Недавние исследования позволяют по-новому взглянуть на водообмен между Северной Атлантикой и северными морями, играющий решающую роль в регулирующей климат атлантической термохалинной циркуляции.

В отдалённых районах северной Атлантики крупное океаническое течение приносит тёплые поверхностные воды из тропиков в Арктику и возвращает холодные глубинные воды к экватору. Этот поток тёплой воды, известный как атлантическая термохалинная меридиональная циркуляция (АТМЦ), играет фундаментальную роль в поддержании мягкого климата Центральной Европы и Скандинавии в том виде, в каком мы его знаем сегодня.

Также известно, что изменение его мощности, похоже, способствовало хорошо известным климатическим явлениям в последние тысячелетия, и что он продолжает влиять на глобальный климат сегодня. Например, ослабление АТМЦ могло сыграть роль в том, что в Европе и Северной Америке почти 600 лет имели место холодные зимы. Этот период, названный Малым ледниковым периодом, длился примерно с 1300 по 1870 гг. и наступил вслед за Средневековым тёплым периодом (около 950–1250 гг.), когда температуры в Северном полушарии были необычно высокими.

Почти половина направленного к полюсу потока тёплых солёных вод АТМЦ попадает в северные моря, включая Гренландское, Исландское и Норвежское. Здесь вода охлаждается, собирается к северу от подводного Гренландско-Шотландского хребта, простирающегося от юго-восточной Гренландии через Исландию и Фарерские острова до северной Шотландии, а затем снова стекает в глубины Северной Атлантики (рис. 1). Остается множество важных вопросов о динамике океана вблизи Гренландско-Шотландского хребта и о влиянии этой динамики на регулирование климата. Чем больше мы знаем об изменчивости и движущих механизмах водообмена через Гренландско-Шотландский хребет, тем лучше мы можем объяснить и предсказать будущие изменения в этой системе.

 

Рис. 1. На этом упрощённом рисунке (вверху) показаны поверхностные потоки (красные стрелки) и глубинные возвратные потоки (синие стрелки), составляющие крупномасштабную циркуляцию океана в Северной Атлантике. Цветные полосы на поверхности океана демонстрируют средние температуры поверхности моря с 1900 по 2019 гг. (данные центра Хэдли) и подчёркивают протяжённость тёплых вод на север до более высоких широт. Также показано распределение температуры океана по долготе и глубине (внизу; данные Атласа Мирового океана 2018 г.) по Гренландско-Шотландскому хребту (белая линия разреза на верхней панели). Обмен воды через Гренландско-Шотландский хребет обусловлен быстрой потерей тепла в атмосфере над северными морями. Эта потеря тепла вынуждает воду опускаться и создавать огромный резервуар с холодной плотной водой, которая разливается обратно в глубины Северной Атлантики через Гренландско-Шотландский хребет, завершая процесс «опрокидывания».

Ниже обсуждаются два недавних исследования, проведённых для ответа на эти важные вопросы, а также выделены сюрпризы, встреченные на этом пути, которые указывают на важность продолжения исследований и улучшения мониторинга океана.

Реконструкция истории АТМЦ

Учёные пришли к выводу, что у АТМЦ есть два пути «опрокидывания» циркуляции. Одним из них является конвекция в открытом океане в морях Ирмингера и Лабрадор (рис. 1), образующая верхний слой глубоких вод Северной Атлантики. Второй предполагает постепенное охлаждение тёплой солёной воды Атлантического океана в северных морях. Это похолодание приводит к тому, что плотная вода перетекает через Гренландско-Шотландский хребет обратно в Северную Атлантику - в основном через два прохода, Датский пролив между Гренландией и Исландией и канал Faroe Bank к югу от Фарерских островов - и формирует нижний слой глубинных вод Северной Атлантики. Оба пути играют важную роль в изменчивости климата в широком диапазоне временных масштабов, хотя взаимосвязь между ними не совсем понятна.

Оба региона зависят от потерь тепла для образования воды большей плотности, но похоже, что огромные потери тепла из северных морей и сопутствующее образование и накопление очень плотной воды за Гренландско-Шотландским хребтом имеют основополагающее значение для поддержания мягкого климата в северной Европе. Эти потери тепла создают запас глубинных вод Северной Атлантики, разливающихся обратно в глобальную бездну, и позволяет тёплой солёной воде питать северные моря [Chafik and Rossby, 2019]. Изучение сложных процессов и путей, с помощью которых тёплая солёная вода Северной Атлантики постепенно превращается в эту холодную, плотную воду, мотивирует дальнейшие исследования.

Воздействие АТМЦ на Гренландско-Шотландский хребет с середины 1990-х гг. было в центре внимания многих институциональных и международных исследовательских инициатив, которые, среди прочего, помогли выявить стабильность обменов водных масс (тёплые притоки и холодные глубинные потоки или переполнение) через Гренландско-Шотландский хребет [Østerhus et al., 2019]. Но как изменялся этот приток к северным морям до 1990-х годов? И насколько хорошо известны глубинные пути, по которым проходит самая плотная вода перед выходом из канала Faroe Bank в Северный Атлантический океан?

Чтобы исследовать тёплый поток в верхнем течении океана на Гренландско-Шотландский хребет, авторы использовали исторические гидрографические данные, относящиеся к началу 1900-х годов, с целью понять, как изменялся приток северных морей с начала современной океанографии [Rossby et al., 2020]. Для этого был построен временной ряд динамической разницы высот (которая, по сути, представляет собой градиент давления в верхних слоях океана, определяющий поток воды) между областями к северу и югу от Гренландско-Шотландского хребта, чтобы измерить перенос почти всей воды, попадающей в северные моря.

Этот временной ряд переноса свидетельствует о сильной изменчивости притока северных морей в мультидекадных временных масштабах. Было обнаружено, что объём воды и тепло, переносимые этим направленным к полюсу потоком, измеренные на Гренландско-Шотландском хребте, сильно связаны с мультидекадной изменчивостью Атлантического океана, описывающей естественные закономерности изменчивости температуры поверхности моря в Северной Атлантике, влияющие на климат в глобальном масштабе [Zhang et al., 2019].

Атлантическая мультидекадная изменчивость влияет на приток в северные моря, потому что глубокая конвекция в северо-восточной части Атлантического океана способствует тому, что колебания температуры поверхности сказываются ниже на верхних слоях океана, и эти колебания формируют динамическое поле высоты океана. Связь между притоком атлантических вод в северные моря и Атлантической мультидекадной изменчивостью была настолько тесной, что не удалось найти никаких доказательств долгосрочного или длительного ослабления или усиления этого направленного к полюсу потока (например, связанного с антропогенным потеплением). Короче говоря, приток тёплой воды в северные моря был довольно стабильным в течение последнего столетия с момента зарождения современной океанографии.

Этот вывод согласуется с предыдущим исследованием, в котором сообщалось о стабильности притока за последние два десятилетия [Østerhus et al., 2019], и подтверждает вывод о том, что термохалинная циркуляция в северных морях оставалась стабильной на протяжении последних 100 лет. Эта стабильность удивительна, учитывая необычайное потепление, происходящее в настоящее время в северных морях и Северном Ледовитом океане. Понимание причин этого важно и указывает на необходимость улучшения и даже расширения мониторинга океана, поскольку постоянная стабильность этой жизненно важной системы циркуляции не гарантируется в будущем. Также неясно, как могут проявиться будущие изменения или на какие индикаторы раннего предупреждения следует полагаться для прогнозирования изменений [Østerhus et al., 2019].

Открытие нового маршрута потока

Другой пример того, как авторам пришлось пересмотреть представления о путях глубинных течений в северных морях, - недавнее открытие неизвестного маршрута, по которому холодная вода течёт через Норвежское море. Было определено, что этот новый маршрут направляет холодные глубинные потоки к северу от Фарерских островов к норвежскому склону, а затем поворачивает их на юг через Фарерско-Шетландский канал в глубокие районы Северной Атлантики (Рис. 1) [Chafik et al., 2020]. Ранее было известно только прямое сообщение воды с севера от Гренландско-Шотландского хребта до Фарерско-Шетландского канала [Søiland et al., 2008].

Авторы обнаружили, что маршрут воды к северу от Гренландско-Шотландского хребта и количество перекачиваемых вод в каждую сторону зависят от преобладающих ветров [Chafik et al., 2020]. В условиях слабого западного ветра в северных морях самая плотная вода, питающая канал Faroe Bank, поступает в основном с севера Исландии. Однако в условиях сильного западного ветра кажется, что больше воды поступает с хребта Ян-Майен, расположенного дальше к северу от Исландии и больше в середине северных морей. Эта зависимость от ветра любопытна, учитывая сильный контроль, который батиметрия может оказывать на циркуляцию, и требует дальнейшего изучения - она ​​намекает на изменчивость глубин океана, которую ранее не оценивали и не осознавали. В том же исследовании сообщается о ранее не обнаруженном глубинном быстром потоке или глубинной струе, называемой струей Фарерско-Шетландского канала. Примечательно, что эта струя течёт на юг по восточному склону канала, а не по западной стороне, как это ранее предполагалось. Установлено, что глубоководная струя является основной современной веткой с точки зрения транспорта, доставляющего самую плотную воду в Северный Атлантический океан через канал Faroe Bank. Это удивительное открытие, которое противоречило прошлым наблюдениям и представлениям, потребовало тщательной перепроверки данных и анализа, но в конечном итоге было решено, что эта глубинная струя есть реальность. Таким образом, эта точка зрения изменяет предыдущее понимание глубинной циркуляции в регионе и предполагает, что у нас ещё нет чёткого представления о глубинной циркуляции северных морей и о том, как она изменяется во времени.

Мониторинг изменений

За последние несколько лет было проведено несколько семинаров для обзора и выявления пробелов в наших знаниях об обмене между Атлантикой и северным морями и для улучшения понимания циркуляции океана в этом регионе.
Все имеющиеся на сегодняшний день данные наблюдений указывают на то, что на сегодняшний день нет долгосрочной тенденции в термохалинной меридиональной циркуляции северных морей [Østerhus et al., 2019; Rossby et al., 2020]. Тем не менее, участники встречи согласились с тем, что, учитывая существенное потепление и опреснение океана (за счёт стока воды из Гренландии и осадков), происходящее в более высоких широтах, важно продолжать мониторинг «опрокидывания», чтобы оценить его роль в текущих и будущих изменениях климата.

Для этого мониторинга будут полезны несколько методов. Спутниковую альтиметрию можно использовать для изучения потоков на поверхности и в верхних слоях океана. Установленные на судах акустические доплеровские профилометры течений могут также исследовать эти потоки в верхних слоях океана. Между тем, пришвартованные датчики отслеживают изменчивость глубинных течений. Кроме того, лагранжевы методы, в частности, с использованием акустически отслеживаемых подповерхностных поплавков, дрейфующих вместе с океанскими течениями, оказались очень эффективными для выяснения временных масштабов и путей [см., например, Søiland et al., 2008], по которым подземные воды текут и постепенно рассеиваются или смешиваются с окружающими водами.

В частности, поплавки могут помочь в решении одной области, представляющей значительный интерес, а именно, в какой степени пресная вода из Арктики и Гренландского моря может смешиваться с тёплой солёной водой из Атлантики и разбавлять её. Такое разбавление могло бы подавить глубокую конвекцию, обусловленную температурой и плотностью, тем самым ослабив или остановив «опрокидывание» северных морей и, соответственно, самого глубокого компонента АТМЦ.
Однако большинство учёных больше не считают, что такой сценарий вероятен, потому что на сегодняшний день наблюдения показывают, что воды Арктики и Гренландии, как правило, остаются в ловушке вокруг и к югу от Гренландии, а не смешивают и разбавляют атлантические воды, текущие на север в северные моря [IPCC, 2019]. Тем не менее, существует консенсус в том, что климатические последствия потенциального прекращения этой жизненно важной океанской циркуляции настолько огромны, что необходимо улучшить понимание северных морей, а не предполагать, что имеющиеся знания о внутреннем устройстве океана в этом регионе уже достаточны. Эти опасения помогают объяснить быстро растущий интерес к динамике отдалённых северных районов Атлантического океана.

Цитируемая литература

Chafik, L., and T. Rossby (2019), Volume, heat, and freshwater divergences in the subpolar North Atlantic suggest the Nordic Seas as key to the state of the meridional overturning circulation, Geophys. Res. Lett., 46, 4,799–4,808, https://doi.org/10.1029/2019GL082110.

Chafik, L., et al. (2020), Discovery of an unrecognized pathway carrying overflow waters toward the Faroe Bank Channel, Nat. Commun., 11, 3721, https://doi.org/10.1038/s41467-020-17426-8.

Intergovernmental Panel on Climate Change (2019), Summary for policy makers, in IPCC Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate, edited by H.-O. Pörtner et al., Geneva, Switzerland, www.ipcc.ch/srocc/chapter/summary-for-policymakers/.

Østerhus, S., et al. (2019), Arctic Mediterranean exchanges: A consistent volume budget and trends in transports from two decades of observations, Ocean Sci., 15(2), 379–399, https://doi.org/10.5194/os-15-379-2019.

Rossby, T., L. Chafik, and L. Houpert (2020), What can hydrography tell us about the strength of the Nordic Seas MOC over the last 70 to 100 years?, Geophys. Res. Lett., 47, e2020GL087456, https://doi.org/10.1029/2020GL087456.

Søiland, H., M. Prater, and T. Rossby (2008), Rigid topographic control of currents in the Nordic Seas, Geophys. Res. Lett., 35, L18607, https://doi.org/10.1029/2008GL034846.

Zhang, R., et al. (2019), A review of the role of the Atlantic Meridional Overturning Circulation in Atlantic Multidecadal Variability and associated climate impacts, Rev. Geophys., 57, 316–375, https://doi.org/10.1029/2019RG000644.

Ссылка: https://eos.org/science-updates/rethinking-oceanic-overturning-in-the-nordic-seas