся воде, что дополнительно увеличивает её плотность.

Процесс опускания и подъёма

Образовавшаяся плотная вода опускается на глубину 2–4 км и начинает медленно распространяться по дну океана в сторону экватора. Этот процесс называется глубинным конвейером (или термохалинной циркуляцией в узком смысле). Достигнув низких широт, глубинные воды постепенно поднимаются к поверхности в результате диффузии, перемешивания и апвеллинга (подъёма глубинных вод). В тропиках и субтропиках вода нагревается, становится менее плотной и возвращается в высокие широты поверхностными течениями, замыкая цикл.

Структура и основные ветви

Термохалинная циркуляция представляет собой сложную трёхмерную систему, которая включает несколько крупных ветвей.

Атлантическая меридиональная опрокидывающая циркуляция (AMOC)

Атлантическая меридиональная опрокидывающая циркуляция (AMOC) — наиболее изученная и важная часть глобальной термохалинной циркуляции. Она включает:

• Тёплое поверхностное течение: Гольфстрим и Северо-Атлантическое течение переносят тёплую солёную воду из тропиков в Северную Атлантику.
• Образование глубинных вод: В Норвежском, Гренландском и Лабрадорском морях вода охлаждается, становится плотной и опускается, формируя Северо-Атлантическую глубинную воду.
• Глубинный поток: Эта плотная вода течёт на юг вдоль дна Атлантического океана, огибает Антарктиду и проникает в Индийский и Тихий океаны.

Тихоокеанская и Индоокеанская ветви

В Тихом и Индийском океанах термохалинная циркуляция менее интенсивна, чем в Атлантическом. Глубинные воды, поступающие из Атлантики, поднимаются в этих океанах, нагреваются и возвращаются в Атлантику через Индонезийский архипелаг и Южный океан. Этот процесс известен как глобальный океанический конвейер.

Антарктическая циркумполярная циркуляция

Вокруг Антарктиды существует мощное течение — Антарктическое циркумполярное течение (ACC), которое соединяет все три основных океана. Оно играет ключевую роль в перемешивании вод и переносе тепла между океанами. В приантарктических водах также происходит образование плотной Антарктической донной воды, которая является самой плотной водной массой в Мировом океане.

Роль в климатической системе

Термохалинная циркуляция оказывает огромное влияние на климат Земли.

Перенос тепла

Она переносит огромное количество тепла от экватора к полюсам. Например, AMOC обеспечивает до 25% переноса тепла в Северную Атлантику, что делает климат Западной Европы значительно мягче, чем на аналогичных широтах в Северной Америке или Азии. Без этого течения средняя температура в Северной Европе была бы на 5–10 °C ниже.

Регуляция углеродного цикла

Океан поглощает около 25% антропогенного углекислого газа (CO₂) из атмосферы. Термохалинная циркуляция способствует переносу углерода в глубинные слои океана, где он может храниться столетиями. Этот процесс, известный как биологический насос, включает поглощение CO₂ фитопланктоном и последующее опускание органического вещества на дно.

Влияние на уровень моря

Изменения в термохалинной циркуляции могут влиять на уровень моря. Например, замедление AMOC может привести к повышению уровня моря вдоль восточного побережья США, так как меньшее количество тёплой воды будет отводиться в Северную Атлантику.

Изменения и уязвимость

Термохалинная циркуляция не является статичной. Она подвержена естественным колебаниям и антропогенному воздействию.

Последствия глобального потепления

Глобальное потепление оказывает прямое влияние на термохалинную циркуляцию:

• Таяние ледников: Увеличение стока пресной воды в Северную Атлантику (из-за таяния Гренландского ледяного щита) снижает солёность поверхностных вод, что уменьшает их плотность и затрудняет опускание.
• Нагревание поверхности: Повышение температуры поверхностных вод также снижает их плотность.
• Замедление AMOC: Научные исследования показывают, что AMOC в настоящее время находится в самом слабом состоянии за последние 1000–1600 лет. Модели климата прогнозируют дальнейшее замедление на 30–40% к концу XXI века при высоких сценариях выбросов.

Возможные последствия замедления

Замедление термохалинной циркуляции может привести к:

• Похолоданию в Северной Европе: Несмотря на глобальное потепление, замедление AMOC может вызвать локальное похолодание на 2–3 °C в Великобритании и Скандинавии.
• Изменению режима осадков: Сдвиг тропических поясов дождей может привести к засухам в одних регионах (например, в Сахеле) и наводнениям в других.
• Усилению штормов: Изменение температурных градиентов может влиять на траектории ураганов и штормов.
• Нарушению морских экосистем: Изменение структуры водных масс может повлиять на распределение планктона, рыб и других морских организмов.

Палеоклиматические данные

Изучение палеоклимата показывает, что термохалинная циркуляция неоднократно претерпевала резкие изменения в прошлом. Например, во время последнего ледникового периода (около 20 000 лет назад) AMOC была значительно слабее, что приводило к резким колебаниям температуры в Северной Атлантике (события Дансгора — Эшгера). Эти данные подчёркивают потенциальную нелинейность и уязвимость системы.

Исследования и мониторинг

Для изучения термохалинной циркуляции используются различные методы:

• Спутниковые наблюдения: Измерение температуры поверхности моря, солёности и уровня моря.
• Автономные буи (Argo): Глобальная сеть буёв, измеряющих температуру и солёность до глубины 2000 м.
• Глубоководные обсерватории: Стационарные станции, такие как RAPID (в Северной Атлантике), которые непрерывно измеряют скорость AMOC с 2004 года.
• Моделирование: Климатические модели, которые симулируют взаимодействие океана, атмосферы и льда.

Критика и альтернативные взгляды

Несмотря на широкое признание концепции термохалинной циркуляции, существуют и критические замечания:

• Упрощение модели: Некоторые учёные считают, что модель «глобального конвейера» чрезмерно упрощает реальную динамику океана, которая включает множество локальных и региональных процессов.
• Роль ветра: Ветровое воздействие (например, пассаты и западные ветры) также играет важную роль в формировании океанических течений, и его вклад может быть недооценён в некоторых моделях термохалинной циркуляции.
• Неопределённость прогнозов: Прогнозы будущих изменений AMOC имеют значительную неопределённость из-за сложности моделирования обратных связей (например, влияние облачности или морского льда).

Источники

• Rahmstorf, S. (2006). Thermohaline circulation. Encyclopedia of Quaternary Sciences.
• 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.
• Bryden, H. L., Longworth, H. R., & Cunningham, S. A. (2005). Slowing of the Atlantic meridional overturning circulation at 25° N. Nature.
• Lozier, M. S. (2012). Overturning in the North Atlantic. Annual Review of Marine Science.
• Kuhlbrodt, T., et al. (2007). On the driving processes of the Atlantic meridional overturning circulation. Reviews of Geophysics.