Предположения о том, что Гольфстрим — тёплое океаническое течение, поддерживающее мягкий климат Европы, — ослабевает, появились более десяти лет назад.

Рис. 1. Схема Атлантического меридионального течения: поверхностная часть течения обозначена сплошными линиями, глубоководная — пунктирными. Цвет линий отвечает приблизительной температуре воды. Рисунок: R. Curry, Woods Hole Oceanographic Institution/Science/USGCRP/ Wikimedia Commons/CC BY 3.0.

Рис. 2. Меридиональная функция тока (значения приведены в Св) в Атлантике, осреднённая за 1980—2014 годы по данным модели климата INM-CM5-0, разработанной в Институте вычислительной математики им. Г. И. Марчука РАН. (Модель участвует в Международном проекте сравнения климатиче-ских моделей CMIP — Coupled Model Intercomparison Project.) Стрелками обозначены направления течений. Рисунок Евгения Володина.

Рис. 3. Интенсивность АМОС (Св) в 1850—2014 годы (зелёная линия) и её вероятное дальнейшее изменение до 2100 года (красная линия), по данным модели климата INM-CM5-0. Рисунок Евгения Володина.

Рис. 4. Вероятное изменение температуры в 2081—2100 годах по сравнению с 1981—2000 годами, по данным модели климата INM-CM5-0. Рисунок Евгения Володина.

В марте нынешнего года в журнале «Nature Geoscience» вышла статья* группы исследователей из Германии, Великобритании и Ирландии, в которой приводятся новые данные о том, что Гольфстрим замедляется, и это может привести или уже приводит к понижению температуры в Северной Атлантике и Европе. Насколько такие опасения обоснованы? Основная мысль статьи сформулирована уже в заголовке: Атлантическая меридиональная циркуляция (Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC) в последние годы слабее, чем когда-либо ещё в течение последних 1600 лет. Такой вывод авторы делают на основе реконструкции различных параметров морской воды и морской экосистемы в североатлантическом регионе, проанализировав различные фактические данные: изотопный состав кораллов и донных отложений, результаты гранулометрического анализа, состав планктона, химический состав ледовых кернов Гренландии и кольца произрастающих в регионе деревьев. Чтобы понять, почему данное утверждение представляет большой интерес, разберёмся, что такое AMOC и как с ней связан Гольфстрим.

Гольфстрим в узком смысле — это течение шириной 70—100 км, огибающее полуостров Флорида с востока, затем уходящее дальше на восток от американского берега у мыса Хаттерас примерно на 36° с. ш. и достигающее Ньюфаундлендской банки — обширной отмели в Атлантическом океане у острова Ньюфаундленд. Дальше течение разветвляется. Часть поворачивает на юг и возвращается в тропики, а несколько ветвей в виде тёплых течений доходят до окрестностей Скандинавии, Исландии и Гренландии (рис. 1). Атлантические тёплые течения проникают и дальше на север, в Баренцево море, огибают Шпицберген и распространяются в более удалённые районы Северного Ледовитого океана. В широком смысле Гольфстримом называют всю систему тёплых течений Северной Атлантики. Расход Гольфстрима после отрыва от американского берега составляет более 100 Св (Св — свердруп, 1 Св = 10⁶ м³/с), но расход тёплых течений, попадающих в Баренцево море и огибающих Шпицберген с запада, составляет лишь величину от одного до нескольких свердрупов. Скорость тёплых течений максимальна в верхних нескольких сотнях метров океана, а затем уменьшается с глубиной или даже меняется на скорость противоположного направления.

Атлантической меридиональной циркуляцией называют течения Атлантического океана, осреднённые вдоль долготы. AMOC принято визуализировать в виде меридиональной функции тока (см. рис. 2). Течения направлены вдоль линий функции тока так, чтобы б?льшие значения были справа, а меньшие слева, если смотреть по течению. Мы видим, что в верхних примерно 600 метрах толщи воды осреднённые вдоль долготы течения Атлантики направлены с юга на север, на севере Атлантики происходит опускание воды, и на глубинах более 1000 м осреднённый вдоль долготы поток направлен с севера на юг. Максимальный расход, равный примерно 18 Св, имеет место на 20—30° с. ш. Максимум функции тока расположен на глубине 600—1000 м. Гольфстрим — это часть направленного на север потока в верхнем слое океана, однако он частично компенсируется потоком на юг в центральной и восточной части Атлантики.

Представленная на рис. 2 функция тока — результат численного моделирования. Непосредственно измерить AMOC во всей Атлантике сейчас не представляется возможным. Причина в том, что результирующий поток на север в верхнем слое и поток на юг в нижнем слое океана складываются из весьма изменчивых в пространстве и во времени разнонаправленных потоков, поэтому измерения должны проводиться достаточно часто как в пространстве, так и во времени, а это пока технически невозможно. В настоящий момент регулярные измерения, позволяющие вычислить меридиональную функцию тока, проводятся лишь на одной широте, а именно на 26° с. ш., там, где на рис. 2 виден максимум**. Назовём интенсивностью AMOC величину максимума меридиональной функции тока. По данным климатической модели, это около 18 Св. Данные наблюдений при осреднении за весь доступный период наблюдений с 2004 по 2018 год дают близкое значение около 17 Св.

Почему же так важно измерять и вычислять интенсивность AMOC и её изменения во времени? Поток воды на север приносит в Северную Атлантику более тёплую воду с юга, а обратный поток в глубине уносит более холодную воду, отдавшую значительное количество тепла атмосфере. Здесь, собственно, тоже не всё так просто. Как показала в своей статье, опубликованной в 2015 году в журнале «Progress in Oceanography», группа океанографов из Великобритании и США, почти всё тепло переносит сам Гольфстрим***. В среднем поток тепла, переносимый Гольфстримом на север, составляет на 26° с. ш. 2,5 ПВт (1 ПВт = 10¹⁵ Вт). Этот поток частично компенсируется обратным потоком тепла в центральной и восточной части Атлантики, который составляет в среднем около 1,8 ПВт. Ещё примерно 0,55 ПВт составляет поток тепла, переносимый экмановскими течениями верхнего слоя и мелкомасштабными течениями. Итого в сумме получается 1,25 ПВт. Это тот поток тепла, который переносит AMOC на север. Так происходит только в Атлантике, другие океаны переносят к полюсам гораздо меньше тепла, поэтому вода в Северной Атлантике заметно теплее, чем вода в Тихом океане на той же широте или вода Южного океана на тех же градусах южной широты. От воды нагревается и воздух. Учитывая преобладание западных ветров в умеренных широтах, климат Европы тоже заметно теплее, чем Азии и Северной Америки на той же широте.

Есть опасение, что значительное замедление AMOC может привести к похолоданию в Северной Атлантике, Европе, да и во всём Северном полушарии в целом. Такие события неоднократно случались в прошлом. Так, во время последнего ледникового периода 20—110 тыс. лет назад время от времени от Северо-Американского ледника откалывались большие айсберги и, тая в Северной Атлантике, распресняли её. Поверхностная вода становилась более лёгкой, её опускание затруднялось или прекращалось, это приводило к значительному ослаблению AMOC, а значит и к существенным похолоданиям во всём Северном полушарии. Последнее событие такого рода произошло примерно 11 700—12 900 лет назад и было связано с таянием Северо-Американского ледового щита, когда огромное количество пресной воды, скопившейся в озёрах, наконец прорвалось в Северную Атлантику. Это событие также привело к значительному похолоданию во всём Северном полушарии. Поэтому данные о том, что AMOC уменьшается и уже несколько десятилетий слабее, чем когда-либо в последние 1600 лет, не могут не настораживать. Насколько сильно уменьшилась AMOC по сравнению с предшествующим периодом? Какова вероятная причина такого уменьшения? Привело ли это вместо глобального потепления к похолоданию, например, в Северной Атлантике и Европе? Могут ли такие явления произойти в будущем? Попытаемся ответить на эти вопросы.

Мы видим, что и по данным наблюдений, и по данным климатических моделей современная интенсивность АМОС, то есть максимум меридиональной функции тока на рис. 2, составляет примерно 17—18 Св. Насколько же это значение меньше, чем, скажем, тысячу лет назад? Точного ответа на такой вопрос, конечно, нет, ведь тысячу лет назад AMOC никто не измерял и её интенсивность можно оценить только по косвенным данным. Например, считая известным, что Северная Атлантика теплее других океанов на той же широте из-за переноса тепла на север AMOC примерно на 10°. А изменения температуры, за которые ответственно изменение AMOC в последние десятилетия, составляют 0,5—1°. Исходя из этой пропорции, можно предположить, что интенсивность AMOC уменьшилась к настоящему моменту на 5—10%. Небольшое снижение интенсивности AMOC можно видеть даже по данным наблюдений на 26° с. ш. за 2004—2018 годы, хотя оно и замаскировано естественными колебаниями. Из-за чего же это произошло? Авторы статьи в журнале «Nature Geoscience» считают, что основная причина — глобальное потепление, вызванное деятельностью человечества. И в этом случае в ближайшие десятилетия нас ждёт дальнейшее уменьшение интенсивности AMOC.

Так ли это? Чтобы ответить на этот вопрос, надо оценить, насколько изменилась интенсивность AMOC к настоящему моменту благодаря антропогенным воздействиям. В этом нам поможет проведённый сотрудниками Института вычислительной математики им. Г. И. Марчука РАН численный эксперимент с климатиче-ской моделью INM-CM5-0 по воспроизведению изменений климата в 1850—2014 годах (см. рис. 3). В эксперименте учтены все известные воздействия на климатическую систему, как антропогенные (увеличение концентраций парниковых газов, изменение концентраций или эмиссий антропогенных аэрозолей), так и естественные (извержения вулканов, небольшие изменения солнечного излучения, наблюдавшиеся в этот период, и т. д.). Его результаты показывают, что интенсивность AMOC к началу XXI века по сравнению с серединой XIX века уменьшилась как раз на 5—10%.

Привело ли такое уменьшение к фактическому похолоданию в Северной Атлантике? Нет, это привело всего лишь к тому, что в Северной Атлантике теплело несколько меньше, чем в других регионах, так как результат от замедления AMOC нивелировался потеплением. Сравнение имеющихся данных наблюдений показывает, что практически везде в Северной Атлантике в 1955—2015 годах происходило потепление. Это подтверждается и в Пятом оценочном докладе международной группы экспертов по изменению климата, где сделан вывод, что как температура поверхности, так и теплосодержание верхнего 700-метрового слоя воды в последние десятилетия возрастали. А данные реконструкции температуры по-верхности за последние 2900 лет показывают, что Северная Атлантика в последние два десятилетия теплее, чем когда-либо.

Что же нас ожидает в относительно недалёком будущем, скажем, до конца XXI века? Ответ на этот вопрос, конечно, зависит от того, по какому пути пойдёт человечество. Если предположить дальнейший рост антропогенных эмиссий парниковых газов и связанное с этим развитие глобального потепления, то можно ожидать и дальнейшего уменьшения интенсивности АМОС. По данным климатической модели INM-CM5-0, к концу XXI века интенсивность AMOC может снизиться до 12—13 Св вместо 17 Св в начале столетия. Аналогичные прогнозы уменьшения интенсивности AMOC дают и другие климатические модели. Дополнительные численные эксперименты показывают, что основная причина уменьшения интенсивности AMOC в данном случае — уменьшение охлаждения атлантической воды в умеренных широтах из-за глобального потепления, а поток пресной воды вследствие таяния гренландского и морского арктического льда, а также увеличения осадков играют вторичную роль. Интенсивность Гольфстрима тоже уменьшится к концу XXI века на 20—30%. Глобальное повышение температуры составит 3—4 градуса. Что же произойдёт с температурой в Северной Атлантике и Европе? Она тоже повысится, просто это повышение будет несколько меньше, чем если бы AMOC осталась такой же интенсивной (рис. 4). В Северной Атлантике, согласно климатической модели, потеплеет на 2—3°, в Европе на 3—5°.

Почему же в прошлом изменения интенсивности AMOC приводили к существенным изменениям климата, а в ближайшем будущем такого не ожидается? Большинство прошлых эпизодов изменения интенсивности AMOC, в частности, во время ледниковых периодов, были вызваны очень большими изменениями баланса пресной воды в Северной Атлантике. Сейчас, во время межледниковья, таких больших изменений баланса пресной воды не ожидается. В прошлых межледниковьях изменения баланса пресной воды тоже были существенно меньше по величине, чем в ледниковые периоды. В современную эпоху основная ожидаемая причина изменения интенсивности AMOC — изменение баланса тепла на поверхности при глобальном потеплении, которое AMOC может лишь частично компенсировать.

В гидродинамике функцией тока для жидкости называют функцию двух переменных (координат) ψ (х, у), производные которой равны проекциям скорости потока на выбранные оси координат. Математически это выражается так:

В качестве у можно, например, взять глубину, а в качестве х — широту или долготу. Эта функция обладает важным свой-ством: линии её постоянного значения для установившегося потока совпадают с линиями тока, вдоль которых движутся частицы жидкости. Поэтому, построив такие линии для разных значений ψ, подобно тому, как на географических картах строят линии через точки с одинаковой высотой, можно получить картину движения жидкости в плоскости (х, у). Разница значений функции тока между двумя линиями тока определяет секундный расход жидкости в соответствующем месте.

***

Экмановские течения — течения в поверхностном слое океанской воды, изменяющие направление под действием силы Кориолиса. Названы по имени шведского океанолога Вагна Экмана.

Комментарии к статье

* L. Caesar, G. D. McCarthy, et al. Current Atlantic Meridional Overturning Circulation weakest in last millennium // Nature Geoscience, volume 14, pages 118—120 (2021).

** Измерения проводятся с 2004 года, результаты измерений доступны на сайте https://rapid.ac.uk/.

*** McCarthy G. et al. Measuring the Atlantic Meridional Overturning Circulation. // Progress in Oceanography, Volume 130, January 2015, Pages 91—111.

№6, 2021