ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 461, № 6, с. 710-714
ОКЕАНОЛОГИЯ
УДК 551.465
О ФОРМИРОВАНИИ НИЖНЕГО ЗВЕНА МЕРИДИОНАЛЬНОМ ТЕРМОХАЛИННОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ ВОД СЕВЕРНОЙ АТЛАНТИКИ
© 2015 г. А. С. Фалина, А. А. Сарафанов
Представлено академиком РАН Р.И. Нигматулиным 04.12.2013 г. Поступило 29.01.2014 г.
БО1: 10.7868/80869565215120178
Согласно концепции "глобального конвейера" [1], поверхностные и глубинные течения в Мировом океане формируют единую замкнутую систему циркуляции (рис. 1), посредством которой происходит крупномасштабное перераспределение тепла, соли, растворенных газов и биогенных элементов в толще океанских вод. Обеспечивая тесное взаимодействие атмосферы и верхнего слоя океана с резервуаром глубинных вод, глобальная межокеанская циркуляция представляет собой один из важнейших климатообра-зующих процессов на планете. Глубинные воды нижнего звена глобального конвейера формируются на севере Атлантики и в прилегающей части Северного Ледовитого океана. Поэтому изучение североатлантической ветви конвейера, также известной как меридиональная термохалинная циркуляция (МТЦ) вод Северной Атлантики, стало одной из приоритетных задач современной океанологии.
Вертикальная структура меридионального переноса вод всей совокупностью течений на севере Атлантического океана в первом приближении — двухслойная система противоположно направленных потоков [2]. В верхнем слое — верхнем звене МТЦ — Северо-Атлантическое течение переносит на север субтропические воды (рис. 1), поставляя к берегам Северной Европы количество тепла (до 1 • 1015 Вт), в сотни раз превышающее суммарную мощность электростанций мира (около 2 • 1012 Вт). Отдавая это тепло атмосфере в высоких широтах, североатлантические воды охлаждаются, что приводит к увеличению их плотности, и опускаются в промежуточные и глубинные слои океана. Отток сформированных таким образом холодных плотных вод из субарктической Атлантики в умеренные и низкие широты образует
Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии наук, Москва E-mail: falina_a@mail.ru
нижнее звено МТЦ (рис. 1). Перенос глубинных вод на юг в субарктической Атлантике связан главным образом с двумя пограничными течениями, берущими начало в глубоких разломах подводного хребта между Гренландией, Исландией, Великобританией (рис. 2). В результате слияния этих течений у континентального склона Гренландии формируется главное течение нижнего звена МТЦ — Западное глубинное пограничное течение (ЗГПТ), ответственное за большую часть меридионального переноса субарктических глубинных вод (рис. 2).
Классические представления об МТЦ вод Северной Атлантики содержат следующие фундаментальные положения: 1 — главные районы формирования вод нижнего звена МТЦ — море Лабрадор, Гренландское, Норвежское моря [3] (рис. 2); 2 — главный механизм трансформации вод верхнего звена МТЦ в воды ее нижнего звена — глубокая конвекция; 3 — многолетние изменения тер-мохалинных характеристик и циркуляции глубинных вод на севере Атлантики обусловлены главным образом изменениями характеристик и объемов формирования плотных арктических вод, поступающих в Атлантику из Гренландского, Норвежского морей [4, 5].
Новые сведения о динамике и термохалинном режиме вод на севере Атлантики, полученные специалистами ИО им. П.П. Ширшова РАН и Института морских исследований Франции на основе наблюдений [2, 6—8], указывают на необходимость пересмотра изложенных выше положений. Цель нашей работы — систематизировать результаты новейших исследований и представить схему формирования нижнего звена МТЦ на севере Атлантического океана, учитывающую эти результаты.
В [2] на основе данных судовых и спутниковых наблюдений выполнена количественная оценка средней многолетней интенсивности МТЦ и трансформации вод в субарктической Атлантике в 2000-х гг. В качестве вертикальной координаты при интегрировании переноса вод была исполь-
О ФОРМИРОВАНИИ НИЖНЕГО ЗВЕНА
711
Рис. 1. Схема "глобального конвейера" [1]. Черные стрелки — распространение поверхностных вод; серые пунктирные и сплошные линии — пути распространения глубинных и придонных вод соответственно; овалы — основные районы формирования глубинных и придонных вод в приатлантической части Северного Ледовитого океана, море Лабрадор, море Росса, море Уэдделла.
Датский Очаги глубокой Море Ирмингера пролив конвекции
Рис. 2. Схема, иллюстрирующая классическое представление о формировании и распространении вод нижнего звена МТЦ. Цилиндры со стрелками — очаги глубокой зимней конвекции в морях Лабрадор, Норвежское, Гренландское; сплошные стрелки — пути распространения глубинных вод арктического происхождения; пунктирные стрелки — пути распространения вод, формирующихся в море Лабрадор; ЗГПТ — Западное глубинное пограничное течение, РЧГ — разлом Чарли-Гиббса.
712
ФАЛИНА, САРАФАНОВ
зована потенциальная плотность, что позволило корректно учесть особенности термохалинной структуры и динамики вод в регионе [2]. Вклад трансформации вод в море Ирмингера (около 10 Св, 1 Св = 106 м3 • с-1) в интенсивность МТЦ значительно превосходит вклад формирования плотных вод в морях Северного Ледовитого океана (около 6 Св) и вклад глубокой конвекции в море Лабрадор (около 2 Св [9]). Установлено [2], что трансформация приповерхностных атлантических вод в холодные плотные воды нижнего звена МТЦ в море Ирмингера обусловлена постепенным охлаждением и увеличением плотности этих вод по мере их распространения на север в восточной ветви Субполярного круговорота. Этот процесс, сопровождающийся конвекцией до глубин около 500 м, известен как механизм формирования Субполярной модальной воды [2]. Достигнув моря Ирмингера, значительные объемы атлантических вод (около 10 Св) трансформируются в воды нижнего звена МТЦ, рециркулируют на юг и далее распространяются в низкие широты. Таким образом, новые количественные оценки [2] свидетельствуют о том, что один из главных механизмов формирования нижнего звена МТЦ -трансформация атлантических вод в восточной ветви Субполярного круговорота, достигающая кульминации в море Ирмингера.
Новые сведения о ключевой роли моря Ир-мингера в формировании нижнего звена МТЦ [2] согласуются с гипотезами, выдвинутыми в конце Х1Х-начале XX столетий. Идея о том, что конвекция в морях Северного Ледовитого океана не может играть определяющую роль в формировании "мощных глубинных течений, распространяющихся на юг более чем на шесть тысяч миль", впервые высказана в 1873 г. [10, с. 373]. Позднее была выдвинута гипотеза, согласно которой основной объем холодных североатлантических глубинных вод в субарктической Атлантике формируется к югу и юго-востоку от южной оконечности Гренландии [11].
Данные судовых наблюдений над циркуляцией и характеристиками вод в 1990-х-2000-х годах позволили выявить два дополнительных механизма формирования нижнего звена МТЦ [6, 7, 12, 13].
Первый механизм - проникновение аномально плотных арктических вод через Датский пролив в море Ирмингера над восточным шельфом Гренландии и последующее опускание этих вод вниз по восточному гренландскому склону к югу от пролива в районе 65°-66° с.ш. (рис. 3) [7]. Перенос плотных шельфовых вод через Датский пролив был оценен в 1 Св [7]. Это означает, что современные оценки переноса плотных арктических вод в Атлантику через Датский пролив (около 3.5 Св [14]) существенно занижены, поскольку основаны на измерениях в глубоком канале про-
лива и не учитывают перенос плотных вод на шельфе. Установлено, что в море Ирмингера плотные арктические шельфовые воды смешиваются с атлантическими водами и опускаются в промежуточные и глубинные слои океана. Опускание (каскадинг) плотных шельфовых вод в море Ирмингера влияет на термохалинные характеристики вод нижнего звена МТЦ и приводит к увеличению переноса глубинных вод в ЗГПТ. Вклад каскадинга шельфовых вод на севере моря Ирмингера в расход ЗГПТ на 60° с.ш. может достигать 25% от этого расхода [7].
Второй механизм - глубокая зимняя конвекция в море Ирмингера, вызванная охлаждением поверхностных вод под воздействием холодных восточно-гренландских стоковых ветров [6, 12]. Установлено, что в периоды усиленного западного атмосферного переноса над субарктической Атлантикой (например, в первой половине 1990-х гг. и зимой 2007-2008 гг.) конвекция в море Ир-мингера может достигать глубин более 1000 м [6, 13].
В целом результаты новейших исследований [2, 6, 7, 12, 13] указывают на то, что охлаждение приповерхностных вод на северо-востоке Атлантики, каскадинг шельфовых вод и глубокая конвекция в море Ирмингера вносят существенный совокупный вклад в меридиональную циркуляцию вод. В 2000-х гг. интенсивность формирования вод нижнего звена МТЦ в море Ирмингера составляла в среднем около 10 Св [2], т.е. более 50% от средней интенсивности МТЦ в субтропиках (около 18 Св на 26° с.ш. [15]).
Следовательно, трансформация теплых вод верхнего звена МТЦ в холодные плотные воды ее нижнего звена представляет собой значительно более сложный, чем это считали ранее, комплексный процесс, обусловленный рядом выявленных с помощью наблюдений механизмов. Роль трех таких механизмов - трансформации атлантических вод в восточной ветви Субполярного круговорота, глубокой конвекции и каскадинга шель-фовых вод в море Ирмингера — до недавнего времени была сильно недооценена. Относительный количественный вклад каждого из этих механизмов в формирование плотных субарктических вод остается предметом исследований, однако ясно, что парадигма доминирующей роли конвекции в море Лабрадор и арктических морях в меридиональной циркуляции вод Атлантики (рис. 1, 2) требует пересмотра.
Результаты новейших исследований также привели к пересмотру представлений о роли Гренландского и Норвежского морей в генерации глубоководной изменчивости на севере Атлантического океана. Ранее считали, что температура, соленость, интенсивность циркуляции глубинных вод в нижнем звене МТЦ зависят главным образом от термохалинных характеристик и объемов
О ФОРМИРОВАНИИ НИЖНЕГО ЗВЕНА
713
Рис. 3. Схема формирования нижнего звена МТЦ, учитывающая результаты новейших исследований. Цифры — механи
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.