Введение
Термохалинная циркуляция (ТХК) является частью крупномасштабной циркуляции океана, обусловленной глобальными градиентами плотности, создаваемыми поверхностными тепловыми и пресноводными потоками. Прилагательное «термохалинный» происходит от «термо», относящегося к температуре, и «халин», относящегося к солености – факторов, которые в совокупности определяют плотность морской воды. Поверхностные течения, движимые ветром (например, Гольфстрим), перемещаются к полюсам от экваториальной части Атлантического океана, охлаждаясь по пути и в конечном итоге опускаясь на дно в высоких широтах (формируя Североатлантическую глубоководную массу). Эта плотная вода затем поступает в океанские бассейны. В результате происходит интенсивное перемешивание между океанскими бассейнами, уменьшающее различия между ними и превращающее океаны Земли в единую глобальную систему. Вода в этих контурах переносит как энергию (в виде тепла), так и массу (растворенные твердые вещества и газы) по всему земному шару. Следовательно, состояние циркуляции оказывает значительное влияние на климат Земли. Термохалинную циркуляцию иногда называют «океанским конвейером», «великим океанским конвейером» или «глобальным конвейером» – термин, введенный климатологом Уоллесом Смитом Брокером. Ее также называют меридиональной опрокидывающейся циркуляцией (MOC). Это название используется, поскольку не каждая схема циркуляции, вызванная градиентами температуры и солености, обязательно является частью единой глобальной циркуляции. Кроме того, сложно отделить части циркуляции, обусловленные исключительно температурой и соленостью, от тех, которые обусловлены другими факторами, такими как ветер и приливные силы. Эта глобальная циркуляция имеет две основные ветви: Атлантическая меридиональная опрокидывающаяся циркуляция (AMOC), сосредоточенная в северной части Атлантического океана, и циркуляция Южного океана или Южная океаническая меридиональная циркуляция (SMOC), вокруг Антарктиды. Поскольку 90% населения Земли проживает в Северном полушарии, AMOC изучена гораздо лучше, но обе они имеют решающее значение для глобального климата. Обе они, по-видимому, замедляются из-за изменения климата, поскольку таяние ледяных щитов разбавляет соленые потоки, такие как антарктические придонные воды. Любая из них может полностью остановиться, перейдя в гораздо более слабое состояние, что станет примером переломных точек в климатической системе. Полушарие, на котором произойдет коллапс циркуляции, будет испытывать меньше осадков и станет более сухим, в то время как другое полушарие станет более влажным. Морские экосистемы, вероятно, также будут получать меньше питательных веществ и подвергаться большему обескислению океана. В Северном полушарии коллапс AMOC также значительно снизит температуру во многих европейских странах, в то время как восточное побережье Северной Америки будет испытывать ускоренное повышение уровня моря. Считается, что коллапс любой из циркуляций произойдет не ранее, чем через столетие, и может произойти только при значительном потеплении, но эти прогнозы сопряжены с большой неопределенностью.
Thermohaline circulation (THC) is a part of the large scale ocean circulation that is driven by global density gradients created by surface heat and freshwater fluxes. The adjective thermohaline derives from thermo referring to temperature and haline referring to salt content, factors which together determine the density of sea water. Wind driven surface currents (such as the Gulf Stream) travel polewards from the equatorial Atlantic Ocean, cooling en route, and eventually sinking at high latitudes (forming North Atlantic Deep Water). This dense water then flows into the ocean basins. Extensive mixing therefore takes place between the ocean basins, reducing differences between them and making the Earth's oceans a global system. The water in these circuits transport both energy (in the form of heat) and mass (dissolved solids and gases) around the globe. As such, the state of the circulation has a large impact on the climate of the Earth. The thermohaline circulation is sometimes called the ocean conveyor belt, the great ocean conveyor, or the global conveyor belt, coined by climate scientist Wallace Smith Broecker. It is also referred to as the meridional overturning circulation, or MOC. This name is used because not every circulation pattern caused by temperature and salinity gradients is necessarily part of a single global circulation. Further, it is difficult to separate the parts of the circulation driven by temperature and salinity alone from those driven by other factors, such as the wind and tidal forces. This global circulation has two major limbs Atlantic meridional overturning circulation (AMOC), centered in the north Atlantic Ocean, and Southern Ocean overturning circulation or Southern Ocean meridional circulation (SMOC), around Antarctica. Because 90% of the human population lives in the Northern Hemisphere, the AMOC has been far better studied, but both are very important for the global climate. Both of them also appear to be slowing down due to climate change, as the melting of the ice sheets dilutes salty flows such as the Antarctic bottom water. Either one could outright collapse to a much weaker state, which would be an example of tipping points in the climate system. The hemisphere which experiences the collapse of its circulation would experience less precipitation and become drier, while the other hemisphere would become wetter. Marine ecosystems are also likely to receive fewer nutrients and experience greater ocean deoxygenation. In the Northern Hemisphere, AMOC's collapse would also substantially lower the temperatures in many European countries, while the east coast of North America would experience accelerated sea level rise. The collapse of either circulation is generally believed to be more than a century away and may only occur under high warming, but there is a lot of uncertainty about these projections.
История исследований
Давно известно, что ветер может приводить в движение океанские течения, но только у поверхности. В XIX веке некоторые океанографы предположили, что конвекция тепла может вызывать более глубокие течения. В 1908 году Йохан Сандстрём провёл серию экспериментов на морской исследовательской станции Борнё, которые доказали существование течений, обусловленных передачей тепловой энергии, но показали, что для их возникновения необходимо, чтобы "нагрев происходил на большей глубине, чем охлаждение". Это смешение обеспечивает конвекцию между слоями океана и, следовательно, существование глубоководных течений. В 1920-х годах концепция Сандстрёма была расширена с учётом роли солёности в формировании океанических слоёв. Более того, если пресная вода достигает максимальной плотности при 4 °C, то солёная вода становится плотнее по мере охлаждения, вплоть до точки замерзания. Эта точка замерзания также ниже, чем у пресной воды, из-за содержания соли, и может опускаться ниже −2 °C в зависимости от солёности и давления.
Структура
Эти различия в плотности, вызванные температурой и соленостью, в конечном итоге разделяют океанскую воду на отдельные водные массы, такие как Североатлантическая глубоководная масса (NADW) и Антарктическая придонная вода (AABW). Эти две воды являются основными движущими силами циркуляции, которая была установлена в 1960 году Генри Стоммелем и Арнольдом Б. Аронсом. Они обладают химическими, температурными и изотопными характеристиками (например, соотношением 231Pa/230Th), которые можно проследить, вычислить скорость течения и определить возраст. NADW формируется, поскольку Северная Атлантика – редкое место в океане, где осадки, добавляющие пресную воду и снижающие соленость, компенсируются испарением, отчасти из-за сильных ветров. При испарении вода оставляет соль, поэтому поверхностные воды Северной Атлантики особенно соленые. Северная Атлантика – изначально холодный регион, а испарительное охлаждение еще больше снижает температуру воды. Таким образом, эта вода опускается в Норвежское море, заполняет бассейн Северного Ледовитого океана и вытекает на юг через Гренландско-Шотландский хребет – разломы в подводных порогах, соединяющих Гренландию, Исландию и Великобританию. Она не может течь в Тихий океан из-за узкой мелководья Берингова пролива, но медленно поступает в глубокие абиссальные равнины южной Атлантики. В Южном океане сильные катабатические ветры, дующие с Антарктического континента на ледяные шельфы, уносят новообразовавшийся морской лед, образуя полиньи в таких местах, как моря Уэдделла и Росса, у побережья Адели и мыса Дарнли. Тем временем морской лед начинает восстанавливаться, поэтому поверхностные воды также становятся более солеными и, следовательно, очень плотными. Фактически, образование морского льда способствует увеличению солености поверхностных вод: соленый рассол остается, когда вокруг него формируется морской лед (чистая вода замерзает в первую очередь). Увеличение солености понижает температуру замерзания морской воды, поэтому в ледяной структуре образуется холодный жидкий рассол. Рассол постепенно плавит лед под ним, в конечном итоге вытекая из ледяной матрицы и опускаясь. Этот процесс известен как отторжение рассола. Образующаяся антарктическая придонная вода опускается и течет на север и восток. Она плотнее NADW и поэтому течет под ней. AABW, формирующаяся в море Уэдделла, в основном заполняет бассейны Атлантического и Индийского океанов, в то время как AABW, формирующаяся в море Росса, течет в Тихий океан. В Индийском океане происходит вертикальный обмен нижнего слоя холодной и соленой воды из Атлантики и более теплой и пресной воды верхнего океана из тропической части Тихого океана, что известно как перенос. В Тихом океане остальная часть холодной и соленой воды из Атлантики подвергается галинному форсированию и быстрее становится теплее и преснее. Вытекающий поток холодной и соленой воды делает уровень моря в Атлантике немного ниже, чем в Тихом океане, а соленость воды в Атлантике выше, чем в Тихом океане. Это создает большой, но медленный поток более теплой и пресной воды из тропической части Тихого океана в Индийский океан через Индонезийский архипелаг, чтобы заменить холодную и соленую антарктическую придонную воду. Это также известно как «галинное форсирование» (чистый приток пресной воды на высоких широтах и испарение на низких широтах). Эта теплая, пресная вода из Тихого океана поднимается через Южную Атлантику к Гренландии, где остывает и подвергается испарительному охлаждению, а затем опускается на дно океана, обеспечивая непрерывную термохалинную циркуляцию.
Вверх
По мере того, как глубокие воды опускаются в океанические бассейны, они вытесняют более старые глубоководные массы, которые постепенно становятся менее плотными из-за продолжающегося перемешивания океана. Таким образом, часть воды поднимается вверх, в процессе, известном как апвеллинг. Его скорости крайне медленны даже по сравнению с движением придонных водных масс. Поэтому сложно определить места апвеллинга, измеряя скорости течений, учитывая все остальные ветровые процессы, происходящие в поверхностном океане. Глубокие воды обладают уникальной химической сигнатурой, формирующейся в результате разложения оседающих в них частиц в течение их долгого пути на глубине. Ряд ученых пытались использовать эти трассеры для определения мест возникновения апвеллинга. Уоллес Брокер, используя ящичные модели, утверждал, что большая часть глубоководного апвеллинга происходит в северной части Тихого океана, основываясь на высоких концентрациях кремния, обнаруженных в этих водах. Другие исследователи не обнаружили столь явных доказательств. Компьютерные модели океанической циркуляции все чаще указывают на то, что большая часть глубоководного апвеллинга происходит в Южном океане, в связи с сильными ветрами в открытых широтах между Южной Америкой и Антарктидой. Прямые оценки интенсивности термохалинной циркуляции также были получены в 26,5°N в Северной Атлантике в рамках программы RAPID, реализуемой Великобританией и США. Она объединяет прямые оценки океанского переноса, полученные с помощью измерителей течений и подводных кабельных измерений, с оценками геострофического течения, основанными на измерениях температуры и солености, для обеспечения непрерывных, полноглубинных, бассейновых оценок меридиональной опрокидывающейся циркуляции. Однако она работает только с 2004 года, что является слишком коротким периодом, если учитывать, что временной масштаб циркуляции исчисляется столетиями.
Влияние на глобальный климат
Термохалиновая циркуляция играет важную роль в доставке тепла в полярные регионы и, следовательно, в регулировании количества морского льда в этих регионах, хотя перенос тепла к полюсам за пределами тропиков в атмосфере значительно больше, чем в океане. Изменения в термохалиновой циркуляции, как полагают, оказывают существенное влияние на радиационный бюджет Земли. Считается, что крупные притоки талой воды низкой плотности из озера Агассиз и дегляциация в Северной Америке привели к смещению областей формирования и опускания глубоких вод в северной части Атлантического океана и вызвали климатический период в Европе, известный как Поздний дриас.