7.5. Стужа льда в теплых океанах
О том, что в глубине всего Мирового океана, включая экваториальную и северные полярные области, распространены мощные толщи очень холодной воды с температурой от 2 °C до 0 °C знает, видимо, каждый школьник. Знают и о том, что эти воды скатываются со стороны полярных акваторий, одновременно поднимая вверх более нагретые воды теплых акваторий.
Нам остается еще раз удивиться, что температурная однородность глубинных вод Мирового океана сохраняется в условиях, когда приход тепла к поверхности океана различается в десятки и даже в сотни раз!
Разве не удивительно, что температура воды в глубине Атлантического океана, вблизи экватора между Южной Америкой и Африкой, составляет 0° ÷ 0,5 °C, то есть столько же сколько подо льдами Северного Полюса? Если мы сравним соленость глубинных вод на экваторе и на Полюсе, то тоже не обнаружим почти никакой разницы. Значит, и плотность глубинных вод всей океаносферы оказывается практически одинаковой. Из таких заключений легко сделать ошибочный вывод, что для глубинных вод Мирового океана не существует ни внешних (например, ветра), ни свойственной самой воде причин (различий в плотностях), способствующих перераспределению глубинных вод по всему земному шару.
Но обратим внимание на пороги (рис. 16), через которые перетекает плотно соленые и холодные воды из Северного Ледовитого океана в Атлантический океан и на карту[6] положения самых холодных вод во всем Мировом океане. Из сравнений следует, что слои воды с равной низкой температурой в Северном Ледовитом океане находятся на 3 000 ÷ 3 500 м выше, чем в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах. Значит они находятся как бы на «горке» более плотной воды, с которой и «скатываются» в южные океаны.
Эта «горка» существует стабильно и постоянно пополняется, как мы уже узнали, за счет опускания утяжеляющихся рассолами вод, выделяющимися изо льда. Если теперь мы постараемся уточнить причину растекания глубинных холодных вод по всей океаносфере, то должны будем сказать, что она заключается не просто в стекании холодных вод, но и в существовании термохалинной конвекции в полярных акваториях, в свою очередь, обязанной образованию там льда из морской воды. Ещё короче можно сказать, что появление холодных вод в теплых океанах обязано льду и льдообразованию на полярных бассейнах. Вот как далеко протягивает свои «лапы» полярный лёд!
Когда же мы так уточнили природу холодных вод Мирового океана, то получаем возможность уверенно сказать, какие изменения или отклонения могут нарушить сложившуюся циркуляцию и теплообмен его глубинных вод.
А ими могут быть:
– исключение льда и льдообразования на полярных акваториях, что могло и может иметь место в длительной истории Земли или по воле человека;
– полное или частичное отсечение водообмена полярных водоёмов с Мировым океаном, вероятность которого также нельзя исключать ни в длительном естественном развитии Земли, ни при участии человека;
– временная или длительная теплоизоляция ледяного покрова полярных водоёмов, например, очень глубоким снежным покровом, прерывающим дальнейшее протекание льдообразования под ним, что полностью исключать нельзя;
– изменение солености верхних слоев полярных водоёмов, что трудно представить, но нельзя исключить полностью;
– опреснение всей океаносферы, что даже представить невозможно.
Думаю, что эти оценки могут пригодиться при палеогеографических исследованиях и изучения современных проблем климатологии. А теперь посмотрим, как собственно отражается термохалинная конвекция полярных водоёмов на состоянии термики внешних сфер Земли в наше время.
Заметим, что приведенный в предыдущем разделе способ расчета массы воды, вовлекаемой в термохалинную конвекцию рассолами, выпадающими из льда, не исключает той вероятности, что в подобную конвекцию вовлекается тем больший объем воды, чем меньше становится разница между соленостями поверхностных и глубинных вод. Важно только, чтобы она была. Это объясняется тем, что любое, даже незначительное повышение плотности одной массы воды над другой в конце концов должно вызывать их плотностную гравитационную стратификацию.
В то же время можно предполагать, что по мере увеличения общего объёма вод, вовлекаемых в конвекцию, интенсивность ее протекания при малых различиях плотностей легче может быть нарушена влиянием наложенных динамических факторов, например, течением, ветровым перемешиванием вод и т. д.
С такими необходимыми оговорками можно грубо определить сколько всего в океаносфере ежегодно погружается ко дну плотной и холодной воды под влиянием процессов, происходящих в плавучем льду.
Воспользуемся для этого известными данными об общих ежегодных оледенениях морей северного и южного полушарий и сведениями о различии средней солености воды в высоких широтах, почерпнутых из книги В. Н. Степанова «Океаносфера» (1983).
На морях северного полушария всего ежегодно образуется около 126 × 1011 т льда, а южного – 207 × 1011 т. По отношению к северному полушарию образование льда 85 × 1011 т в Северном Ледовитом океане и масштабы, вызываемой им термохалинной конвекции, выше уже определены. Остающиеся 41 × 1011 т льда при том же рассолении (до 5‰) и солености вод за пределами Северного Ледовитого океана 32‰, а глубинных 35‰, способны вызвать погружение ко дну ещё 36900 км 3 воды, что в 4 раза меньше, чем в Северном Ледовитом океане. Такая величина представляется правдоподобной, хотя возможно, что расчет может страдать недоучетом некоторых наложенных динамических явлений, способных здесь с большей вероятностью, чем в постоянно замерзающем океане, гасить интенсивность термохалинной конвекции.
Таким образом, всего в северном полушарии в термохалинную конвекцию вовлекается общий объем воды, равный, примерно, 186×103 км 3 в год. Если таким же путем определить интенсивность термохалинной конвекции в акваториях океанов южного полушария, то при солености поверхностных вод 34,7‰ в ходе рассоления льда до 8‰ здесь в термохалинное опускание холодных и соленых вод должно вовлекаться уже около 480×103 км3, что в 2,6 раза больше, чем в северном полушарии. Однако здесь менее интенсивная термохалинная конвекция определенно более всего и вскоре же нарушается значительной динамичностью циркумполярного течения западных ветров, оконтуривающего Антарктику. Впрочем, если то и другое имеет место, то эти факты могут явиться новым, дополнительным аргументом в пользу объяснения более низкой средней температуры поверхности океанов и атмосферы в южном полушарии по сравнению с северным. Из этого же следует, что поддержание придонной толщи тяжелых глубинных вод Мирового океана с большей вероятностью осуществляется термохалинной подледной конвекцией, происходящей в северном полушарии, а точнее в Северном Ледовитом океане, чем в южном полушарии, что в известной степени подтверждается меридиональным сечением поля солености Атлантического океана.
Интересно рассмотреть, насколько же остывает или, правильнее сказать, какое количество энтальпии теряет замерзающий Северный Ледовитый океан за счет протекания подледной термохалинной конвекции. Не сложно обнаружить, что величина эта незначительна. Для этого достаточно установить наибольший возможный предел охлаждения подледной воды рассольными каплями. Так, если из ежегодно намерзающего снизу на 70 см многолетнего льда выделится за год весь рассол, средняя температура которого вероятно может быть не выше минус 4 °C, заместившись подледной водой или мигрирующей за ним сверху пресной, то с каплями в относительном выражении удалится лишь 1,1 кДж/см 2 год. Такая величина оказывается сопоставимой, а часто и превышает фактически ранее определявшиеся величины потерь тепла водной массой под многолетним ледяным покровом Арктического бассейна. Свежие льды ежегодно намерзают на толщину в 2,5 ÷ 3 раза большую, чем многолетние. Тем же расчетом можно установить, что рассолы, выделившиеся из них, способны соответственно охладить подледную воду до 3,5 кДж/см 2 за год.
Зная площади распространения тех и других льдов (6,5 млн. км 2 и 2,35 млн. км2, соответственно) можно грубо определить, что общая внутренняя потеря тепла Арктическим бассейном от выпадающих из льда холодных рассолов, то есть от термохалинной конвекции, составляет абсолютную величину около 14 × 1017 кДж/год, что с избытком компенсирует весь объём тепла, поступающего в него из смежных теплых океанов.
До сих пор подобные потери многие исследователи, не отвергая возможного существования термохалинной конвекции, почему-то целиком относили на возможную прямую (без фазового превращения у нижней поверхности льда) передачу тепла в атмосферу, путем кондуктивной теплопроводности через лёд, которой, как выясняется, здесь вовсе может не быть.
7.6. Где и сколько теряет тепла мировой океан?
Видимо к числу общепризнанных относится мнение, что достаточной гарантией от внезапных климатических катаклизмов на Земле является чрезвычайно большая тепловая инерция Мирового океана. Показанные выше механизмы сдерживания и даже полного исключения потерь тепла водной поверхностью при её замерзании может вселить ещё большую уверенность в том, что Мировой океан является надежной защитой от катастрофического выхолаживания внешних сфер Земли. Однако такое мнение может изменится, если обратить внимание на то, что у океаносферы под воздействием гравитационного массо- и теплообмена возникают реальные, но до поры скрытые механизмы для возбуждения весьма скоротечных трансформаций глобального климата, как в сторону его резкого похолодания, так и в сторону потепления.
Допустим, что на каком-то участке Мирового океана расход тепла в атмосферу, а через неё и в космическое пространство, оказывается настолько значительным, что для его восполнения вынужденно отвлекается тепло всей океаносферы, причем в количестве, не восстанавливаемом его приходом к ней. В силу этого будет происходить общее остывание всей массы Мирового океана. Это остывание может растянуться на тысячелетия и не обнаруживать себя никакими термическими явлениями на поверхности Земли, в силу того свойства воды, что по мере охлаждения она погружается на глубину. Когда же подобное охлаждение продолжится до полного остывания всей толщи Мирового океана до температуры ее замерзания и выхода остывших вод, по крайней мере на значительной площади океаносферы, на поверхность, то далее становится вполне вероятным уже скачкообразное замерзание (оледенение) океаносферы в высоких широтах. Если в наше время значительные акватории Норвежского, Гренландского и Баренцева морей не замерзают лишь потому, что подпитываются теплыми водами Мирового океана, то, очевидно, что они не смогут сопротивляться оледенению, если остынет основная масса водной оболочки Земли.
Таким образом, длительная количественная (эволюционная) форма изменений термики океаносферы с выходом холодных вод на поверхность может перерастать в скачкообразное качественное (революционное) преобразование термики всех внешних сфер Земли – в оледенение её наименее обеспечиваемых теплом акваторий в высоких широтах. С оледенением приполярных морей вступают в действие механизмы, стимулирующие разрастание оледенений (появление галоклина, увеличение альбедо, понижение уровня снеговой линии и т. д.), но вместе с этим утрачивают значимость некоторые причины, приводящие к необратимому охлаждению Мирового океана, поскольку море покрывается ледяным покровом, отчего исчезают очаги увеличенной потери тепла открытыми водами и так далее. Вследствие последнего океан снова начинает прогреваться с поверхности, увеличивается испарение и накопление снега, не успевающего стаивать на оледеневших пространствах приполярных областей, приводящие здесь к оледенению суши.
По мере дальнейшего прогревания Мирового океана в глубину восстанавливается непосредственное тепловое воздействие поверхностных теплых течений, а, в конечном счете, влияние их на дегляциацию высоких широт, в частности, на повышение уровня линии снегового накопления. В этих условиях могут оставаться не тающими лишь ледники суши, расположенные на отметках, превышающих уровень снеговой линии (Антарктида, Гренландия и горные ледники). Вместе с этим на освободившихся от ледяного покрова морях высоких широт снова могут возникать очаги до поры увеличенной необратимой многолетней потери тепла массой Мирового океана. И так далее. Эти изменения термики океаносферы могут усиливаться в ту или иную сторону вековыми изменениями радиационной напряженности из-за астрономических причин. И хотя мы усматриваем, что Мировой океан в конце концов может справиться с оледенением, нашим потомкам не станет легче от того, что он же может скрытно подготовить «временное» (длительностью в 900 лет!) оледенение.
В пределах необходимой нам точности мы уверены, что современный теплообмен Земли с окружающим пространством балансируется. В то же время знаем, что в истории Земли льда становилось то больше, то меньше, а значит, и сами периоды похолоданий и потеплений климата скорее всего постоянно сменяли один другого. Отсюда столь же вероятно, что и сейчас строгого общеземного баланса теплообмена просто не существует, а идет скрытно изменяющийся либо приход, либо расход тепла. Не зная в какую сторону идёт то или иное изменение, мы не знаем, к чему быть готовыми. Пока можно предположить, что наиболее надежным индикатором оборота тепла в ту или другую сторону является все же океаносфера, поскольку именно она обладает, безусловно, самой теплоемкой подвижной массой, осуществляющей львиную долю всего теплообмена Земли. Только через испарение и конденсацию воды оборачивается 83 % всей поступающей к земной поверхности энергии солнечной радиации. Не мало ее усваивается и расходуется при таянии и намерзании всех видов морского и наземного льда. Лишь в десятиметровом слое океанических вод содержится тепла в 4 раза больше, чем во всей толще атмосферы.
Вероятно, такие же рассуждения привели профессора В. Н. Степанова к желанию составить баланс тепла в океанах, по материалам наблюдений многих, преимущественно советских, океанографических экспедиций (табл. 4).
Из этого баланса следует, что в наше время необратимо отдаёт тепло в атмосферу лишь Атлантический океан. Причём подавляющая доля его потерь относится на акваторию Северного Ледовитого океана, а остальное на теплообмен через поверхность океана. Это не противоречит сделанному нами выше заключению, что большая часть Северного Ледовитого океана, а именно, вечно замерзший и замерзающий Арктический бассейн, тепла в атмосферу в течение года необратимо вообще не отдает. Здесь зимние потери, выражающиеся лишь в высвобождении теплоты кристаллизации, летом полностью восстанавливаются теплотой плавления. Значит, потери тепла атлантических вод происходят на незамерзающих морях Северного Ледовитого океана, а именно: Норвежском, Баренцевом и отчасти Гренландском. В Атлантике теряется некоторая часть тепла, поступающая и из других океанов.
Зная величину общей необратимой потери тепла Атлантическим океаном (6,06×1018 кДж за год) и его объём, можно грубо определить, что в наше время этот океан должен остывать на 10 °С за 240 лет и остыть до способности к оледенению в высоких широтах за 1,5 ÷ 3 тыс. лет. Поскольку же он представляет всего 1/4 часть объема Мирового океана, то при водообмене с другими океанами получает тепло и от них. Следовательно, его охлаждение может вызвать в 4 раза уменьшенное охлаждение объема всего Мирового океана. В таком случае обратим внимание на тот, следующий из табл. 4, факт, что в целом Мировой океан в наше время нагревается на 9,1 × 1018 кДж за год. А это уже может свидетельствовать о том, что несмотря на несбалансированные потери тепла Атлантическим океаном, весь объём Мирового океана нагревается (1 370 млн. км3) с интенсивностью до 1 °C за 625 лет.
В связи с этой оценкой, интересно заметить, что такая интенсивность нагревания согласуется с наблюдаемым ныне подъёмом уровня Мирового океана, примерно на 1,5 мм за год, что может объясняться уменьшением плотности нагревающейся воды, хотя чаще причиной этого подъёма называется таяние ледников суши, изостазия (уравновешивание земной коры), накопление донных осадков и. т. д.
Величины, показанные в табл. 4, а тем более наши тепловые расчеты по ним, разумеется могут ещё нести в себе какие-то даже существенные ошибки. Однако очень важно, что сам метод комплексного расчета натурных наблюдений теплообмена вод, океаносферы, решительное освобождение его от традиционной привязанности к обязательной сходимости балансовых величин, наконец, возможность его использования для оценок тепловых эволюций Мирового океана закладывают хорошую основу для разработки метода сверхдолгосрочного прогнозирования ожидаемых тепловых изменений океаносферы, а через них и климатических трансформаций на всей Земле. Я верю, что такой метод прогнозирования в конце концов займет достойное место в климатологии и станет лучшим памятником талантливому советскому океанологу Виталию Николаевичу Степанову.
Таблица 4. Баланс тепла в океанах (по В.Н. Степанову)
Но чтобы обещающий метод пробил себе дорогу к делу, надо, во-первых, обратить на него должное внимание науки, во-вторых, еще и еще раз проверить, и проконтролировать всякими возможными способами и методами. Мы попробуем подступиться к этому с тем, что узнали выше: с оценками теплообмена океаносферы с атмосферой, которые позволили нам узнать о больших контрастах в теплообеспеченности разных стран и с оценками теплообменной роли термохалинной конвекции в Мировом океане. Заново примерно оценивая вероятность охлаждения океаносферы, прибегнем снова к самым общим оценкам ее теплообмена с атмосферой и космическим пространством в наше время.
Для начала допустимо заключить, что терять теплоту может только та среда или масса, у которой есть что терять. Об этом почему-то не задумываются те исследователи, которые без всяких убедительных доказательств «грешат» на Арктику и Антарктику, как якобы на самых расточительных «транжиров» общеземного тепла. Но тут же все ясно: там, где полярные водоемы замерзают или где суша постоянно покрыта льдом, не может происходить сколько-нибудь ощутимых, для общего теплообмена Земли с космическим пространством, потерь тепла. За счет увеличенного альбедо ледяных поверхностей здесь лишь не усваивается некоторая, может и значительная, доля солнечной радиации, что вовсе не отражается на теплообеспеченности остальной поверхности Земли. Разве можно ожидать от оледеневших стран какой-то передачи тепла более теплым странам? Но раз в околополюсных пространствах не происходит ни потерь, ни усвоения тепла в количествах, способных повлиять на термику всей Земли, то оставим их до поры в покое.
Совсем в ином положении оказываются теплые акватории Мирового океана. У них в достатке есть и что терять и как терять. Попробуем оценить как эти потери согласуются с приходом тепла от Солнца и расходом его в космическое пространство. Начнем опять с экватора и примыкающих к нему акваторий, ограниченных 10° северной и южной широт. Не стану утомлять читателя подробностями цифровых выкладок и расчетами, к тому же не очень надежными, но скажу лишь, что здесь поверхность океана усваивает тепла больше, чем возвращает его в атмосферу и в космос. Хотя теряет в общем много: из 480 кДж/см2, поступивших от Солнца за год, теряется 400 кДж/см2, остальное усваивается океаном и уносится течениями в высокие широты. Такие потери тепла бесконечно велики, против тех, что можно насчитать или вообразить потерянными в околополюсном пространстве. Но из того, что они не балансируются здесь с приходом радиационного тепла следует, что на акватории Мирового океана обязательно существует где-то область, у которой расход тепла в атмосферу и в космос обязательно превышает местный приход тепла от Солнца. Из вышепоказанной табл. 4 и наших рассуждений следует, что такие области расположены в Атлантическом океане, а наиболее вероятно – на незамерзающих морях Северного Ледовитого океана.
Ю. П. Доронин (1969), рассчитывая ожидаемые потери тепла с открытой воды Арктики, по климатическим данным определил их возможную среднюю величину, равной более 1 100 кДж/см 2 за год. Известны данные и о более значительных потерях тепла с открытой воды Норвежского и Баренцева морей. Разброс определений здесь велик, но в среднем можно принять, что с незамерзающих акваторий этих морей, имеющих площадь около 2,5 млн. км2, относительный расход тепла составляет 200÷250 кДж/см 2 за год, а абсолютный 5 ÷ 6,2 × 1018 кДж за год. Обращаясь к табл. 4 можно заметить, что эта величина сходится с разницей между абсолютными расходом и приходом тепла через поверхность Северного Ледовитого океана. А это значит, что на его незамерзающих морях (и только здесь!) океан теряет тепла как в атмосферу, так и в космос, по крайней мере в 10 раз больше, чем получает его здесь же от Солнца. Надо думать, что абсолютная потеря тепла здесь является величиной не постоянной и существенно зависит от температуры поступающей воды и площади распространения льдов, в то время как температура воздуха скорее всего зависит от этих же изменений.
Как видно, единый инертный и хорошо перемешиваемый гравитационным массо- и теплообменом Мировой океан оказывается нуждается и в том, чтобы его отдельные акватории пользовались особо пристальным вниманием исследователей хотя бы потому, что они могут быть очагами зарождений климатических трансформаций.