Атлантическая циркулярка
Замерзнет ли Европа без Гольфстрима?
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.
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 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
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, гектопаскали) от среднезональных значений в зимние месяцы (декабрь–февраль)
Yohai Kaspi et al. / Nature, 2011
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 на 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
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/год 2 .
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)
Источник
Что нужно знать про Гольфстрим
Сегодня мы будем говорить про Гольфстрим — пожалуй, самое знаменитое течение в Мировом океане.
Гольфстрим доставляет тропическое тепло в Европу и северную часть Атлантики. Только представьте: если бы не было Гольфстрима, зимой в Европе могло бы быть на 10–20 градусов Цельсия холоднее (кстати, возможно, что из-за таяния ледников так и случится, но обо всем по порядку).
Гольфстрим переносит больше воды, чем все реки нашей планеты, вместе взятые!
Ещё Гольфстрим отличился скоростью: в некоторых местах она достигает 2,5 м/с. Обычно поверхностные течения движутся со скоростью менее 1 м/с. Ширина Гольфстрима в среднем 70–100 км.
Как формируется такое быстрое тёплое течение?
Гольфстрим = Флоридское течение + Антильское течение
Вдоль экватора весь год дуют ветры (с востока на запад), которые называются пассатами — мы рассказали про них в этой статье .
Когда ветер дует над поверхностью океана, он тянет верхние слои воды за собой. Поэтому в Карибском бассейне образуется избыток воды.
Часть этого избытка вытесняется в Мексиканский залив. Глубина залива небольшая (относительно океана), так что вода значительно прогревается и направляется оттуда в Атлантический океан через Флоридский пролив (получается, что вода затекает из Карибского моря и вытекает в Атлантический океан). Так появляется Флоридское течение.
Другая часть избыточной воды движется чуть севернее Карибского моря и Мексиканского залива, огибая с севера Антильские острова. Этот поток называется Антильским течением.
Когда Флоридское и Антильское течения соединяются вместе, образуется Гольфстрим .
Как течёт Гольфстрим?
Изначально Гольфстрим движется на север, почти что прижавшись к восточному побережью Северной Америки, затем уходит в открытый океан.
Далее Гольфстрим поворачивает на восток, в сторону Европы.
На это есть две причины:
- Гольфстрим встречает идущее с севера холодное Лабрадорское течение, которое его отклоняет (см. картинку).
- Сила Кориолиса, отклоняющая всё движущееся вправо в Северном полушарии.
Всё чуть сложнее
Да, Гольфстрим отклоняется из-за Силы Кориолиса. Но работает более сложная зависимость – это не просто отклонение направо.
Имеет место эффект, который называется западная интенсификация течений, она связана с изменением ускорения Кориолиса по широте (∂F/∂φ). Для тех, кто хочет разобраться – подробнее в этом учебнике, стр. 201.
Если тело движется по поверхности земли, то в северном полушарии оно все время отклоняется вправо, а в южном — влево.
Ринги
Гольфстрим часто образует на своём пути ринги — вихри в океане. Течение не всегда движется прямо, оно может изгибаться. В каждый момент времени в океане насчитывается более десятка вихрей диаметром около 200 км.
Эти ринги отделяются от основного потока и перемещаются в океане самостоятельно со скоростью 3–5 см/с.
Ринги, движущиеся на север, нагревают воду, а движущиеся на юг наоборот охлаждают её. Да, тёплый Гольфстрим может охлаждать, ведь, двигаясь на север, он постепенно остывает, и к югу от него вода оказывается теплее.
Т еплое течение – не потому что оно теплое само по себе, а потому что ТЕПЛЕЕ окружающей воды.
Почему Гольфстрим остывает по пути?
Часть тепла Гольфстрима теряется за счет испарения. А еще Гольфстрим перемешивается с окружающим его холодным океаном, поэтому по пути в Европу течение теряет большую часть тепла.
Ещё Гольфстрим охлаждается из-за контакта с более холодным воздухом и из-за того, что от основного потока иногда отходят ответвления (например, Канарское). Эти ответвления становятся новыми течениям и уносят тёплую воду. Несмотря на это, достигая Европы, Гольфстрим ещё достаточно тёплый, чтобы создать там необычно мягкий для тех широт климат.
В ходе движения Гольфстрим остывает, поэтому становится уже другим течением, которое назвали Северо-Атлантическим. У берегов Норвегии этот поток называется Норвежским течением.
Почему глобальное потепление принесет в Европу холод?
Некоторые учёные опасаются, что из-за глобального потепления Гольфстрим перестанет достигать берегов Европы, и климат там сильно похолодает. Как такое возможно?
Чем сильнее будет теплеть на нашей планете, тем активнее будет таять лёд. Ледники Гренландии растают. Это вызовет опреснение прилегающих морей, так как вода в ледниках практически пресная.
Как это повлияет на поведение Гольфстрима и климат Европы?
Сейчас Гольфстрим достигает берегов Европы, затем направляется к Гренландии. Тропическая вода, из-за сильного испарения и отсутствия осадков в тропиках, обладает высокой солёностью. Более солёная вода является более тяжёлой, и более тяжёлая вода всегда погружается в окружении более лёгкой. Солёность Гольфстрима оказывается выше, чем солёность вод около Гренландии, и часть Гольфстрима там погружается на дно, а часть продолжает двигаться на север Европы.
Что изменится, если северные моря опреснятся? Гольфстрим начнёт погружаться на дно так и не достигнув берегов Европы!
Сейчас этого не происходит, поскольку на пути Гольфстрима окружающая его вода довольно солёная, то есть тоже довольно тяжёлая, а ко всему прочему Гольфстрим теплее, и это в результате делает его легче.
Стоит океану стать более пресным — и солёный, пусть даже тёплый, Гольфстрим тут же окажется значительно тяжелее окружающей водной массы, а значит начнёт погружаться ещё задолго до приближения к Гренландии и Европе. Тёплая вода пойдёт на дно, а не в Европу. Так парадоксально глобальное потепление может вызвать похолодание климата в Европе.
Источник