Кіріспе

Термохалиндік айналым (ТХА) – жаһандық масштабтағы мұхит айналымының бір бөлігі, ол жер бетіндегі жылу және тұщы су ағындары арқылы туындайтын жаһандық тығыздық градиенттерімен қозғалады. «Термохалиндік» термині «термо» – температураға және «халин» – тұздылыққа сілтеме жасайды, бұл факторлар теңіз суының тығыздығын анықтайды. Желмен қозғалатын беттік ағыстар (мысалы, Гольфстрим) экваторлық Атлант мұхитынан полюстерге қарай жылжып, салқындап, жоғары ендіктерде батып (Солтүстік Атлант терең суын қалыптастырады). Бұл тығыз су мұхит бассейндеріне ағып түседі. Осылайша, мұхит бассейндері арасында кең ауқымды араласу жүзеге асып, олардың арасындағы айырмашылықтар азайып, Жер мұхиттарын жаһандық жүйеге айналдырады. Бұл айналымдардағы су энергияны (жылу түрінде) және массаны (еріген қатты заттар мен газдар түрінде) жер шары бойынша тасымалдайды. Сондықтан, айналымның күйі Жердің климатына зор әсер етеді. Термохалиндік айналымды кейде «мұхит конвейері», «үлкен мұхит конвейері» немесе климаттанушы Уоллес Смит Брокердің ашқан «жаһандық конвейер» деп атайды. Оны меридионалды айналым (MOC) деп те атайды. Бұл атау қолданылу себебі – температура мен тұздылық градиенттерінен туындаған әрбір айналым үлгісі міндетті түрде бір жаһандық айналымның бөлігі бола бермейді. Сонымен қатар, температура мен тұздылықтың әсерінен туындаған айналымның бөліктерін жел және толқын сияқты басқа факторлардың әсерінен туындаған бөліктерден ажырату қиын. Бұл жаһандық айналымның екі негізгі тармағы бар: Атлант мұхитындағы Атлант меридионалды айналымы (AMOC) және Антарктида айналасындағы Оңтүстік мұхит айналымы (SMOC). Адамзаттың 90% Солтүстік жарты шарда өмір сүргендіктен, AMOC жақсы зерттелген, бірақ екеуі де жаһандық климат үшін маңызды. Климаттың өзгеруіне байланысты олардың екеуі де баяулауда, мұздықтардың еруі Антарктиканың терең суларындағы тұзды ағындарды сұйылтады. Екеуінің кез келгенінің күйреуі климаттық жүйедегі шекті нүктелердің мысалы болуы мүмкін. Айналымы күйреген жарты шар жауын-шашынның азаюына және құрғақшылыққа ұшыраса, ал екінші жарты шар ылғалдырақ болады. Теңіз экожүйелері де азық заттардың жетіспеушілігіне және мұхиттың деоксигенизациясына ұшырауы мүмкін. Солтүстік жарты шарда AMOC-тың күйреуі көптеген Еуропа елдерінде температураның төмендеуіне, ал Солтүстік Американың шығыс жағалауында теңіз деңгейінің үдемелі өсуіне әкеледі. Айналымның күйреуіне дейін әдетте бір ғасырдан астам уақыт бар және тек жоғары температурада ғана болуы мүмкін, бірақ бұл болжамдардағы белгісіздіктер көп.

Зерттеу тарихы

Желдің мұхит ағыстарын қозғай алатыны бұрыннан белгілі, бірақ тек беткі қабаттарында ғана. 19 ғасырдағы кейбір океанографтар жылудың конвекциясы тереңдегі ағымдарды қозғайтынын болжады. 1908 жылы Йохан Сандстром Борне теңіз зерттеу станциясында бірқатар тәжірибелер жүргізіп, жылу энергиясының берілуі арқылы туындайтын ағымдардың бар екенін дәлелдеді, бірақ "жылудың салқындаудан тереңдеу жерде жүруі қажет" екенін көрсетті. Осы араласу мұхит қабаттары арасындағы конвекцияны қамтамасыз етеді, соның нәтижесінде терең су ағымдары пайда болады. 1920 жылдары Сандстремнің бұл тұжырымы мұхит қабаттарының қалыптасуындағы тұздылықтың ролін ескеру арқылы дамытылды. Әрі, тәтті су 4 °C-та ең тығыз болса, теңіз суы салқындаған сайын тығыздығы арта түседі, тіпті қатып қалғанға дейін. Бұл қату температурасы тұздылыққа байланысты тәтті судан төмен, ал тұздылық пен қысымға қарай -2 °C-тан да төмен болуы мүмкін.

Құрылымы

Температура және тұздылықтың тудырған тығыздық айырмашылықтары нәтижесінде мұхит суы ерекше су массаларына бөлінеді, мысалы Солтүстік Атлантиканың терең сулары (NADW) және Антарктиканың түбіндегі сулары (AABW). Осы екі су 1960 жылы Генри Стоммель мен Арнольд Б. Аронс анықтаған айналымның негізгі күштері болып табылады. Олардың химиялық, температуралық және изотоптық қатынас сипаттамалары (мысалы, 231Pa / 230Th қатынастары) бар, оларды іздеуге, ағыс жылдамдығын есептеуге және жасын анықтауға болады. NADW пайда болуының себебі – Солтүстік Атлантика мұхитында жауын-шашын мұхитқа тәтті су қосып, тұздылығын азайтуына қарамастан, булану басым болуында. Бұл, әсіресе, жоғары желділікке байланысты. Су булану кезінде тұзды қалдырады, сондықтан Солтүстік Атлантиканың беткі сулары өте тұзды. Солтүстік Атлантика бұрыннан да салқын аймақ, ал булану салдарынан су температурасы одан да төмендейді. Осылайша, бұл су Норвегия теңізінде төмен қарай батып, Солтүстік Мұзды мұхитының бассейнін толтырып, Гренландия-Шотландия қырқасы арқылы оңтүстікке қарай ағып түседі – Гренландия, Исландия және Ұлыбританияны байланыстыратын су асты қыраттарындағы тіректері. Беринг бұғазының тарлығына байланысты Тынық мұхитына қарай ағып кете алмайды, бірақ Атлант мұхитының оңтүстігіндегі терең жазықтарға баяу ағып түседі. Оңтүстік мұхитында Антарктида құрлығынан мұздық шельфтерге соққан күшті катабатикалық желдер жаңадан пайда болған теңіз мұздарын сыртқа қарай ұшырып, Уэдделл және Росс теңіздерінде, Аделия жағалауында және Дарнли мүйісінде полиниялар ашады. Теңіз мұзының болмауынан теңіз мұзы қайтадан қалыптасады, сондықтан беткі сулар да тұзды болып, өте тығыз болады. Шындығында, теңіз мұзының қалыптасуы беткі теңіз суының тұздылығының артуына себеп болады: теңіз мұзының айналасында тұзды тұздық қалады (таза су мұздану кезінде басымдықпен қатып қояды). Тұздылығының жоғарылауы теңіз суының қату температурасын төмендетеді, сондықтан мұздың ішінде салқын тұздық сұйықтығы пайда болады. Бұл тұздық мұздың астындағы бөлігін біртіндеп ерітіп, ақырында мұздан тамшылап, суға батып кетеді. Бұл процеске тұздықтың шығарылуы (brine rejection) дейді. Нәтижесінде Антарктиканың түбіндегі сулар төмен қарай батып, солтүстікке және шығысқа қарай ағып кетеді. Ол NADW-дан тығыз, сондықтан оның астынан ағады. Уэдделл теңізінде пайда болған AABW негізінен Атлант және Үнді мұхиттарын толтырады, ал Росс теңізінде пайда болған AABW Тынық мұхитына қарай ағылады. Үнді мұхитында Атлантикадан келген суық және тұзды судың төменгі қабаты мен тропикалық Тынық мұхитының жылы және жаңа суының тік алмасуы жүзеге асырылады, бұл процесс айналым (overturning) деп аталады. Тынық мұхитында Атлантикадан келген қалған суық және тұзды су haline мәжбүрлеуге (haline forcing) ұшырайды және тез жылып, жаңарып кетеді. Суық және тұзды судың мұхит астынан ағып шығуы Атлантика теңізінің деңгейін Тынық мұхитына қарағанда сәл төмендетеді, ал Атлантикадағы тұздылық Тынық мұхитынан жоғары болады. Бұл Индонезия архипелагы арқылы тропикалық Тынық мұхитынан Үнді мұхитына жылы және жаңа судың үлкен, бірақ баяу ағымын тудырады, ол Антарктиканың түбіндегі суларын алмастырады. Бұл сондай-ақ "халиндік мәжбүрлеу" (жоғары ендіктердегі таза судың көп болуы және төмен ендіктердегі булану) деп те аталады. Тынық мұхитынан келген жылы және жаңа су Оңтүстік Атлантика арқылы Гренландияға қарай ағып, салқындап, булану салдарынан суы төмендеп, мұхит түбіне батып, үздіксіз термохалиндік айналымды қамтамасыз етеді.

Жоғарыға көтерілу

Терең сулар мұхит алаптарына батқанда, мұхит ағындарының үздіксіз араласуына байланысты тығыздығы азайып, ескі терең су массаларын ығыстырып шығарады. Осының нәтижесінде, судың бір бөлігі жоғары көтеріледі, бұл құбылыс ағын көтерілісі (upwelling) деп аталады. Оның жылдамдығы тіпті төменгі су массаларының қозғалысына қарағанда өте төмен. Сондықтан, мұхит бетіндегі желдің әсерінен туындайтын басқа да процестерді ескере отырып, ағын көтерілісі қай жерде жүзеге асатынын ағым жылдамдықтары арқылы өлшеу қиын. Терең судың өзіне тән химиялық іздері бар, олар тереңдегі ұзақ сапарлары барысында оған түсетін бөлшектердің ыдырауынан қалыптасады. Бірқатар ғалымдар осы іздерді пайдаланып, ағын көтерілісі қай жерде болатынын анықтауға тырысты. Уоллес Брокер қораптық модельдерді қолданып, терең судың көп бөлігі Солтүстік Тынық мұхитында көтерілетінін, дәлел ретінде осы сулардағы кремнийдің жоғары концентрациясын келтірді. Басқа зерттеушілер мұндай нақты дәлелдер таппады. Океан ағындарының компьютерлік модельдері терең ағын көтерілісінің көп бөлігін Оңтүстік мұхитқа орналастырады, бұл Оңтүстік Америка мен Антарктика арасындағы ашық ендіктердегі күшті желдермен байланысты. Термохалиндік ағынның күшін тікелей бағалауды Ұлыбритания мен АҚШ-тың бірлескен RAPID бағдарламасы Солтүстік Атлантикада 26,5° солтүстік ендікте жүргізді. Ол ағым өлшегіштері мен теңіз асты кабельдері арқылы теңіз тасымалының тікелей бағалауларын, температура мен тұздылық өлшеулерінен алынған геострофтық ағынның бағалауларымен біріктіре отырып, меридионалды айналымның үздіксіз, толық тереңдікті, алап бойынша кең ауқымды бағалауларын қамтамасыз етеді. Алайда, ол 2004 жылдан бері ғана жұмыс істеп келеді, ал ағынның уақыт шкаласы ғасырлармен өлшенгенде бұл мерзім тым қысқа.

Әлемдік климатқа әсері

Термохалиндік циркуляция полярлық аймақтарға жылу жеткізуде және осы аймақтардағы теңіз мұзының көлемін реттеуде маңызды рөл атқарады, бірақ тропиктерден тыс аймақтардағы жылу тасымалы атмосферада мұхиттан әлдеқайда көп. Термохалиндік циркуляциядағы өзгерістер Жердің сәулелену балансына елеулі әсер етеді деп саналады. Агасзиз көлінен түскен төмен тығыздықтағы еріген судың көп мөлшері және Солтүстік Америкадағы мұздың еруі, терең судың қалыптасуы мен шөгуінің Солтүстік Атлантиканың ең шеткі бөліктеріне ығысуына себеп болды, соның салдарынан Еуропадағы Жас Дриас деп аталатын климаттық кезең пайда болды.