В Западной Европе теплее, чем в Америке или Азии в тех же широтах. Мы со школьной скамьи будто бы знаем, почему — европейцам повезло с Гольфстримом, теплым атлантическим течением. Поэтому заголовки о том, что оно замедляется, читаем как пророчество о неминуемом «климатическом закате» Европы. Но все, естественно, намного сложнее. О том, насколько велика роль Гольфстрима для европейского климата, замедляется ли циркуляция воды в Атлантике, кто рискует из-за этого замерзнуть и при чем тут глобальное потепление, рассказывает климатолог, старший научный сотрудник Лаборатории теории климата Института физики атмосферы имени Обухова РАН Александр Чернокульский.

22 апреля 1513 года испанский конкистадор Хуан Понсе де Леон записал в судовой журнал: недалеко от берегов полуострова Флорида его корабли попали в такое сильное течение, что не смогли продвинуться вперед даже несмотря на попутный ветер. Это первое письменное упоминание Гольфстрима, хотя он наверняка был известен местным жителям и до появления в этих краях белых мореходов. Через шесть лет штурман той же самой экспедиции Антон де Аламинос сознательно воспользовался силой течения Гольфстрима и вернулся в Испанию с золотом Кортеса за рекордно короткий срок. Так Гольфстрим превратился в трансатлантический мост, по которому европейцы вывозили золото из Америки.

Первая карта Гольфстрима была составлена Бенджамином Франклином и Тимоти Фолгером в 1769–1770 годах. А само название «Гольфстрим» — то есть «течение залива» — появилось на картах в первой половине XIX века.

Карта Гольфстрима, нарисованная Бенджамином Франклином в 1769–1770 гг.

В 1855 году американский морской офицер Мэтью Мори опубликовал книгу «Физическая география и метеорология океана» , где похоже первым выдвинул идею, что именно Гольфстрим уносит тепло Мексиканского залива (где «в противном случае оно было бы чрезмерным») к берегам Старого света и таким образом улучшает климат Британских островов и всей Западной Европы. С тех пор идея о том, что именно Гольфстрим «греет Европу» и определяет мягкие зимы в ней, проникла в научные статьи и учебники.

Сегодня русскоязычная Википедия сообщает: «По пути в Европу Гольфстрим теряет большую часть энергии из-за испарения, охлаждения и многочисленных боковых ответвлений, сокращающих основной поток, однако, доставляет всё ещё достаточно тепла в Европу, чтобы создать в ней необычный для её широт мягкий климат». В школьных учебниках по географии ещё более категорично: «Без этого теплого течения [Гольфстрима] европейцы бы замерзли». Даже в классическом советском учебнике Сергея Хромова «Метеорология и климатология» (в более поздних редакциях — за авторством Хромова и Михаила Петросянца) можно найти такую фразу: «гребень изотерм на картах средней температуры ярко показывает отепляющее влияние Гольфстрима на климат восточной части северного Атлантического океана и Западной Европы».

Если посмотреть на карты поверхностных течений, особенно упрощенных, кажется, что вот же — Гольфстрим широкой рекой течет прямо к берегам Европы (при этом никого не смущает, что на этих картах он объединен с Североатлантическим и Норвежским течениями).

Схематическое изображение переноса тепла течением Гольфстрим, которое использует Википедия

RedAndr / wikimedia commons / CC BY-SA 4.0

Но в в строгом смысле, конечно, никакой естественной теплопроводной магистрали через Атлантику не проложено. Гольфстрим действительно двигается вдоль американского побережья на север и у мыса Гаттерас поворачивает куда-то в сторону Европы. Но что с ним происходит в пути? И его ли тепло на самом деле получает Европа?

Вода или воздух

Солнце нагревает Землю неравномерно: экватор получает больше, полюса меньше. Этот температурный градиент является одной из главных сил, что приводит в движение океан и атмосферу. В тропиках климатическая система нашей планеты получает энергию, а в умеренных и полярных широтах — отдает.

Среднегодовое поглощение солнечной радиации на разных широтах (красная линия) и уходящая длинноволновая радиация (черная линия). Снизу: суммарный радиационный поток и значения радиационного баланса в петаваттах. Северные широты — справа, «положительные»

Graeme L. Stephens et al. / Reviews of Geophysics, 2015

В 2001 году, связав данные наблюдений за радиационным балансом на верхней границе атмосферы и данные по атмосферному переносу, ученые показали, что основной перенос тепла от экватора к полюсу осуществляется в атмосфере. Океан — медленный компонент климатической системы. Он не так резко откликается на внешнее воздействие, как атмосфера. В передаче тепла он выполняет роль аккумулятора: принимая тепло от Солнца и нагреваясь, океан затем делится им с воздухом (непосредственно для солнечной радиации воздух практически прозрачен).

Атмосфера подхватывает тепло и влагу океана (конденсация влаги приводит к выделению тепла, а значит перенос влаги — это, по сути, тоже перенос тепла, только «скрытого») и несет его от тропиков к полюсам. Сама же вода переносит к полюсам гораздо меньше тепла, чем атмосфера, их вклад сопоставим разве что ближе к экватору. Максимальный поток тепла достигается на 30–40 градусах широты, и в среднем за год составляет шесть петаваттов (в зимние месяцы он доходит и до восьми петаваттов). В Атлантике максимальный перенос тепла океаном идет в районе 15 градуса северной широты и не превышает 1,2 петаватта.

Среднегодовой поток тепла к северу. Слева — общий (черная линия), в атмосфере (красная) и в океане (синяя). Справа — поток тепла в различных океанах (в петаваттах).

Kevin E. Trenberth et al. / Geophysical Research Letters, 2017

Поток самого Гольфстрима в районе Флоридского пролива также составляет около 1,3 петаватта, так что сами по себе величины переноса однозначного ответа о роли этого течения в отеплении Европы не дают. Не дают они ответа и на вопрос, почему зимы в Европе гораздо мягче, чем в Северной Америке на этой же широте. Для этого надо понять, как устроен в умеренных широтах атмосферный перенос тепла.

Кто греет Европу

В умеренных широтах обоих полушарий преобладает западный перенос воздушных масс. Это связано, во-первых, с градиентом температуры между субтропиками и приполярными районами (что определяет движение воздуха в сторону полюсов) — а во-вторых со вращением планеты, которое отклоняет этот поток направо в северном полушарии и налево в южном. Так в умеренных широтах поток теплого воздуха к полюсам становится западным ветром.

Западный ветер обуславливает преобладание морского климата в западных частях материков и континентального — в восточных. Глобальный поток тепла с океана на сушу в декабре и в январе достигает шести петаваттов (что сопоставимо с максимумом меридионального переноса тепла). Более того, теплый океан, горные хребты и остывание заснеженной поверхности зимой приводят к более частому образованию на одних и тех же местах циклонов и антициклонов. Если их осреднить за зиму, то может показаться, что циклоны над Атлантикой и Тихим океаном (Исландский и Алеутский минимумы) и антициклоны над материками (Канадский и Сибирский максимумы) стоят на месте. В итоге воздух движется уже не строго с запада на восток, а приобретает меридиональную составляющую: к западным побережьям материков он приходит с юго-запада, со стороны теплого океана, а к восточным побережьям — с северо-востока, из центральных холодных районов материков.

Отклонения приповерхностной температуры воздуха (сверху, ºC) и атмосферного давления (снизу, гигапаскали) от среднезональных значений в зимние месяцы (декабрь–февраль)

Yohai Kaspi et al. / Nature, 2011

В начале этого века британский метеоролог Ричард Сигер и его коллеги задались вопросом: нужен ли Гольфстрим, чтобы в Европе была теплая погода? И попробовали проверить это при помощи идеализированных экспериментов, в которых выключали все течения в Атлантике. Выяснилось, что даже если океан «плоский», то есть не переносит тепло, то Европа все равно остается существенно теплее восточного побережья США. А критически важными для температурного режима Европы оказались конфигурация атмосферного переноса и обмен теплом и влагой между океаном и атмосферой. То есть в «отоплении» Европы океан выступает аккумулятором, который заряжается теплом Солнца за лето и отдает его зимой. А заслуги внутренних течений в этом аккумуляторе перед европейским климатом явно переоценены.

Можно, конечно, сказать, что это всего лишь данные моделирований. А что говорят наблюдения? Ученые использовали метод обратных траекторий для исследования зимней погоды в четырех европейских городах — Дублине, Париже, Лиссабоне и Тулузе. Выяснилось, что турбулентные потоки тепла и влаги от океана действительно насыщают воздушные массы, проходящие над морской поверхностью. Однако погода в изучаемых городах в первую очередь реагировала не на температуру поверхности океана, а температуру и влажность воздушных масс. Более того, в годы, когда западные ветра проходили над Гольфстримом и его продолжением, они не становились теплее и влажнее, чем обычно.

Январская температура воздуха в эксперименте с включенным (сверху) и выключенным (снизу) переносом тепла в океане

Richard Seager / The Plantsman, 2008

В других работах было показано, что резкие границы температуры воды в районе Гольфстрима приводят к возникновению здесь же мощных восходящих движений воздуха (конвекции), сильным осадкам и образованию высоких холодных облаков. Это в свою очередь запускает волнения в атмосфере, которые чувствуются в удаленных районах.

Например, положение Гольфстрима влияет на интенсивность антициклонов над Гренландией: чем севернее путь течения, тем интенсивнее антициклоны. Также сдвиг Гольфстрима влияет на температуру в Баренцевом море. Но и это не может объяснить теплые европейские зимы. Более того, ряд работ (1, 2, 3) на основе сдвиговой корреляции показал, что положение Гольфстрима само находится в зависимости — от циркуляции воздуха в Северном полушарии.

Впрочем, известно, что потоки между океаном и атмосферой на коротких временных интервалах (до десяти лет) регулируются изменениями в атмосфере, а вот на длинных — уже в океане. К тому же, если приглядеться к результатам моделирования Сигера и его коллег, можно увидеть, что на температуру севера Европы включение-выключение течений влияет существенно. То есть Норвегию и Мурманск Гольфстрим все же обогревает?

Здесь важна общая циркуляция в Атлантике. Гольфстрим является лишь ее частью — самой видимой и наиболее известной, но не определяющей. Более того, связь Гольфстрима со своими продолжениями не так очевидна.

Больше, чем Гольфстрим

Мировой океан закрывает 7/10 поверхности нашей планеты и содержит 97 процентов воды на Земле (если не учитывать воду, которая находится в недрах планеты). Неудивительно, что наши знания об этом гиганте не полны. Некоторые процессы в океане известны зачастую лишь в общих чертах, практически каждый год то или иное явление уточняется.

Первые наблюдения за океаном производились на морских судах — сначала как сопутствующие, с конца XIX века они стали уже специализированными (про историю судовых наблюдений можно, например, почитать здесь). Сейчас наблюдательная система за океаном включает гораздо больше компонентов: помимо научных и коммерческих судов это мареографы, специализированные заякоренные и дрейфующие буи, глайдеры, трекеры на животных, высокочастотные радары, пассивное и активное спутниковое зондирование. Например, с помощью спутниковой альтиметрии было установлено, что уровень океана с конца XX века растет с ускорением до 0,1 миллиметра/год2.

Важны не только наблюдения, но и растущие мощности наших вычислительных машин, которые позволяют численно моделировать океан со все более высоким разрешением. Высокое разрешение для моделирования океана даже важнее, чем для работы с атмосферой. Тропические циклоны имеют характерное разрешение в несколько сотен километров, привычные нам циклоны до двух тысяч километров, а размеры вихрей в океане — лишь десятки километров, при этом они переносят существенную долю тепла (в первую очередь вблизи экватора).

Впрочем, сами по себе новые наблюдательные системы и возросшие вычислительные мощности к открытиям не приводят. Важнейшим звеном остаются ученые и их догадки. Так, на основе всего лишь одного измерения вертикального профиля температуры воды в Атлантике, произведенного в 1750 году капитаном работоргового судна и показавшего, что под слоем теплых поверхностных вод на глубине находятся гораздо более холодные водные массы, выросла идея глобальной циркуляции океана. Циркуляции, которая не ограничивается поверхностными течениями.

Через полвека после этого граф Рамфорд предположил, что теплая вода от экватора по поверхности океана течет к полюсам, а холодная наоборот — течет в глубинах океана от полюсов в сторону экватора. Русский физик Эмиль Ленц развил эту идею в 1845 году, предположив, что теплая вода «опрокидывается» в районе полюсов, а холодная поднимается на поверхность в районе экватора — тем самым, по сути, впервые описав схему атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции (АМОЦ).

В начале XX века немецкий океанограф Бреннеке объединил АМОЦ и поверхностные течения в единую схему, в которой сохранялся подъем воды на экваторе. Следующий шаг был сделан в 1925–1927 годах после исследований немецких океанографов на судне «Метеор»: в схеме Георга Вюста пропадает подъем воды на экваторе, появляются различные уровни, где поток воды направлен на юг или на север. А в середине XX века американский океанограф Генри Стоммел показал, что опрокидывание теплой воды происходит в узких зонах, где она охлаждается и за счет активного испарения становится более соленой — поэтому тяжелеет и опускается вниз. Причем в схеме Стоммела вода к югу течет в узкой зоне на западе океана.

Схема атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции: Ленц (1845)

Philip L.Richardson / Progress in Oceanography, 2008

Схема атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции: Бреннеке (1909)

Philip L.Richardson / Progress in Oceanography, 2008

Схема атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции: Вюст (1949)

Philip L.Richardson / Progress in Oceanography, 2008

Схема атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции: Стоммел (1957), показаны приповерхностные и глубинные течения

Philip L.Richardson / Progress in Oceanography, 2008

И Вюст и Стоммел показали, что в Атлантике поток тепла направлен через экватор в Северное полушарие. В итоге температура воды на севере Атлантики выше, чем на севере Тихого океана. Но различается не только температура: на севере Атлантики выше соленость, а уровень воды наоборот, ниже, чем на севере Тихого океана — почти на метр! Эти отличия связаны с разностью в осадках (и в меньшей степени с испарением): в силу атмосферной циркуляции и размеров океанов испаряющаяся над Тихим океаном влага по большей части над ним же и выпадает, а из Атлантики — переносится на материк.

Все это независимо привело в начале 1980-х двух океанологов — американца Уоллеса Брокера и россиянина Сергея Сергеевича Лаппо — к одной и той же догадке: существует глобальная термохалинная циркуляция (то есть определяемая разностями плотности вследствие разной температуры и солености), связывающая между собой все океаны. В 1982 году Брокер сравнил такую циркуляцию с лентой конвейера, а в 1987 году иллюстратор журнала Natural History Джо ле Моньер нарисовал ее каноническую схему. В 2001 году для третьего отчета IPCC на эту же схему были добавлены зоны формирования глубинных вод — ключевые зоны океанической конвекции, изменения в которых могут тормозить конвейер (кстати, именно в этом отчете возможная остановка конвейера была оценена как маловероятное событие со значительными последствиями, но об этом чуть позже).

Схемы глобального океанического конвейера: Брокер (1987)

Philip L.Richardson / Progress in Oceanography, 2008

Схемы глобального океанического конвейера: IPCC (2001)

Philip L.Richardson / Progress in Oceanography, 2008

В Атлантике меридиональная циркуляция на широте 26,5º северной широты переносит на север около 18 свердрупов воды (1 свердруп = 10⁶ кубометров в секунду) в верхних слоях океана, а в нижних столько же переносит на юг. Для сравнения, крупнейшая река в мире — Амазонка — переносит 0,2 свердрупа, а самое сильное течение в океане, Антарктическое циркумполярное, опоясывающее шестой континент — 130 свердрупов. Гольфстрим не так уж сильно ему уступает: он переносит от 85 до 105 свердрупов. То есть в пять раз больше, чем АМОЦ! Почему же для переноса тепла на север Атлантики важен именно последняя, а не Гольфстрим? Ведь вот же на картах и схемах «река» (хотя это конечно не река, а множество отдельных вихрей), которая несет тепло в Европу, как когда-то несла в направлении Старого света галеоны с золотом.

Ученые провели эксперимент: с 1990-го по 2002 год они запустили в воду сотни дрифтеров в субтропиках и умеренных широтах Атлантики и посмотрели, как эти они дрейфовали вместе с поверхностными течениями. Из 273 дрифтеров, прошедших через район Гольфстрима, до Северной Европы добрался только один.

Сверху: траектории движения дрифтеров на поверхности Атлантического океана с 1990 по 2002, проходящие через регион Гольфстрима (показан прямоугольником). Снизу: траектории дрифтеров, проходящих через Исландское море (показано прямоугольником). Зеленым цветом показаны траектории дрифтеров до попадания в регион, синим — после

Elena Brambilla et al. / JGR Oceans, 2006

Похожий результат был получен и с модельными дрифтерами в численной модели океана: было показано, что из приповерхностных вод субтропического круговорота в субполярный попадает лишь 5 процентов дрифтеров. Сигнал от температурных аномалий поверхности воды в районе Гольфстрима не прослеживается в температуре поверхности воды в Северной Атлантики — субтропический и субполярный круговороты оказываются в целом слабо связаны. В итоге многие свердрупы теплой воды, переносимые Гольфстримом и движимые по большей части ветром, циркулируют в субтропическом круговороте, снова и снова проходя через регион Гольфстрима, и не торопятся греть собой берега Европы.

Схема движения вод в Атлантике — теплых поверхностных (красные стрелки) и холодных глубиных (синие стрелки). Обозначены также круговороты воды — субтропический (STG — subtropical gyre) и субполярный (SPG — subpolar gyre), знаком © обозначены регионы конвекции (образования глубинных вод)

Janne Repschläger et al. / Climate of the Past, 2017

На глубине связь прослеживается более сильная: моделирование показывает, что уже 30 процентов дрифтеров, запущенных в районе Гольфстрима на глубине 700 метров, проникает из субтропического круговорота в субполярный. Характерное время такого глубинного обмена составляет от двух до семи лет.

В северо-восточной части субполярного круговорота приток тепла дает до 0,3 петаватта, из которых 0,1 петаватта отдается в атмосферу (это тепло атмосфера переносит на материк), а остальное идет дальше — на северо-запад, в Лабрадорское море, где находится одна из зон конвекции и образования верхних глубинных атлантических вод на глубине 1,5–3 километра), и на северо-восток, в сторону Норвежского, Исландского и Гренландского морей, где расположена вторая зона конвекции и где образуются нижние глубинные атлантические воды (находятся ниже трех километров).

До Баренцева моря в итоге доходит 0,045 петаватта. Этого тепла хватает, чтобы круглый год поддерживать море свободным ото льда. И как раз это тепло в первую очередь связано непосредственно с АМОЦ, которая приводит в движение продолжение Гольфстрима — Североатлантическое течение. Так что если нас интересует судьба Мурманска, вопрос не в том, замедляется ли Гольфстрим, а в том, замедляется ли АМОЦ. И если да, то из-за чего?

Замедляется ли циркуляция воды в Атлантике?

Свежая статья немецкого океанолога-климатолога Штефана Рамсторфа и его коллег, которую все активно обсуждали в феврале, говорит о том, что циркуляция АМОЦ сейчас самая слабая за последние 1600 лет (кстати, в этой статье нет ни слова про Гольфстрим!). Ученые сделали вывод об этом на основе независимых прокси-данных, так или иначе показывающих интенсивность различных звеньев АМОЦ или процессов в атмосфере и океане, связанных с АМОЦ (но не АМОЦ как таковой): соотношение различных изотопов в раковинах ископаемых беспозвоночных (фораменифер) на дне морей, характерного размера илистых отложений, содержания метансульфоновой кислоты в кернах гренландского льда и так далее. Вся совокупность использованных данных указывает на то, что интенсивность АМОЦ с высокой вероятностью сейчас самая слабая за прошедшие 1600 лет.

Изменение различных палео-данных, косвенно указывающих на современное состояние интенсивности АМОЦ — самой слабой за последние 1600 лет

L. Caesar et al. / Nature Geoscience, 2021

Идея о том, что глобальный конвейер термохалинной циркуляции и АМОЦ вместе с ним могут ослабевать в следствие усиления парникового эффекта из-за роста концентрации СО2, была высказана американскими климатологами Сюкуро Манабе и Рональдом Стоуфером в начале 1990-х годов. На основе численных экспериментов с климатической моделью с удвоением и учетверением концентрации СО2 в атмосфере ученые выявили, что на севере Атлантики в результате таяния льдов Арктики и Гренландии и усиления осадков будут распресняться поверхностные воды. Это приводило к ослаблению конвекции (опускания вод) и замедлению термохалинной циркуляции. Предсказанное 30 лет назад распреснение уже происходит. Значит, замедляется и АМОЦ?

В 2010 году ослабление глобальной океанической циркуляции косвенно подтвердили по данным наблюдений за полем температуры поверхности океана, выделив в нем различные моды изменчивости . Позже в качестве меры интенсивности АМОЦ было предложено оценивать температуру поверхности воды в субполярном североатлантическом круговороте, одном из наиболее чувствительных к АМОЦ регионе. Пока весь мир теплел, данный регион охлаждался. Даже появился термин warming hole — «дыра в потеплении». Используя этот индикатор, ученые показали, что АМОЦ ослабел с середины XX века на 15 процентов.

Линейный тренд температуры поверхности Земли (ºC/столетие) по данным NASA-GISS за 1901–2013 гг. (белым показаны регионы с недостаточным количеством данных)

Stefan Rahmstorf et al. / Nature Climate Change, 2015

Правда, подтвердить прямыми наблюдениями непосредственно за транспортом воды в океане это ослабление пока нельзя. Весной 2004 года на 26,5 градусе северной широты была развернута наблюдательная сеть RAPID с целью наблюдения за АМОЦ, которая включила в себя целый комплекс наблюдений: подводный кабель во Флоридском проливе (для измерения потока Гольфстрима), массив заякоренных буев в открытом океане и датчиков давления на дне океана (для измерения потока в океанической толще), и данные спутниковых измерений ветра на поверхности океана (для определения так называемого экмановского переноса воды, возникающего вследствие действия ветра и силы Кориолиса в приповерхностном слое океана).

Схема наблюдений RAPID за АМОЦ

M. A. Srokosz et al. / Science, 2015

Прямые измерения позволили выявить сильнейшую изменчивость АМОЦ (от 4 до 35 свердрупов за десять дней, и это в среднем), из-за которой нельзя явно «нащупать» в данных тенденцию к ослаблению циркуляции от года к году. Серьезное ослабление АМОЦ регистрировалось в 2009–2010 годах, но с тех пор циркуляция восстановилась.

Самые свежие работы, основанные на различных океанографических наблюдениях (в том числе и на данных RAPID) показывают (1, 2, 3), что АМОЦ достаточно устойчива и не ослабляется. О стабильности говорят и прямые наблюдения акустических допплеровских профилемеров за транспортом Гольфстрима и многочисленные океанографические данные о положении Гольфстрима (1, 2).

Но вот данные спутниковой альтиметрии и береговых станций, наблюдающих за уровнем моря, указывают (1, 2) на небольшое ослабление и смещение Гольфстрима к югу. Ослабление Гольфстрима при этом сопровождается более высоким подъемом уровня моря у северо-восточного побережья США — потому что чем сильнее Гольфстрим, тем сильнее на него действует сила Кориолиса, которая как бы отводит его от побережья.

Восстановленные (оранжевый цвет) и измеренные значения (синий и серый цвет) транспорта компонентами АМОЦ (через Флоридский пролив, в экмановском слое, в нижней и верхней частях океанической толщи) и всей АМОЦ

Emma L. Worthington et al. / Ocean Science, 2021

Таким образом, пока у ученых нет однозначного вывода о том, ослабляется АМОЦ (и Гольфстрим, как его часть) или нет. Чаще делается вывод о наличии долгопериодных колебаний АМОЦ, которые по-видимому тесно связаны с 60-летней цикличностью температуры воды в Северной Атлантике (хотя выдвигаются гипотезы о том, что данная цикличность является либо случайным процессом, либо обусловлена влиянием вулканов), в новую — холодную — фазу которой мы сейчас вступаем.

Но почему ученые указывают на возможную остановку АМОЦ как на риск (хотя и маловероятный) с серьезными последствиями? Их настораживают примеры из прошлого.

Если АМОЦ замедлится

В фильме «Послезавтра» климатическая катастрофа занимает считанные дни: потепление приводит к быстрому таянию льдов, это останавливают циркуляцию в океане, что в свою очередь оборачивается резким похолоданием.

В фильме обыгрывается одна из теорий формирования так называемых колебаний Дансгора-Эшгера и отдельных холодных событий Хайнриха на фоне этих колебаний — достаточно резких изменений температуры во время последнего ледникового периода. Эти события и колебания хорошо просматриваются как в кернах Гренландии, так и в донных отложениях субтропической Атлантики. Причем изменения климата были действительно резкими: теплые фазы начинались со стремительного потепления — максимум приходился на район Гренландии, который за несколько десятилетий прогревался на 5–10 градусов — затем наступало температурное плато. Следом начиналось медленное похолодание. Изменения температуры прослеживались не только в Северной Атлантике, но и в других регионах, причем в Южной Атлантике изменения температуры происходили в противофазе!

Прокси-данные для температуры субтропической Атлантики (зеленая линия, донные отложения) и северной Атлантики (синяя линяя, данные ледниковых кернов Гренландии). Цифрами показаны теплые события Дансгора-Эшгера, красными квадратами — события Хайнриха

Stefan Rahmstorf / Nature, 2002

Увидев характер изменений температуры, а именно — нечто, похожее на колебания (около 1500 лет), ученые предположили наличие стохастического резонанса — усиления слабого периодического сигнала белым шумом. Важными условиями для этого является принципиальная нелинейность системы (а климатическая система является таковой) и наличие в ней нескольких стабильных состояний.

Идею о двух стабильных положениях термохалинной циркуляции высказывали ещё Стоммел и Брокер. Брокер же выдвинул и идею «соленостного осциллятора»: АМОЦ уравновешивает экспорт пресной воды из Атлантики на континенты, ее ослабление приводит к ослаблению этого экспорта и увеличению солености, а увеличение солености усиливает циркуляцию и так далее по кругу. Эти колебания АМОЦ влияют на ледовые щиты и морские льды в Арктике. Их таяние определяет сдвиг конвекции из высоких широт Атлантики (теплая фаза колебаний Дансгора-Эшгера) в низкие широты (холодная фаза) — формируются так называемые «теплый» и «холодный» режимы АМОЦ.

В отдельные моменты в холодную фазу реализовывались экстремальные события Хайнриха — на морском дне этим событиям соответствуют осадочные породы крупного размера, которые могли быть принесены только айсбергами. Это позволило ученым предположить, что покровные ледники (скорее всего Лаврентийский) дорастали до критического размера и затем сбрасывали часть льда в Северную Атлантику, что на определенное время вообще «выключало» АМОЦ. Север Атлантики становился аномально холодным, а в Антарктиде, напротив, было аномально тепло.

Схема трех режимов АМОЦ (сверху вниз): теплого, холодного и выключенного. Красной стрелкой показано опрокидывание теплой воды в Северной Атлантике, синей — глубинные антарктические воды. Также схематически изображен подъем дна океана между Гренландией и Шотландией

Stefan Rahmstorf / Nature, 2002

Правда, наиболее свежие исследования (с использованием более детальных палеоданных и более совершенных климатических моделей) переворачивают картину с ног на голову. Это АМОЦ сначала усиливалась или ослаблялась, что тянуло за собой изменения в площади и массе ледников. Большой корпус работ показывает, что АМОЦ в зависимости от концентрации парниковых газов и наличия/отсутствия покровных ледников может находиться только в одном из своих состояний. Так, при высокой концентрации СО2 (как сейчас) и отсутствии Лаврентийского щита возможен только теплый режим АМОЦ. Напротив, при низкой концентрации СО2 в атмосфере (ниже 185 ppm — частей на миллион) и наличии Лаврентийского щита возможен только холодный или выключенный режим АМОЦ. Причины перехода между холодным и выключенным режимами пока выясняются — видимо, замедление АМОЦ впоследствии усиливалось потоком пресной воды от Скандинавского ледяного щита, — но уже понятно, что большой сброс айсбергов с Лаврентийского щита происходил после резкой остановки АМОЦ и был не причиной, а следствием ее остановки. Впрочем, сказать, так ли было во всех событиях Хайнриха в истории Земли, пока трудно.

Самое интересное происходит в условиях, когда ледниковые щиты и концентрация СО2 находятся на средних уровнях — именно в такие моменты возможны переходы от теплой к холодной фазам и обратно. Модельные расчеты показывают, что причинами этих переходов могут являться как изменения массы ледников, так и изменения концентрации СО2. В частности, изменение концентрации парниковых газов вело к перестройке атмосферной циркуляции в тропиках и усилению переноса влаги через Центральную Америку в Тихий океан, что увеличивало соленость вод в Атлантике и усиливало АМОЦ. А колебания парниковых газов в атмосфере во время ледниковых эпох сама же АМОЦ и модулировала, запуская таким образом свои переходы от холодной к теплой фазам.

Впрочем, все это относится к условиям ледниковых эпох, где уровень океана низок, континенты покрыты ледниками, а концентрация CO2 в атмосфере невысока. В современном климате остановка АМОЦ крайне маловероятна, хотя ослабление вполне возможно. Чем это может нам аукнуться на фоне глобального потепления?

Глобальное потепление vs. ослабление АМОЦ

Современные климатические модели неплохо воспроизводят глобальный океанический конвейер и уверенно предсказывают ослабление АМОЦ в XXI веке: при сохранении сильного антропогенного влияния на климат оно может достигнуть 50 процентов, при мягком сценарии — вряд ли превысит 25 процентов, но все равно никуда не денется. Модели предсказывают, что холодная аномалия в Северной Атлантике (тот самый warming hole) сохранится в ближайшие десятилетия — из-за ослабления конвекции в субполярном круговороте (9 моделей из 40 предсказывают достаточно резкое похолодание, остальные 31 более плавное). Повлияет ли это на климат Европы? Для ответа на этот вопрос надо вычленить эффект ослабления АМОЦ на температуру воздуха.

В 1988 году Манабе и Стоуфер показали, что в климатической модели океан-атмосфера могут формироваться два устойчивых состояния — с термохалинной циркуляцией в Атлантике и без неё (в продолжении гипотезы Стоммела-Брокера). Без циркуляции на севере Атлантики становится холоднее на 7-9 градусов. Это похолодание затрагивает и Европу. Поздние эксперименты (1, 2, 3) проверили степень похолодания для сценария заметно ослабленной (но не остановленной) АМОЦ. Оно составило 5–8 градусов Цельсия.

Разница среднегодовой приповерхностной температуры воздуха в экспериментах с выключенной (сверху) или ослабленной (снизу) АМОЦ и контрольным экспериментом

S. Manabe et al. / Journal of Climate, 1988
L. C. Jackson et al. / Climate Dynamics, 2015

Эти сценарии выглядят внушительно, но есть одно важное «но»: АМОЦ в этих экспериментах ослабляли, добавляя в модель поток пресной воды. А результаты экспериментов сравнивались с контрольными экспериментами, в которых парниковый эффект соответствовал доиндустриальному уровню. Но ведь сейчас концентрация СО2 в атмосфере растет! Так что надо провести обратный эксперимент, что недавно и сделали ученые из США и Франции.

Они взяли проекцию климата на XXI век с учетом антропогенного влияния, взяв самый агрессивный сценарий — Атлантика опреснялась, АМОЦ ослабевала на 30 процентов. И сравнили этот сценарий с ситуацией, в которой при потеплении АМОЦ не ослабевает (для этого из модели убрали пресную воду из Северной Атлантики).

Что в результате? Ослабевание АМОЦ приводит к тому, что в Европе потепление из-за глобального изменения климата будет ощущаться не так сильно. Основной эффект «непотепления» будет проявляться к югу от Гренландии — в районе той самой warming hole.

Изменение среднегодовой приповерхностной температуры воздуха в XXI веке (в 2061–2080 гг. по сравнению с 1961–1980 гг.) с ожидаемым ослаблением АМОЦ (сверху слева) и с выключенным распреснением и сильным АМОЦ (справа сверху). Снизу показана разница между экспериментами

Wei Liu et al. / Science Advances, 2020

Но ослабление АМОЦ, само по себе вызванное потеплением, не перевернет это потепление вспять. На похолодание в Европе рассчитывать не стоит, в XXI веке точно. Не замерзнет и Мурманск. Более того, ряд новых данных говорит о том, что приток тепла в Арктику может только усиливаться.

Недавно было обнаружено статистически значимое увеличение кинетической энергии океана с начала 1990 годов, приводящее к ускорению океанической циркуляции, причем и на больших глубинах. Основная причина — усиление ветра в приземном слое (и в меньшей степени изменение его направления), особенно в тропиках Южного полушария Тихого океана. Как повлияет это усиление на глобальный океанический конвейер и АМОЦ — пока непонятно.

Изменение работы ветра на поверхности океана (красная линия) и глобальной кинетической энергии океана (синяя линия)

Shijian Hu et al. / Science Advances, 2020

Может помочь и атмосфера: ученые рассмотрели большой ансамбль современных моделей (от максимума оледенения до учетверения СО2) и показали, что общий меридиональный поток тепла от экватора к полюсам меняется слабо (разве что в максимуме оледенения он был на 4 процента больше), однако то, каким путем он идет — в атмосфере или в океане — существенно зависит от внешних условий. При учетверении СО2 ослабление АМОЦ будет с лихвой компенсировано потоком тепла в атмосфере.

Работает так называемая компенсация Бьеркнеса: в приближении слабых изменений радиационного баланса на верхней границе атмосферы климатическая система продолжит тем или иным путем доставлять тепло из перегретых тропиков к холодным полюсам, а значит, если ослабеет один поток (в океане или в атмосфере), то усилится другой. Компенсация атмосферой ослабления потока в океане за счет АМОЦ была показана в ряде модельных работ (1, 2).

Впрочем, при усилении парникового эффекта поток именно в Северный Ледовитый океан только усиливается. Так, модельные эксперименты с различным содержанием парниковых газов (от одной четвертой до учетверенной концентрации СО2) показывают, что перенос тепла океаном в Арктику увеличивается при росте концентрации CO2, в основном — через северо-восточные моря Атлантики. Ученые показали, что океанический перенос тепла усиливается в результате ветрового воздействия и переноса тепла поверхностными течениями и обычной теплопередачей, а вот АМОЦ отходит на второй план. Пожалуй, это можно сравнить с гидромассажной ванной: в одном случае ванна наполнена холодной водой и с боков бьют струи очень теплой воды, в другом — струи уже не такие теплые, но зато и вся остальная вода в ванной уже не такая холодная.

А теплее вода в этой ванной, то есть в мировом океане, становится из-за антропогенной деятельности. Человечество, увеличивая концентрацию парниковых газов в атмосфере, живет сейчас в эпоху разбаланса радиационных потоков на верхней границе атмосферы: приходит к нашей планете по-прежнему около 340 Ватт на квадратный метр, но вот уходит в космос уже около 339. В итоге в земной климатической системе копится избыточное тепло. Причем, около 90 процентов избыточного тепла уходит в океан: каждый год сюда добавляется около 9 зеттаджоулей (1021 джоулей) — это примерно в 15 раз больше, чем вся энергия, которую производит человечество за год. Результаты наблюдений и реанализов показывают, что океан становится все теплее.

Тренды температуры воды в верхнем 2-километровом слое океанов в 1960–2019 гг.

Lijing Cheng et al. / Advances in Atmospheric Sciences, 2020

Потепление и осолонение в верхнем километровом слое происходит в Северной Атлантике как минимум с середины XX века (а вот на глубине вода становится более холодной и пресной, из-за усиления таяния льда Гренландии и морских льдов в Арктике). Палеоданные показывают, что температура поверхности океана в Северной Атлантике сейчас самая высокая за последние 3000 лет. Исключением является тот самый warming hole. Но и с ним все в итоге не так просто.

Реконструкция температуры поверхности Северной Атлантики с годовым разрешением (черное), красным показано 30-летнее среднее, серым — диапазон неопределенности. Указаны также исторические периоды региональных и глобальных похолоданий и потеплений

Francois Lapointe et al. / PNAS, 2020

Например, в 2015 году похолодание в Северной Атлантике было вызвано в первую очередь атмосферными процессами, которые привели к аномальным потерям тепла океаном. Свежее исследование европейских климатологов показало, что в формировании подобных холодных аномалий участвует сразу несколько игроков: это и охлаждающий эффект облаков, и ослабление притока тепла из низких широт (как раз то самое ослабление АМОЦ), и, что самое важное, усиливающийся отток тепла из субполярного круговорота в полярные широты, в сторону Норвежского моря. Это усиление потока ученые достаточно уверенно атрибутировали к антропогенному усилению парникового эффекта.

Кроме того, в 2018 году две независимые группы ученых показали (1, 2), что существенным образом отличается климатический отклик на ослабление АМОЦ, которое вызвано внутренней изменчивостью и внешним воздействием (усилением парникового эффекта). В экспериментах без внешнего воздействия усиление АМОЦ хорошо коррелирует с притоком тепла в Арктику (за счет конвергенции тепла, то есть за счет узких теплых струй) и росту температуры в Северной Европе. А в экспериментах с антропогенным воздействием наблюдается одновременное ослабление АМОЦ и рост притока тепла в Арктику — за счет адвекции прогретых поверхностных вод, то есть за счет прогрева всей «ванной».

Приток теплой воды в Арктику только растет — ученые говорят об усилении притока воды в Баренцево море на один свердруп. Поступающая вода примерно на градус теплее, чем раньше. Происходит самая настоящая «атлантификация» Арктики.

Температура воды на Кольском меридиане (среднее для профиля 0-200 метров по меридиональному разрезу через Баренцево море)

Источник: folk.uib.no/ngfhd

Итак, замерзнет ли Европа? Моделирование показывает, что сильные холодные аномалии в районе warming hole приводят к своеобразной фиксации положения струйных течений и блокирующих антициклонов. Таким образом над Европой наоборот, возникают аномально сильные волны жары. Именно о жарком лете, как о следствии замедления АМОЦ, говорит в своем интервью газете Zeit Штефан Рамсторф, чье свежее исследование всколыхнуло в феврале общественность. А для того, чтобы европейский климат подморозило, должна остановиться вся термохалинная циркуляция. Исходя из всех современных представлений, в том числе о целой плеяде обратных связей, поддерживающих АМОЦ, это крайне маловероятное событие.

Не спешит останавливаться и Гольфстрим. Еще несколько веков назад он помогал белым морякам вывозить из Америки золото, но вот с теплом все не так просто, как думал Мэтью Мори. Гольфстрим — лишь верхушка айсберга: климат Европы не находится в простой зависимости от тепла Мексиканского залива, да и морских течений в целом. Теплые зимы Старого света — один из результатов работы всей климатической системы нашей планеты. Так что рассчитывать на помощь Гольфстрима второй раз не стоит: с последствиями глобального потепления нам придется справляться самим.

Ссылка: https://nplus1.ru/material/2021/03/26/gulfstream-and-freezing-europe