Исследование поверхностного теплового баланса Северного Ледовитого океана (SHEBA) было финансируемым Национальным научным фондом исследовательским проектом, разработанным для количественной оценки процессов теплопередачи, которые происходят между океаном и атмосферой в течение года в Северном Ледовитом океане , где солнце находится над горизонтом с весны до лета и под горизонтом в остальное время. Исследование было разработано для предоставления данных для использования в глобальных климатических моделях , которые ученые используют для изучения глобального изменения климата . [1]
Лед отражает солнечный свет легче, чем открытая вода. Покрытый снегом морской лед отражает около 80% падающего солнечного света. Сезонные изменения в Арктике приводят к ясному небу и радиационному охлаждению от покрытого снегом морского льда в постоянно темную арктическую зиму. Весной, с возвращением солнечного света, начинают образовываться талые бассейны и увеличивать скорость поглощения тепла от солнца. Летом, во время постоянного дневного света, образуются облака, которые отражают свет в небо, но препятствуют потоку тепла от океана. Для того чтобы количественно оценить эти эффекты на большой части площади Земли — Северном Ледовитом океане — потребовались масштабные научные усилия по сбору и анализу данных в течение года. [1] Следовательно, Национальный научный фонд совместно с другими спонсорами [2] профинансировал исследование для лучшей количественной оценки этих процессов. [3]
Научная группа отправилась на борту канадского судна береговой охраны Des Groseilliers в Северный Ледовитый океан. Она прибыла в место 2 октября 1997 года, где, по плану, судно должно было вмерзнуть в паковый лед и стать базой для научных наблюдений. Эти наблюдения включали измерения океанических и атмосферных процессов от воды подо льдом, около судна, до верхних слоев атмосферы. Измерения включали:
Корабль оставался неподвижным относительно льдов в течение года, отплыв 11 октября 1998 года. Он стал известен как «Ледовая станция ШЕБА». [1] [4]
Ученые обнаружили, что облака были обычным явлением в месте нахождения судна в течение всего года. В середине зимы, как сообщается, было пасмурно 40% времени, а летом небо было постоянно затянуто облаками. Температура воздуха была на 0,6 °C ниже региональной климатологической средней температуры. Поскольку зимой не было солнца, чистый поток тепла (поток) шел от поверхности океана к небу, что было отмечено большими различиями в потоке при изменении облачного покрова. В апреле поток изменился в сторону солнечного нагрева поверхности моря, который достиг максимума в июле, когда солнечный свет был самым сильным, и лед образовал талые пруды, которые были намного темнее снега и могли поглощать солнечный свет более эффективно. [1]
Ученые также измерили чистое изменение массы льда и снежного покрова в 100 местах. Они отметили широкую изменчивость изменений в регионе, окружающем корабль. Они определили, что с ослаблением солнечного света осенью температура льда упала настолько, что к ноябрю он стал генерировать новый рост на дне ледяного покрова. Из этих наблюдений они выделили пять фаз изменения теплового баланса: [1]
Точные измерения баланса массы льда с помощью абляционных стоек во время SHEBA показали, что наибольшее поверхностное таяние наблюдалось на запруженном льду, в то время как наибольшее таяние дна наблюдалось на торосах . Таяние дна торосов было на 60% выше, чем у недеформированного однолетнего льда. Поток энергии от солнечного излучения в океан через свинцы был недостаточен для того, чтобы уравновесить наблюдаемую абляцию дна. [5] В летний период 15% площади подо льдом было покрыто слоями талой воды под льдом и ложным дном . Средняя глубина слоев талой воды под льдом составляла 0,31 м при солености 1,5. Средняя толщина ложного дна составляла 0,2 м. [6]
Экспериментальные результаты позволили осмысленно смоделировать сезонные процессы теплового бюджета, происходящие через морской лед и атмосферу Северного Ледовитого океана. Областью действия модели была колонка снизу ледового покрова через верхнюю часть атмосферы. Ученые поняли, что ключом к модели была правильная характеристика изменяющейся отражательной способности или альбедо поверхности льда из-за изменений в снежном покрове и таянии льда. Облачный покров был ключом к описанию того, сколько энергии достигло или покинуло поверхность океана. [1]
Модель включала наблюдение, что солнечная радиация является доминирующим источником тепла на поверхности. Она учитывала изменение открытого океана с 5% максимума в июне и изменения альбедо. Примерно 8% входящей солнечной радиации поглощалось океаном через лед. [1]
Ученые смогли определить параметры турбулентности у поверхности, которые характеризуют степень, в которой движение воздуха может охлаждать или нагревать поверхность льда в зависимости от сезона. Летом поверхность становится более шероховатой и замедляет поток воздуха. Измерения облаков с помощью лидара и данные о температуре и турбулентности с помощью зонда-зонда позволили научно охарактеризовать роль атмосферы надо льдом в содействии или подавлении потепления или охлаждения поверхности океана. [1]
В SHEBA приняли участие следующие лица и организации: [3]