Изменение температуры мирового океана с глубиной

Изменение температуры мирового океана с глубиной

Температура морских глубин

Попытки измерения температур глубокого моря уходят в сравнительно далекое прошлое. В середине восемнадцатого столетия употреблялся особый прибор, изобретенный одним ботаником. Проба воды, взятая в специальный сосуд, не смешивалась в нем с водой из вышележащих слоев. Позднее в море стали опускать так называемые максимально-минимальные термометры. Они показывали наивысшую и самую низкую температуры, которые действовали на термометр в течение определенного времени. Первый, кто ими пользовался, был русский адмирал Крузенштерн, руководитель кругосветного плавания, исследовавший на кораблях «Надежда» и «Нева» западное побережье Хоккайдо, восточное побережье Камчатки и Сахалина, Курильские и Алеутские острова. Его именем назван один из проливов Тихого океана.

Максимально-минимальные термометры не были защищены от давления в очень глубоких слоях воды; показания их не были надежными. Действительное улучшение внес опрокидывающийся термометр, появившийся в последней четверти прошлого столетия.

Самая высокая температура морской воды наблюдается обычно у поверхности. До глубины 200 метров температура понижается очень быстро; ниже, до 1000 метров, — медленнее и глубже 1000 метров понижение температуры происходит уже едва заметно. В слое воды, лежащем у дна моря и достигающем мощности в несколько сот метров, температура примерно одинакова.

Так, при измерениях в экваториальной части Атлантического океана у поверхности температура была 28 градусов. В 180 метрах от поверхности она упала до 21 градуса, на 360 метре — до 10, на 1080 — до 4,2, на глубине 1620 метров — до 2,5 и в 2700 метрах от поверхности моря — до 1,6 градуса. Биб во время своих глубоководных погружений вблизи Бермудских островов установил следующие температуры: 244 метра — градусов; 670 метров — 12; 765 метров — 11 и на глубине в 923 метра — 8 градусов. На дне впадины Романш — данные измерений «Метеора» в Атлантическом океане — температура была 1,9-2 градуса. На 4000 метров выше, вблизи поверхности Атлантического порога, температура несколько повысилась, достигнув 2,5-2,7 градуса. На больших глубинах температура падает иногда ниже нуля, то есть на дне океана можно встретить переохлажденную воду; но это не говорит о том, что здесь может образоваться лед. Соленая вода замерзает не при 0 градусов, а при более низкой температуре, в зависимости от насыщенности воды солями. Точку замерзания понижает к тому же огромное давление, царящее в глубинах моря.

Источник

Изменение температуры воды в океане в зависимости от глубины

Температура воды с увеличением глубины понижается. Но процесс этот в разных широтах происходит неодинаково, так как глубина проникновения солнечной радиации в разных зонах неодинакова.

На большей части акватории Мирового океана, между 50° с. ш. и 45° ю. ш. в вертикальном распределении температур много общего. В верхних слоях океана до глубины 500 м понижение температуры идет очень быстро, дальше до 1500 м — значительно медленнее, глубже — температура почти не изменяется. На глубинах 3-4 тыс. м в экваториальных и умеренных широтах вода имеет температуру 2-3 °С, в высоких — около 0 °С. Глубже 4 тыс. м температура воды немного повышается вследствие повышения давления (адиабатическое нагревание).

В приполярных районах температура воды понижается до глубины 50-100 м. Ниже она растет за счет приноса более теплых и соленых вод из умеренных и субтропических широт, достигая максимума в слое 200-500 м. Под этим слоем температура снова понижается, и на глубине 800 м она равна 0 °С. Средняя температура Мирового океана в целом 3,8 °С.

В высоких и средних широтах летом под нагретым поверхностным слоем располагается слой резкого скачка температуры — сезонный термоклин. Глубина залегания слоя скачка и величина градиента температуры в нем зависят от интенсивности прогрева поверхностного слоя и перемешивания. В умеренных широтах он обычно располагается на глубинах от 10-16 до 50 м и ниже при значениях вертикального градиента температуры от долей градуса до нескольких градусов на метр.

От экватора до 50-60° с. и ю. ш. слой скачка на глубинах от 300 до 1 тыс. м существует постоянно (главный термоклин). Так как слой температурного скачка — слой изменения плотности, в нем всегда скапливаются живые организмы. Резко выраженный слой скачка плотности препятствует опусканию взвешенных в воде предметов. Например, подводная лодка может лежать на слое скачка как на грунте, откуда и произошел термин «жидкий грунт».

Если рассматривать температурный режим не только открытых частей океанов, но и морей, то и здесь ярко проявляется зависимость температуры от широты, хотя влияние суши, водообмен с океаном и другие причины вносят коррективы в эту связь. Самая высокая температура отмечена на поверхности внутриматериковых тропических морей (в Красном море до 32 °С). Самая низкая температура в полярных морях не опускается ниже -2 °С.

Вертикальное распределение температуры воды в морях зависит, в первую очередь, от водообмена с соседними частями океана. В морях, отделенных от океана порогом, распределение температур зависит от глубины порога, солености моря, температуры на его поверхности. Так, в Средиземном море температура воды у дна (4400 м) составляет 13 °С. Окраинные моря, свободно сообщающиеся с океаном, по характеру распределения температур не отличаются от открытых частей океана.

Источник

Почему меняется температура воды в мировом океане

Площадь мирового океана занимает 70% Земли, 30% приходится на сушу. В связи с этим, потребляет больше солнечной энергии на прогрев. Однако лучи воздействуют только на водную поверхность. Уровень нагрева толщи жидкости зависит от смешивания слоев.

Причины изменения температуры воды в океане

Тепловой фон колеблется по ряду факторов:

• географическое расположение. На экваториальной широте наблюдается самая высокая температура. Верхние слои нагреваются до +28°. При движении к полярному кругу наблюдается снижение. На полюсах показатели варьируются в районе нуля. Кроме этого изменчива соленость поверхностных вод. Температура пресной жидкости на несколько градусов ниже;
• глубина. Чем дальше от поверхности, тем холоднее. Изначально показатели «скачут», поэтому температура воды в океане изменяется неравномерно. С набором глубины охлаждение проходит плавнее. Каждые 1000 м понижается на 2°;
• наличие подводных течений. Теплые и холодные источники влияют на скорость «смешивания» подводных слоев.

Глубинные воды имеют полярное происхождение, поэтому структура и состав однородны. На глубине свыше 4000 метров t колеблется в пределах 0°-+2°С.

Факторы, влияющие на неоднородность прогрева

Разбирая вопрос, почему в мировом океане меняется температура воды, необходимо учитывать шарообразную форму планеты. От положения солнца относительно экватора меняется угол наклона. Следовательно, чем дальше от широты, тем больше рассеиваются солнечные лучи. Это снижает эффективность прогрева. Таким образом:

• наиболее высокие значения встречаются в экваториальной зоне. По мере удаления от широты наблюдается понижение;
• наличие ледников. Дрейфующие льдины остужают поверхность вокруг себя. Полное промерзание глубинных вод исключено за счет мантии, которая подогревает нижние слои;
• климат. На территории рядом с пустынями отмечены максимальные значения.

Показатели умеренных широт изменяются от времени суток. Проводя анализ, как и почему меняется температура воды в океане, исследователи учитывают все факторы.

Мировой океан – своеобразный тепловой котел, поглощающий на 50% больше солнечного тепла, чем суша. Вода, нагретая в жаркий сезон, аккумулирует энергию. Высвобождает в атмосферу в период холодов. Такая циркуляция исключает промерзание земли. Учеными подсчитано – если океаническая жидкость не могла сохранять тепло, среднее значение держится на отметке — 21°.Это ниже текущей на 36°.

Источник

Распределение температуры по вертикали

ГЛАВА 8. ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ОКЕАНОВ И МОРЕЙ

§ 32. Распределение температуры по вертикали

Температура океанических вод, как правило, с глубиной понижается, но это понижение неодинаково в различных широтах. Существенные изменения температуры происходят только до глубины 1000 м (в разных районах от 200 до 2000 м). В этом слое вертикальные градиенты температуры воды, т. е. изменения: температуры на единицу длины (единицу расстояния между горизонтами), быстро растут, а ниже указанной границы резко снижаются и становятся ничтожно малыми (табл. 13).

Изменения температуры воды и градиентов температуры с глубиной между 50° с. ш. и 50° ю. ш.

Глубина, м	t ºС	dt°/100 м	Глубина, м	t °С	dt°/100 м
0 200 400 600 800	16,0 15,5 13,7 9,9 5,1	0,25 0,90 1,90 2,40 0,65	1000 2000 3000 4000 5000	3,8 3,1 2,8 2,6 2,5	0,07 0,03 0,02 0,01

Неравномерное распределение температуры, а также и солености в основном создается процессами перемешивания и морскими течениями. В поверхностных слоях, в пределах деятельного слоя моря, переслоенность водных масс связана главным образом с процессами вертикального обмена, а на глубине неоднородность океанологических характеристик связана с общей циркуляцией вод Мирового океана. Неоднородность вод океанов и морей, связанная с процессами вертикального и горизонтального обмена, определяет наличие промежуточных холодных или теплых слоев с пониженными или повышенными температурами. Эти слои могут быть конвективного (за счет перемешивания) и адвективного происхождения. Последние связаны с доставкой (advectos), т. е. горизонтальным вторжением, водных масс, переносимых из вне течениями. Примером может служить наличие теплых атлантических вод во всей центральной части Северного Ледовитого океана, которые прослеживаются на глубинах от 150-250 до 800-900 м. При переходе от поверхностных вод к промежуточным, глубинным и придонным (см. стр. 165) на границах. их соприкосновения возникают вертикальные градиенты, океанологических характеристик. Переходный слой, в котором велики градиенты температуры, солености, плотности и других свойств, называют слоем скачка. Эти слои могут быть временными, сезонными и постоянными в деятельном слое и на границе его с водами глубин. Глубоководные наблюдения в различных районах Мирового океана. (рис. 14) показывают, что в открытых районах кроме полярных областей, температура заметно изменяется от поверхности до глубины 300- 400 м, затем до 1500 м изменения весьма незначительны, а с 1500 м она почти не изменяется. На 400-450 м температура 10-12° С, на 1000 м 4-7° С, на 2000 м 2,5-4° С и с глубины 3000 м она около 1-2° С.

Распределение температуры по вертикали в полярных областях океана

В полярных областях распределение температуры по вертикали носит несколько иной характер (рис. 14, кривая для 61° с. ш.). Здесь на поверхности располагается холодный и относительно опресненный слой: в Антарктике вследствие пополнения пресной воды таянием материковых льдов, в Арктике в результате выноса речных вод. Температура этого слоя около 0°С, а в южных широтах даже до -1,8° С. До 200 м температура воды повышается: в южном полушарии до 0,5° С, в северном до 2° С. Глубже температура падает и на горизонте 800 м достигает 0°С. Температура воды океанов у дна в пределах 45° с. ш. — 45° ю. ш. держится между 0 и +2° С, в умеренных широтах снижается до 0º С, в полярных бассейнах становится отрицательной, достигая -1º С и даже -2° С. Нижние, глубинные слои Мирового океана получают некоторое, весьма небольшое количество тепла от внутренней теплоты Земли. Это тепло вызывает повышение температуры воды в застойных участках океанических впадин и желобов на десятые доли градуса.

В открытых частях океанов, особенно на широтах 40—50°, местами 60°, в толще воды выделяются два слоя: теплый поверхностный и мощный холодный, простирающийся до дна. Между ними лежит переходный слой, называемый главным термоклином. Это постоянный слой скачка, расположенный между глубинами 300-500 и 700-1500 м, характеризующийся понижением температуры от 12-17 до 4-5° С. В высоких широтах, где температура вод однородна от поверхности до дна, термоклин расположен на поверхности.

Распределение температуры воды в окраинных, средиземных и межостровных морях

Распределение температуры воды в окраинных, средиземных и межостровных морях зависит от местных физико-географических условий. Большое значение имеет водообмен с соседним морем или океаном, приток пресных вод, интенсивность вертикальной циркуляции и ледовый режим моря (см. стр. 83). Большое влияние на стратификацию (переслоенность) вод в морях оказывают также приливные процессы. В мелководных проливах и заливах в результате перемешивания воды приливными течениями температура, соленость, содержание газов на поверхности и у дна почти не меняются. Так, например, в Горле Белого моря температура воды на поверхности и у дна 6-7° С, зимой — от -1 до -1,8° С.

В целом Мировой океан, имеющий среднюю температуру 3,8° С, представляет собой холодную сферу. Однако, поглощая огромное количество тепла в низких широтах, он постепенно отдает его атмосфере в средних и высоких широтах в холодное время. Межширотный теплообмен и обмен теплом между океаном и материкам и определяют особенности климата и погодных условий на Земле. В тепловом балансе Земли Мировой океан имеет большое регулирующее значение.

Источник: Общая гидрология, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1973

Источник

Климатические ритмы теплового режима Мирового океана

Владимир Бышев, Виктор Нейман, Юрий Романов
«Природа» №8, 2016

Об авторах

Владимир Ильич Бышев — доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией крупномасштабной изменчивости гидрофизических полей Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН. Круг научных интересов охватывает современный климат океана и атмосферы, естественную изменчивость природной среды.

Виктор Григорьевич Нейман — доктор географических наук, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник того же института. Область научных интересов — крупномасштабные океанские течения, роль Мирового океана в изменчивости глобального климата.

Юрий Александрович Романов — доктор географических наук, ведущий научный сотрудник того же института. Специалист по современному климату атмосферы и океана, термодинамическим процессам в глобальной климатической системе.

В результате сложного взаимодействия различных компонентов климатической системы Земли, на которую влияют внешние естественные и антропогенные факторы, создается впечатление, что в окружающей среде все чаще возникает каскад природных катастроф (ураганов, наводнений, засух, смерчей, таяния льдов в Арктике и др.). Причина их зарождения во многих случаях напрямую связывается с наблюдающимся в последние десятилетия глобальным потеплением климата. Но так это или нет на самом деле, науке, как говорится, пока не ясно, хотя ей, так же как и всем непосвященным, хотелось бы знать, что происходит на Земле с погодой и чего нам ждать от окружающей среды в ближайшем будущем. Однако прежде чем пытаться искать ответ на этот непростой вопрос, надо, по-видимому, дать хотя бы краткое описание того, что происходит в настоящее время в климатической системе нашей планеты.

Кое-что о климатической системе Земли

Повышение глобальной средней температуры приповерхностного воздуха на континентах, казалось бы, должно приводить к соответствующему росту температуры поверхностного слоя океана за счет диффузионного, радиационного, а также контактного турбулентного теплообмена между водной и воздушной средами. Но при одном непременном условии — вода будет нагреваться лишь тогда, когда она изначально холоднее контактирующего с ней воздуха. Иная ситуация невозможна, ибо она противоречила бы второму началу термодинамики. В современной литературе описаны признаки роста средней температуры в верхнем слое воды Мирового океана в течение последних нескольких десятков лет [1].

С более теплой океанической поверхности растет испарение, т. е. в атмосфере увеличивается количество водяного пара — одного из основных парниковых газов. Отсюда вывод: повышение температуры верхнего слоя океана чревато усилением парникового эффекта за счет увеличения количества влаги в атмосфере с соответствующим ростом средней глобальной температуры приповерхностного воздуха. Однако увеличение количества водяного пара в атмосфере и сопутствующий рост облачности уменьшает приток тепла солнечной радиации к поверхности Земли, что сопровождается понижением температуры приповерхностного воздуха.

Предположим, что в процессе наблюдаемой короткопериодной климатической изменчивости первоначальный рост глобальной температуры приповерхностного воздуха возникает за счет повышенной теплоотдачи океана в атмосферу. Тогда начинает работать следующая цепочка событий: рост теплоотдачи океана, увеличение влажности атмосферы и облачности с последующим понижением температуры воздуха и теплоотдачи со всеми вытекающими отсюда последствиями. Можно предположить, что термодинамический баланс этих взаимосвязанных и разнонаправленных процессов должен приближаться к нулю, тем самым будет поддерживаться стабильный уровень средней глобальной температуры приземной атмосферы. Таким образом, наблюдаемый ее рост может вызываться либо несбалансированностью этих процессов вследствие проявления особенностей внутренней динамики климатической системы, либо каким-то внешним возмущающим ее фактором негеофизического происхождения (например, антропогенным эффектом или астрономическими причинами).

О том, что в природе все устроено не так просто, также свидетельствуют следы многообразной изменчивости климата на нашей планете, зафиксированные в строении слоев донных осадков морей и океанов, в структуре годовых колец многовековых деревьев и в распределении ископаемых остатков древней растительности по поверхности Земли. Все эти и многие им подобные факты, хотя и косвенно, но неопровержимо говорят о том, что задолго до начала активного загрязнения человеком окружающей среды последняя подвергалась воздействию естественных климатических катаклизмов, которые проявлялись, в частности, в виде значительных колебаний средней температуры приземного воздуха.

Насколько позволяют судить имеющиеся в распоряжении ученых соответствующие палеоданные, временные масштабы таких колебаний (порой с очень большими амплитудами) составляли от столетий до многих десятков тысяч лет. На всем протяжении длительной эволюции внутренней структуры и внешнего облика Земли мощные оледенения поверхности чередовались с повышениями температуры атмосферы и отступлениями ледников, ростом и понижением уровня Мирового океана на многие десятки метров.

В очередной раз анализируя глобальные ряды стандартных метеорологических наблюдений, накопленных в мире в течение последнего столетия, чтобы выявить источник сигнала изменчивости динамики современной климатической системы, мы решили изменить пространственный масштаб обычного осреднения исходных данных. В итоге, наряду со средними глобальными значениями приповерхностной температуры воздуха, были получены средние величины амплитуды ее внутривековых колебаний отдельно для конкретных океанических и континентальных территорий. И вот что обнаружилось.

На рис. 1 показано рассчитанное нами изменение среднегодовых аномалий приповерхностной температуры воздуха с 1900 по 2002 г. в зоне 30°–60° с. ш. и в каждом из шести секторов Северного полушария [2]. На фоне векового нелинейного тренда четко прослеживаются внутридекадные (2–8 лет) возмущения и мультидекадные квазициклические колебания с периодом 20–50 лет. Об этом неоднократно упоминалось во множестве работ, посвященных данной тематике.

Рис. 1. Изменение среднегодовых аномалий приземной температуры воздуха с 1900 по 2002 г. в зоне 30°–60° с. ш. Северного полушария и в шести его секторах: атлантическом (60° з. д. — 0° д.), европейском (0° д. — 60° в. д.), сибирском (60°–120° в. д.), дальневосточном (120°–170° в. д.), тихоокеанском (170° в. д. — 120° з. д.) и американском (120°–60° з. д.). Тонкими линиями показан исходный ряд среднегодовых значений, полужирными — 11-летние скользящие средние значения, жирными — нелинейные тренды. На шкале ординат нанесены аномалии температуры

Но мы обратили внимание на одно обстоятельство, которое показалось нам весьма нетривиальным. Выполненная оценка внутривековой эволюции нелинейных трендов приповерхностной температуры над океанами и континентами выявила очевидную разнонаправленность функций, описывающих эти тренды. На приведенных рисунках видно, что над сушей ветви параболических зависимостей, аппроксимируемых полиномом второй степени, — восходящие (положительный знак второй производной), а над океанами они имеют вид спадающих кривых. Это означает, что над Тихим и Атлантическим океанами рост температуры воздуха в середине 20-го столетия был выражен заметно ярче, чем над материками. В первой половине прошлого века над океанами происходило ускорение роста приземной температуры (наиболее заметное над Тихим океаном), а над материками наблюдалось замедление роста и даже некоторое понижение температуры в сибирском и европейском секторах. Во второй половине века быстрый рост температуры отмечался уже над материками, а над океанами он существенно замедлялся [3]. Этот результат может говорить только о том, что формирование внутривековой эволюции характеристик климатической системы Земли непосредственно связано с внутренним перераспределением тепловой энергии в пространственно-временной структуре взаимодействия океанов, атмосферы и суши.

Хотелось бы особо подчеркнуть концептуальную значимость данного, казалось бы, очередного проходного научного предположения. Ведь, по сути, оно в конечном счете означает, что принципиальное значение имеет не только сам изначальный источник импульса климатической изменчивости, но и отклик на него физического механизма глобальной климатической системы.

Эволюции теплового режима океана

Согласно выводам международной группы экспертов по климатическим изменениям, средняя глобальная температура на планете продолжает расти, и рост этот связан с антропогенным воздействием на климат [4]. А что при этом происходит с Мировым океаном? Как он реагирует на потепление и каким образом участвует в возможном перераспределении тепла в пределах глобальной климатической системы? Ответы на эти вопросы мы попытались получить, анализируя материалы прямых наблюдений за эволюцией термических характеристик верхнего деятельного слоя (ВДС) океана на протяжении последних 50 лет. В качестве ВДС рассматривалась верхняя толща океана (в среднем около 100 м), ниже которой сезонные изменения температуры фактически не существенны.

Была выполнена диагностика изменчивости теплосодержания верхнего 1000-метрового слоя вод для северо-западной части Тихого океана [5]. Некоторые из результатов этих исследований проиллюстрированы на рис. 2. В частности, там приведены средние вертикальные распределения температуры воды в трех разных климатических зонах: субтропической, переходной и субарктической в различные фазы климата, подробные описания которых даны в научных публикациях [6–8]. Как показал анализ термобарических индексов атмосферных процессов в Северо-Атлантическом регионе, на протяжении последнего столетия для короткопериодной изменчивости современного климата были характерны отдельные эпизоды продолжительностью 25–35 лет, которые отмечались заметным ростом приповерхностной температуры воздуха (1905–1935 гг. и 1975–1999 гг.), приостановкой этого роста (с 2000 г. и по сей день), либо некоторым ее понижением (1940–1974 гг.). Эти эпизоды, идентифицированные нами в качестве разных климатических сценариев, служат в некотором смысле показателями определенной фазовой детерминированности процесса короткопериодной эволюции современного климата, которая, по всей вероятности, связана с перераспределением тепловой энергии в системе океан — атмосфера — суша.

Рис. 2. Средние вертикальные распределения температуры воды в верхнем 1000-метровом слое для трех структурных зон на северо-западе Тихого океана: субтропической (1), субарктической (2) и переходной (3). Средние профили представлены для периодов: 1960–1974 гг. (непрерывная кривая), 1975–1999 гг. (штрихпунктирная) и 2000–2014 (пунктирная)

Анализ эволюции вертикальных распределений температуры воды (рис. 2) показывает, что за более чем полувековой интервал в области субтропических вод и вод переходной зоны происходили заметные изменения в слое 0–500 м: прогрев в 1960–1974 гг., выхолаживание в 1975–1999 гг. и вновь прогрев после 2000 г., который продолжается до сих пор. При этом заметно, что быстро прогревается только самый верхний 100-метровый слой. Ниже него температура еще не достигла значения, которое было до тепловой разгрузки океана, начавшейся в середине 70-х годов прошлого столетия.

Достоверность выявленного характера эволюции теплосодержания ВДС океана была подтверждена анализом наблюдений, выполненных ранее в том же районе в эксперименте Мегаполигон [9].

При оценке эволюции термодинамических характеристик районов океана с недостаточным количеством данных были использованы результаты численных экспериментов на основе хорошо оттестированной гидродинамической модели, созданной в Институте вычислительной математики РАН [10].

Для продвинутых читателей отметим, что эта модель относится к классу σ-моделей океана, в которых вертикальная координата масштабируется его глубиной. Прогностическими переменными служат горизонтальные компоненты вектора скорости океанских течений, потенциальная температура, соленость и отклонение уровня океана от невозмущенной поверхности. Для численной реализации модели используется метод расщепления по физическим процессам и пространственным координатам, что отличает ее от других известных моделей. В качестве граничных условий на поверхности океана задаются потоки тепла, солености и импульса. Для температуры и солености на боковых границах и дне ставится условие отсутствия нормальных по отношению к ним потоков.

Примененная в работе модель (одна из наиболее совершенных в своем роде на сегодняшний день) позволила получить данные о полувековой эволюции практически всех основных гидрофизических характеристик верхнего 1000-метрового слоя Мирового океана. Для проверки адекватности результатов численного моделирования использовались отдельные массивы данных таких крупномасштабных отечественных экспериментов в океане, как Полигон-70 (Центральная Атлантика, 1970 г.), ПОЛИМОДЕ (Западная Атлантика, 1977–1978 гг.), Мегаполигон (северная часть Тихого океана, 1987 г.) [9], АТЛАНТЭКС-90 (Атлантическая экспедиция, 1990 г.) [11–13]. Материалы этих экспериментов содержат, помимо всего прочего, информацию о фазовом состоянии климатической системы, что оказалось весьма полезным для решения основной задачи нашего исследования.

Из всего громадного объема полученных с помощью численного моделирования данных были сделаны целевые пространственно-временные выборки, анализ которых завершился получением некоторых весьма нетривиальных результатов. Вначале следует упомянуть о том, что ранее мы обнаружили признаки тесной связи мультидекадной фазовой структуры климата в Северной Атлантике с изменчивостью мощности и теплосодержания ВДС в данном регионе [6, 14]. Данный факт свидетельствует о том, что параметры временной эволюции этого слоя могут дать вполне определенное представление о качественной и количественной характеристиках изменчивости теплообмена океана с атмосферой. В свою очередь, такой вывод привел к постановке вопроса о возможном существовании вышеуказанной связи не только в региональном, но и в планетарном масштабе.

Рис. 3. Топография верхнего деятельного слоя Мирового океана в Северном полушарии: а — в холодную половину года, б — в теплую

Карты топографии ВДС океана (рис. 3) дают наглядное представление о характере теплообмена между океаном и атмосферой, который имеет ярко выраженный сезонный ход. Этот факт наиболее четко иллюстрируется различиями глобальной топографии нижней границы ВДС для летнего и зимнего сезонов. Зимой в Северном полушарии фактически повсеместно в умеренных и высоких широтах (как в Тихом, так и в Атлантическом океане) мощность верхнего перемешанного слоя существенно возрастает (очевидно, в результате возникновения и развития зимней плотностной конвекции) (рис. 3, б). Принимая это во внимание, заметим, что максимальная вертикальная плотностная конвекция в океане связана лишь с определенными локализованными областями, вследствие чего пространственное распределение мощности ВДС имеет анизотропный характер. При этом надо полагать, что показанная на рисунках крупномасштабная пространственная структура перемежающейся конвекции прежде всего определяется климатическим эффектом широтной зональности.

В то же время отдельные детали этой структуры, по-видимому, обусловлены неоднородностями в поле температуры, которые определяются наличием фронтальных зон, вихревых образований, меандров течений и прочих гидрофизических аномалий, а также положением обобщенных траекторий распространения над океаном холодных арктических и континентальных воздушных масс.

Самые значимые в климатическом отношении акватории океана, где он наиболее интенсивно отдает тепло атмосфере, приурочены, как правило, к глубоководным котловинам и характеризуются наличием очагов глубокой плотностной конвекции, возникающей под термическим воздействием на океанскую поверхность холодных воздушных масс высокоширотного происхождения. Именно для таких, наиболее информативных в климатическом смысле, районов океана был выполнен анализ внутривековой эволюции теплосодержания ВДС, результаты которого мы здесь рассматриваем.

Осредненные вертикальные профили температуры в слое 0–800 м дают определенные качественные и количественные представления о произошедших изменениях. Характеристики эволюции вертикальной термической структуры вод (рис. 4) в этом слое, относящиеся к мультидекадным периодам относительного потепления и похолодания климата на континентах (рис. 1), связаны с существованием конкретных климатических сценариев 1958–1974, 1975–1999 и 2000–2006 гг. [6–8]. Это свидетельствует о том, что во второй половине ХХ в. мультидекадная изменчивость океана в одном из ключевых информативных районов Северной Атлантики характеризовалась следующими особенностями. До середины 70-х годов теплосодержание ВДС оставалось относительно высоким, т. е. в целом в предшествующий период этот слой прогревался и аккумулировал тепло. Далее, с середины 70-х и до конца 90-х годов, наблюдалось заметное понижение средней температуры ВДС, а в начале XXI столетия температура воды в нем вновь стала повышаться.

Рис. 4. Эволюция термической структуры верхнего деятельного слоя: вверху — в Северной Атлантике (55°–65°с. ш., 40°–30° з. д.) за период 1958–2006 гг.; внизу — в Северной Пацифике (35°–45° с. ш., 175°–135° з. д.) за период 1948–2007 гг.; а — вертикальное распределение температуры в три фазы климата [6–8]; б — в холодную половину года; в — изменение теплосодержания верхнего 800-метрового слоя

Рассматриваемый район примечателен циклическим возникновением условий, благоприятствующих формированию холодных поверхностных вод повышенной плотности. Вследствие этого эволюция полей температуры и плотности [14] позволяет сделать следующий вывод: с середины 70-х и до конца 90-х годов процесс глубокой конвекции здесь интенсифицировался, т. е. океан тогда отдавал тепло атмосфере. До и после этого периода конвекционные процессы в данном районе были ослаблены, а глубокая конвекция (судя по тем же данным) практически не возникала.

Аналогичные результаты по ВДС получены и для центральной части Северной Пацифики. На рис. 4 (внизу) видно, что до середины 70-х годов в верхнем деятельном слое этого региона наблюдался прогрев вод, затем наступило их выхолаживание, которое продолжалось примерно до начала ХХI в. Затем вновь наметилась тенденция к повышению температуры вод ВДС. Качественно и количественно фазовый характер мультидекадной эволюции термической структуры океана отчетливо иллюстрируется средними за некоторые временные интервалы вертикальными распределениями температуры в слое 0–600 м (рис. 4, б). Как уже говорилось, эти интервалы подобраны в соответствии с обнаруженной ранее фазовой структурой изменчивости современного климата в Северном полушарии [6–8].

Таким образом, ВДС (0–800 м) в Северной Атлантике с 1958 по 2006 г. и в Северной Пацифике (0–600 м) с 1948 г. по 2007 г. демонстрирует три примерно совпадающие по времени чередующиеся фазы теплонакопления и тепловой разгрузки. Причем наиболее примечательно то, что последняя фаза (1975–1999) оказалась (практически с точностью до года) одинаковой по времени в обоих океанах. Это говорит о квазисинхронности рассматриваемого глобального процесса [6–8] — того самого процесса очередного мультидекадного перераспределения тепла в климатической системе Земли, к которому привязаны по времени начало и развитие глобального потепления на континентах [4].

Модельные расчеты показали, что в период, охватывающий 1975–1999 гг., т. е. в активную фазу потепления климата на континентах, тепловая разгрузка ВДС океана происходила квазисинхронно в обоих полушариях. Специфика этого процесса в некоторых информативных районах Южного океана (например, в морях Беллинсгаузена и Уэдделла) состояла в том, что тепло к океанской поверхности поступало из подповерхностного теплого промежуточного слоя (100–600 м) в результате глубокой конвекции. Тепловая разгрузка в этом случае могла экранироваться развитием слабой положительной аномалии температуры на поверхности океана.

Наряду с глобальным характером рассматриваемой мультидекадной осцилляции теплосодержания океана (МОСТОК), нельзя не обратить внимания и на региональные особенности изменчивости температуры воды в Атлантике и в Тихом океане (рис. 4). В частности, надо отметить, что на протяжении второй половины прошлого столетия теплоотдача изменялась более существенно в Тихом океане, а теплосодержание — в Атлантике. Такое различие, по-видимому, связано с тем, что в Северной Атлантике существует глубокая (до 1000–1200 м) конвекция, а в Тихом океане более значительная плотностная стратификация препятствует развитию конвекции глубже 300–400 м. Из этого следует, что об интенсивности теплоотдачи океана в атмосферу можно судить не столько по изменению ее аномалий, сколько по сокращению теплосодержания ВДС.

Рассмотренные результаты численного моделирования, подкрепленные данными прямых измерений, свидетельствуют о том, что мультидекадная эволюция глобального климата сопровождается осцилляциями теплосодержания океана. Контрольная проверка адекватности произведенных расчетов была выполнена по данным крупномасштабных полигонных исследований для нескольких энергоактивных районов Мирового океана. Результаты расчетов и натурных экспериментов оказались в полном соответствии друг с другом [9, 15, 16].

Судя по всему, в данном процессе положительная фаза МОСТОК, относящаяся к периоду (1975–1999) тепловой разгрузки ВДС океана в умеренных широтах, соответствовала по времени известному глобальному потеплению на континентах. На основе этого факта можно высказать следующее вполне обоснованное предположение: тепло океана также вносит определенный вклад в некоторый рост средней температуры приповерхностного воздуха на континентах. В отрицательную фазу МОСТОК, когда наблюдается рост теплосодержания ВДС, в динамике климатической системы, по всей вероятности, преобладают потоки тепла противоположного направления — из атмосферы к океану. Эта фаза климата характеризуется на суше увеличением индекса континентальности, который отражает пониженную влажность атмосферы со всеми вытекающими последствиями, а также более частое появление экстремальных значений температуры приповерхностного воздуха.

Данные многолетних гидрологических наблюдений [5] и приведенные здесь результаты моделирования эволюции теплосодержания верхнего деятельного слоя в Мировом океане показали, что ВДС в ряде регионов испытывает квазисинхронные мультидекадные фазовые изменения, при которых наблюдаются чередующиеся эпизоды аккумуляции тепла и тепловой разгрузки океана продолжительностью 25–35 лет.

На основе этого результата можно сформулировать гипотезу, что обнаруженная мультидекадная осцилляция теплосодержания океана оказывает определенное влияние на формирование соответствующей по временному масштабу глобальной атмосферной осцилляции, которая проявляется в виде короткопериодной фазовой изменчивости современного климата в Северном полушарии [17]. Наблюдавшееся региональное выхолаживание ВДС океана в определенной фазе его термодинамического состояния, судя по всему, сопровождалось переходом океанского тепла и влаги в атмосферу, что способствовало смягчению и потеплению климата на континентах. Такой климатический сценарий выполнялся в 1975–1999 гг. и сопровождался активной фазой роста температуры приповерхностного воздуха, в частности, на Евроазиатском и Северо-Американском континентах. В то же время, в фазы МОСТОК, когда ВДС океана аккумулирует тепло, климат на материках в целом становится более континентальным, что, собственно, и происходило до середины 70-х годов прошлого века и прослеживается до сих пор. Так, гидрофизические наблюдения в океане с помощью поплавков Арго [18] позволили обнаружить рост теплосодержания ВДС в течение последнего десятилетия, что выразилось в увеличении средней температуры этого слоя со скоростью 0,005°С / год. Этот результат вполне соответствует существующему представлению о процессе современного теплонакопления океана и о замедлении потепления глобального климата на материках.

Подводя промежуточный (т. е. пока еще не окончательный) итог всему вышесказанному о возможных причинах и реально наблюдаемых проявлениях короткопериодной изменчивости современного климата, попробуем сформулировать свои представления об этом процессе в виде предварительной, но вполне определенной гипотезы, которую можно изложить следующим образом.

Основные элементы климатической системы Земли — атмосфера, океаны и материки. Динамика взаимодействия между ними непосредственно определяет естественную природную эволюцию глобального климата в соответствующих пространственно-временных масштабах.

Короткопериодная изменчивость современного климата в течение нескольких десятков лет возникает вследствие междекадных осцилляций в динамике климатической системы. Источником таких осцилляций служит квазициклический процесс теплонакопления и тепловой разгрузки океана, который сопровождается изменением направления потоков тепла между океаном и атмосферой. Потенциальным внутренним резервуаром и источником тепла, квазициклически поступающего к поверхности океана в период его тепловой разгрузки, может быть, очевидно, его относительно теплый подповерхностный слой. Оттуда тепло извлекается за счет периодически возникающей глубокой сезонной вертикальной плотностной конвекции. Каждая фаза такого климатического цикла обладает отличительными гидрометеорологическими характеристиками, которые на материках объединяются понятием «индекса континентальности». Его повышенные значения (наблюдаемые сейчас) свидетельствуют о наступлении относительно более суровых климатических условий — резкого внутригодового перепада температур и влажности воздуха, прохладных зим и жарких засушливых летних сезонов, внесезонных оттепелей и заморозков и др. Судя по всему, подобная фаза климата в Северном полушарии наступила в начале нынешнего столетия, что должно характеризоваться, в частности, ослаблением переноса океанского тепла и влаги с запада на восток из регионов Северной Атлантики и Северной Пацифики.

Источник