Термохалинная циркуляция ( ТХЦ ) является частью крупномасштабной циркуляции океана , которая управляется глобальными градиентами плотности , создаваемыми поверхностным теплом и потоками пресной воды . [1] [2] Прилагательное термохалинный происходит от термо-, относящегося к температуре, и -халинного, относящегося к содержанию соли , факторов, которые вместе определяют плотность морской воды . Ветровые поверхностные течения (такие как Гольфстрим ) движутся к полюсам от экваториальной части Атлантического океана, охлаждаясь по пути и в конечном итоге опускаясь в высоких широтах (образуя североатлантические глубинные воды ). Затем эта плотная вода впадает в океанические бассейны . [3] В то время как большая ее часть поднимается в Южном океане , самые старые воды (со временем транзита около 1000 лет) поднимаются в северной части Тихого океана. [4] Таким образом, между океаническими бассейнами происходит обширное перемешивание, что уменьшает различия между ними и делает океаны Земли глобальной системой . [3] Вода в этих циклах переносит как энергию (в форме тепла), так и массу (растворенные твердые вещества и газы) по всему земному шару. Таким образом, состояние циркуляции оказывает большое влияние на климат Земли .
Термохалинную циркуляцию иногда называют океаническим конвейером, великим океанским конвейером или глобальным конвейером, придуманным климатологом Уоллесом Смитом Брокером . [5] [6] Ее также называют меридиональной опрокидывающейся циркуляцией, или МОЦ . Это название используется потому, что не каждая схема циркуляции, вызванная градиентами температуры и солености, обязательно является частью единой глобальной циркуляции. Кроме того, трудно отделить части циркуляции, обусловленные только температурой и соленостью, от тех, которые обусловлены другими факторами, такими как ветер и приливные силы . [7]
Эта глобальная циркуляция имеет две основные ветви - Атлантическую меридиональную опрокидывающую циркуляцию ( AMOC ), сосредоточенную в северной части Атлантического океана, и Южную океаническую опрокидывающую циркуляцию или Южноокеанскую меридиональную циркуляцию ( SMOC ), вокруг Антарктиды . Поскольку 90% населения живет в Северном полушарии , [8] AMOC изучена гораздо лучше, но обе очень важны для глобального климата. Обе они также, по-видимому, замедляются из-за изменения климата , поскольку таяние ледяных щитов разбавляет соленые потоки, такие как донная вода Антарктиды . [9] [10] Любая из них может полностью разрушиться до гораздо более слабого состояния, что станет примером переломных моментов в климатической системе . Полушарие, которое испытает коллапс своей циркуляции, испытает меньше осадков и станет суше, в то время как другое полушарие станет влажнее. Морские экосистемы также, вероятно, будут получать меньше питательных веществ и испытывать большую деоксигенацию океана . В Северном полушарии коллапс AMOC также существенно понизит температуру во многих европейских странах, в то время как восточное побережье Северной Америки испытает ускоренный подъем уровня моря . Коллапс любой из циркуляций, как правило, считается более чем столетним и может произойти только при сильном потеплении, но в этих прогнозах много неопределенности. [10] [11]
Давно известно, что ветер может управлять океанскими течениями, но только на поверхности. [12] В 19 веке некоторые океанографы предположили, что конвекция тепла может управлять более глубокими течениями. В 1908 году Йохан Сандстрём провел серию экспериментов на морской исследовательской станции Борнё , которые доказали, что течения, вызываемые переносом тепловой энергии , существуют, но требуют, чтобы «нагревание происходило на большей глубине, чем охлаждение». [13] [1] Обычно происходит обратное, потому что океанская вода нагревается сверху Солнцем и становится менее плотной, поэтому поверхностный слой плавает на поверхности над более холодными, более плотными слоями, что приводит к стратификационному расслоению океана . Однако ветер и приливы вызывают перемешивание между этими водными слоями, одним из примеров является диапикническое перемешивание , вызванное приливными течениями. [14] Это перемешивание обеспечивает конвекцию между слоями океана и, таким образом, глубоководные течения. [1]
В 1920-х годах рамки Сандстрема были расширены за счет учета роли солености в формировании слоя океана. [1] Соленость важна, поскольку, как и температура, она влияет на плотность воды . Вода становится менее плотной по мере повышения ее температуры и увеличения расстояния между ее молекулами , но более плотной по мере увеличения солености, поскольку в этой воде растворено больше солей. [15] Кроме того, в то время как пресная вода имеет максимальную плотность при 4 °C, морская вода становится плотнее только по мере охлаждения, пока не достигнет точки замерзания. Эта точка замерзания также ниже, чем у пресной воды из-за солености, и может быть ниже −2 °C, в зависимости от солености и давления. [16]
Эти различия в плотности, вызванные температурой и соленостью, в конечном итоге разделяют океанскую воду на отдельные водные массы , такие как североатлантическая глубинная вода (NADW) и антарктическая донная вода (AABW). Эти две воды являются основными движущими силами циркуляции, которая была установлена в 1960 году Генри Стоммелем и Арнольдом Б. Аронсом. [17] Они имеют химические, температурные и изотопные сигнатуры соотношения (например, соотношение 231 Pa / 230 Th ), которые можно отследить, рассчитать их скорость потока и определить их возраст. NADW образуется, потому что Северная Атлантика является редким местом в океане, где осадки , которые добавляют пресную воду в океан и, таким образом, уменьшают его соленость, перевешиваются испарением , отчасти из-за сильного ветра. Когда вода испаряется, она оставляет соль позади, и поэтому поверхностные воды Северной Атлантики особенно соленые. Северная Атлантика также является и без того прохладным регионом, и испарительное охлаждение еще больше снижает температуру воды. Таким образом, эта вода опускается вниз в Норвежском море , заполняет бассейн Северного Ледовитого океана и разливается на юг через Гренландско-Шотландский хребет — трещины в подводных порогах , которые соединяют Гренландию , Исландию и Великобританию. Она не может течь в сторону Тихого океана из-за узких мелководий Берингова пролива , но она медленно течет в глубокие абиссальные равнины южной части Атлантического океана. [18]
В Южном океане сильные катабатические ветры, дующие с Антарктического континента на шельфовые ледники , сдувают недавно образовавшийся морской лед , открывая полыньи в таких местах, как моря Уэдделла и Росса , у берега Адели и у мыса Дарнли . Океан, больше не защищенный морским льдом, испытывает жестокое и сильное охлаждение (см. полынья ). Тем временем морской лед начинает формироваться, поэтому поверхностные воды также становятся более солеными, а значит, очень плотными. Фактически, образование морского льда способствует повышению солености поверхностной морской воды; более соленый рассол остается, поскольку вокруг него формируется морской лед (чистая вода преимущественно замерзает). Повышение солености понижает точку замерзания морской воды, поэтому холодный жидкий рассол образуется во включениях внутри сот льда. Рассол постепенно растапливает лед прямо под собой, в конечном итоге капая из ледяной матрицы и тонув. Этот процесс известен как отторжение рассола . Образующаяся придонная вода Антарктики тонет и течет на север и восток. Он плотнее, чем NADW, и поэтому течет под ним. AABW, образованный в море Уэдделла, в основном заполнит Атлантический и Индийский бассейны, тогда как AABW, образованный в море Росса, будет течь в сторону Тихого океана. В Индийском океане происходит вертикальный обмен нижнего слоя холодной и соленой воды из Атлантики и более теплой и пресной верхней океанской воды из тропической части Тихого океана, что известно как опрокидывание . В Тихом океане остальная часть холодной и соленой воды из Атлантики подвергается халинному воздействию и становится теплее и преснее быстрее. [19] [20] [21] [22] [23]
Вытекающая из-под моря холодная и соленая вода делает уровень моря в Атлантике немного ниже, чем в Тихом океане, а соленость или галинность воды в Атлантике выше, чем в Тихом океане. Это создает большой, но медленный поток более теплой и пресной верхней океанской воды из тропической части Тихого океана в Индийский океан через Индонезийский архипелаг, чтобы заменить холодную и соленую антарктическую донную воду . Это также известно как «халинное воздействие» (чистый прирост пресной воды в высоких широтах и испарение в низких широтах). Эта более теплая, более пресная вода из Тихого океана течет вверх через Южную Атлантику в Гренландию , где она остывает и подвергается испарительному охлаждению и опускается на дно океана, обеспечивая непрерывную термохалинную циркуляцию. [25] [26]
По мере того, как глубокие воды погружаются в океанические бассейны, они вытесняют более старые глубоководные массы, которые постепенно становятся менее плотными из-за продолжающегося перемешивания океана. Таким образом, часть воды поднимается, что известно как апвеллинг . Его скорость очень мала даже по сравнению с движением придонных водных масс. Поэтому трудно измерить, где происходит апвеллинг, используя скорости течения, учитывая все другие ветровые процессы, происходящие на поверхности океана. Глубоководные воды имеют свою собственную химическую сигнатуру, образованную в результате распада твердых частиц, попадающих в них в ходе их долгого путешествия на глубине. Ряд ученых пытались использовать эти трассеры, чтобы сделать вывод о том, где происходит апвеллинг. Уоллес Брокер , используя ящичные модели, утверждал, что основная часть глубоководного апвеллинга происходит в северной части Тихого океана, используя в качестве доказательства высокие значения кремния, обнаруженные в этих водах. Другие исследователи не нашли таких явных доказательств. [27]
Компьютерные модели циркуляции океана все чаще помещают большую часть глубокого апвеллинга в Южный океан, связанный с сильными ветрами в открытых широтах между Южной Америкой и Антарктидой. [28] Прямые оценки силы термохалинной циркуляции также были сделаны на 26,5° с.ш. в Северной Атлантике в рамках британско-американской программы RAPID. Она объединяет прямые оценки океанского переноса с использованием измерителей течения и подводных кабельных измерений с оценками геострофического течения по измерениям температуры и солености, чтобы обеспечить непрерывные, полноглубинные, общебассейновые оценки меридиональной опрокидывающей циркуляции. Однако она работает только с 2004 года, что слишком мало, если временные рамки циркуляции измеряются столетиями. [29]
Термохалинная циркуляция играет важную роль в поставке тепла в полярные регионы и, таким образом, в регулировании количества морского льда в этих регионах, хотя перенос тепла к полюсам за пределами тропиков значительно больше в атмосфере, чем в океане. [30] Считается, что изменения в термохалинной циркуляции оказывают значительное влияние на радиационный баланс Земли .
Предполагается, что крупные притоки талой воды низкой плотности из озера Агассис и таяние ледников в Северной Америке привели к смещению глубоководных образований и оседанию в крайней северной части Атлантического океана и стали причиной климатического периода в Европе, известного как поздний дриас . [31]
В 2021 году в Шестом оценочном докладе МГЭИК снова говорилось, что AMOC «весьма вероятно» сократится в течение 21-го века, и что существует «высокая уверенность», что изменения в ней будут обратимы в течение столетий, если потепление будет обращено вспять. [32] : 19 В отличие от Пятого оценочного доклада, в нем была только «средняя уверенность», а не «высокая уверенность» в том, что AMOC избежит коллапса до конца 21-го века. На это снижение уверенности, вероятно, повлияли несколько обзорных исследований, которые привлекли внимание к смещению стабильности циркуляции в общих моделях циркуляции , [33] [34] и упрощенные исследования моделирования океана, предполагающие, что AMOC может быть более уязвимым к резким изменениям, чем предполагают более крупномасштабные модели. [35]
В 2022 году обширная оценка всех потенциальных точек невозврата климата выявила 16 вероятных точек невозврата климата, включая крах AMOC. В ней говорилось, что крах, скорее всего, будет вызван глобальным потеплением на 4 °C (7,2 °F), но что существует достаточно неопределенности, чтобы предположить, что он может быть вызван при уровнях потепления от 1,4 °C (2,5 °F) до 8 °C (14 °F). Оценка предполагает, что после того, как будет вызван крах AMOC, это произойдет от 15 до 300 лет, и, скорее всего, примерно через 50 лет. [36] [37] Оценка также рассматривала крах Северного субполярного круговорота как отдельную точку невозврата, которая может наступить при температуре от 1,1 °C (2,0 °F) до 3,8 °C (6,8 °F), хотя это моделируется только частью климатических моделей. Наиболее вероятная точка невозврата для краха Северного субполярного круговорота составляет 1,8 °C (3,2 °F), и после запуска коллапс круговорота произойдет между 5 и 50 годами, а наиболее вероятно через 10 лет. По оценкам, потеря этой конвекции снизит глобальную температуру на 0,5 °C (0,90 °F), в то время как средняя температура в Европе снизится примерно на 3 °C (5,4 °F). Также будут существенные последствия для региональных уровней осадков. [36] [37]По состоянию на 2024 год [обновлять]нет единого мнения о том, произошло ли последовательное замедление циркуляции AMOC, но мало кто сомневается, что это произойдет в случае дальнейшего изменения климата. [38] По данным МГЭИК, наиболее вероятными последствиями будущего снижения AMOC являются сокращение осадков в средних широтах, изменение характера сильных осадков в тропиках и Европе и усиление штормов, следующих по североатлантическому маршруту. [38] В 2020 году исследования показали, что ослабление AMOC замедлит сокращение арктического морского льда . [39] и приведет к атмосферным тенденциям, аналогичным тем, которые, вероятно, имели место во время позднего дриаса , [40], таким как смещение на юг зоны внутритропической конвергенции . Изменения осадков в сценариях с высокими выбросами будут гораздо большими. [39]
Снижение AMOC будет сопровождаться ускорением повышения уровня моря вдоль восточного побережья США ; [38] по крайней мере одно такое событие было связано с временным замедлением AMOC. [41] Этот эффект будет вызван повышенным потеплением и тепловым расширением прибрежных вод, которые будут передавать меньше своего тепла в сторону Европы; это одна из причин, по которой повышение уровня моря вдоль восточного побережья США оценивается в три-четыре раза выше, чем в среднем в мире. [42] [43] [44]Кроме того, основным контролирующим паттерном климата внетропического Южного полушария является Южный кольцевой режим (ЮКМ), который все больше и больше лет находится в своей положительной фазе из-за изменения климата (а также последствий истощения озонового слоя ), что означает большее потепление и больше осадков над океаном из-за более сильных западных ветров , что еще больше опресняет Южный океан. [45] [46] : 1240 Климатические модели в настоящее время расходятся во мнениях относительно того, продолжит ли циркуляция Южного океана реагировать на изменения в ЮКМ так, как она это делает сейчас, или она в конечном итоге приспособится к ним. По состоянию на начало 2020-х годов их лучшая оценка с ограниченной уверенностью заключается в том, что нижняя ячейка продолжит ослабевать, в то время как верхняя ячейка может усилиться примерно на 20% в течение 21-го века. [46] Основной причиной неопределенности является плохое и непоследовательное представление стратификации океана даже в моделях CMIP6 — самом передовом поколении, доступном на начало 2020-х годов. [47] Кроме того, наибольшую долгосрочную роль в состоянии циркуляции играет талая вода в Антарктике, [48] а потеря льда в Антарктике долгое время была наименее определенным аспектом будущих прогнозов повышения уровня моря . [49]
Похожие процессы происходят с Атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляцией (AMOC), на которую также влияет потепление океана и потоки талой воды из сокращающегося Гренландского ледяного щита . [50] Вполне возможно, что обе циркуляции могут не просто продолжать ослабевать в ответ на усиленное потепление и опреснение, но в конечном итоге полностью разрушиться до гораздо более слабого состояния, таким образом, который будет трудно обратить вспять и который представляет собой пример переломных моментов в климатической системе . [51] Существуют палеоклиматические свидетельства того, что опрокидывающая циркуляция была существенно слабее, чем сейчас, в прошлые периоды, которые были и теплее, и холоднее, чем сейчас. [52] Однако в Южном полушарии проживает всего 10% населения мира, и опрокидывающей циркуляции Южного океана исторически уделялось гораздо меньше внимания, чем AMOC. Следовательно, хотя многочисленные исследования были направлены на оценку точного уровня глобального потепления, которое может привести к краху AMOC, временных рамок, в течение которых может произойти такой крах, и региональных последствий, которые он может вызвать, гораздо меньше эквивалентных исследований существует для переворачивания циркуляции Южного океана по состоянию на начало 2020-х годов. Было высказано предположение, что его крах может произойти между 1,7 °C (3,1 °F) и 3 °C (5,4 °F), но эта оценка гораздо менее определена, чем для многих других точек невозврата. [51]{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )