Тепло-массообмен между северной Атлантикой и Северным ледовитым океаном

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН начиная с 1997 года выполняет регулярные наблюдения на разрезе по 59.5° с.ш., обеспечивая ежегодные съемки температуры, солености, концентраций растворенных химических веществ и скоростей течений во всей толще океанских вод – от поверхности до дна, «от берега до берега» (рис. 1).

Тепло массообмен между северной Атлантикой и Северным ледовитым океаном

Рис. 1А. Положение трансатлантического разреза по 59.5° с.ш. Показаны основные поверхностные (верхний рисунок) и глубинные (нижний рисунок) течения, обусловливающие водообмен между Атлантическим океаном и Арктическим бассейном. Схемы циркуляции составлены на основе данных, полученных на разрезе по 59.5° с.ш. в 2000-х гг. с привлечением источников [Schott et al., 2004; Østerhus et al., 2005; Sutherland and Pickart, 2008]. Обозначения: САТ – Североатлантическое течение; ТИ – течение Ирмингера; ВГТ – Восточно-Гренландское течение; ЗГПТ – Западное глубинное пограничное течение; СЗГВ – Северо-западные глубинные воды (воды Датского пролива); СВГВ – Северо-восточные глубинные воды (воды Исландско-Шетландских проливов).

Рис. 1B. Изменения солености промежуточных субарктических (ЛВ) и глубинных арктических (СВГВ) вод на севере Атлантики в 1950-х – 2000-х гг. и их связь с изменениями зимнего индекса САК. Верхний рисунок: основные пути распространения вод и схема положения Азорского максимума и Исландского минимума, образующих «диполь» САК. Средний рисунок: многолетние изменения солености вод. Нижний рисунок: многолетние изменения индекса САК. ЛВ – Лабрадорская водная масса; СВГВ – Северо-восточные глубинные воды. САК – Североатлантическое колебание. Из работы [Сарафанов, 2009].

В ходе мониторинга было установлено, что в середине 1990-х гг. тенденция опреснения промежуточных и глубинных вод атлантического и арктического происхождения [Dickson et al., 2002]сменилась на противоположную (рис. 2) [Sarafanov et al, 2007; Sarafanov et al., 2008; Сарафанов и др., 2009]. Этот факт ставит под сомнение справедливость гипотезы о том, что глобальное изменение климата – главный фактор предшествующего многолетнего распреснения вод. Важно, что на масштабах десятилетий изменения температуры и солености промежуточных и глубинных вод в районе водообмена между Атлантикой и Арктикой (рис. 5) обусловлены региональными изменениями циркуляции вод и интенсивности зимней конвекции, тесно связанными с изменениями разницы атмосферного давления на поверхности океана между Азорскими островами и Исландией (Североатлантическим колебанием, САК) [Сарафанов, 2009; Sarafanov, 2009].

Современные климатические изменения в Арктике являются беспрецедентными за всю историю инструментальных наблюдений. Наблюдаемое повышение температуры воздуха в Арктике по интенсивности значительно превосходит тренд в среднеглобальных или среднеполушарных температурах (Trenberth et al. 2007).

Тепло массообмен между северной Атлантикой и Северным ледовитым океаном

Рис. 2. Многолетние изменения расхода Западного глубинного пограничного течения (ЗГПТ) в море Ирмингера и их связь с интенсивностью конвекции в море Лабрадор. (а) Положение гидрологических разрезов (1991–2007 гг.) и схема циркуляции глубинных вод в море Ирмингера. (б) Аномалии относительного геострофического расхода ЗГПТ (Св, 1 Св = 106 м3 с–1) в 1991–2007 гг. Показаны аномалии по данным каждой съемки, средние значения для 1990-х (1994–1997) и 2000-х (2000–2007) гг. и линейный тренд (1994–2007 гг.) (в) Аномалии расхода ЗГПТ в море Ирмингера и толщины (103 м) слоя Лабрадорской водной массы (ЛВ) в море Лабрадор в 1950-х – 2000-х гг. (г) Зависимость коэффициента корреляции (R2) между расходом ЗГПТ и толщиной ЛВ от сдвига двух рядов относительно друг друга с шагом 1 год; толщина ЛВ – мера интенсивности конвекции – опережает. Максимальная (отрицательная) корреляция достигается при сдвиге на 1–3 года. Аномалии интенсивности конвекции в море Лабрадор предшествуют аномалиям расхода ЗГПТ в море Ирмингера. Из работы [Sarafanov et al., 2009].

В течение последних 30 лет рост поверхностных температур в Арктике ускорился по сравнению с предыдущими десятилетиями (рис.3 а,b) и составляет примерно 0.4 градуса в десятилетие при вдвое меньшем среднеполушарном сигнале. Принципиальной особенностью наблюдаемого резкого потепления Арктики является его большая интенсивность в зимний сезон по сравнению с летним, когда тренды потепления лишь немного сильнее тех, что наблюдаются в средних широтах и тропиках (рис. 3с). Арктическое потепление сопровождается беспрецедентным сокращением ледового покрова в Арктике (рис. 3d). За последние 30 лет это сокращение составило более 25%. Прямая экстраполяция таких терндов допускает возможность исчезновения плавучих льдов по крайней мере в летний период через 2-3 десятилетия.

Тепло массообмен между северной Атлантикой и Северным ледовитым океаном

Рис. 3. Современные климатические изменения в Арктике. Наблюдаемые за последнее столетие аномалии поверхностной температуры воздуха над Северным полушарием (a) и Арктикой (b) оценненные по данным наблюдений (Brohan et al. 2006) (красная линия) и по ансамблю модельных расчетов с учетом анторопогенного и естественного сигналов (Semenov et al. 2010). (c) Зонально осредненные тренды в поверхностной тмпературе воздуха над Северным полушарием с 1951 по 2010 гг. (d) Изменения площади Арктических льдов за последние 30 лет, указывающие на их более чем 25%-ное сокращение.

Достоверный прогноз ледовитости и климатических условий Арктики на последующие десятилетия крайне важен для всей экономической инфраструктуры Арктики, включая нефтедобычу, строительство и особенно транспортные операции на Северном морском пути. На рис. 4 приводятся возможные изменения нормированной фрахтовой cтавки перевозок по Северному морскому пути по сравнению с фрахтовой ставкой перевозок через Суэцкий канал. При наблюдаемой тенденции потепления уже начиная с 2020 года первозки между Европой и Азией Северным морским путем станут намного выгоднее любых альтернативных.

Тепло массообмен между северной Атлантикой и Северным ледовитым океаном

Рис. 4. (а) Нормированная фрахтовая ставка (со среднемесячным (1) и среднегодовым (2) осреднением) для Северного морского пути (при сценарии SRES-A1B) в сопоставлении с фрахтовой ставкой через Суэцкий канал (3). (b) Продолжительность навигации (сут) вдоль трассы Северного морского пути при пороговом значении концентрации морского льда в 30% по спутниковым данным (1) и по модели (2) для сценария SRES-A1B.

Понимая важность проблемы Институт океанологии им. П.П. Ширшова планирует развитие проекта, направленного на создание системы мониторинга состояния океана и его взаимодействия с атмосферой в субполярной и субарктической Атлантике с целью построения достоверного прогноза климатических изменений в Арктике. Разрабатываемая система мониторинга будет состоять из 48 автономных буйковых станций (рис.5), работающих в непрерывном режиме в течение 10 лет (2012—2021 гг.), и впервые предоставит достоверную информацию об изменениях в системе океан-атмосфера на временных масштабах от часов до десятилетия. Получение и анализ этой информации о состоянии океана и приводной атмосферы в субарктическом регионе Атлантического океана позволит построить модели нового поколения для прогноза изменений климата и ледовитости Арктики.

Для достижения поставленной цели проект, не имеющий аналогов в современной океанологии, будет решать следующие основные задачи:

  1. получение достоверных оценок аномалий температуры и солености глубинных вод, формирующихся на северной периферии Атлантики в результате поступления арктических вод через проливы между Гренландией, Исландией и Великобританией;
  2. получение долговременных рядов наблюдений за переносом воды и тепла в глубинных слоях океана в районе взаимодействия Арктики и Атлантики;
  3. получение высокоточных количественных оценок потоков энергии между океаном и атмосферой в очагах конвективного обновления промежуточных и глубинных вод Северной Атлантики;
  4. установление механизмов, регулирующих изменения в системе океан-атмосфера в субарктической Атлантике, и включение этих механизмов в прогностические модели.
Тепло массообмен между северной Атлантикой и Северным ледовитым океаном

Рис. 5. Дизайн системы непрерывного мониторинга глубинной циркуляции на севере Атлантики