УДК 551.465.41:551.326.7(98)
Влияние плотностной стратификации на тепловой баланс разводий и таяние многолетних льдов в Центральной Арктике
П. Н. Головин*, В. В. Иванов*
Анализируются ледовые условия и данные наблюдений за таянием многолетних льдов в Арктическом бассейне, полученные на дрейфующих станциях СП-31 (1990 г.) и "SHEBA" (1998 г.). Рассматриваются внешние и внутренние причины таяния многолетних льдов, в частности, так называемый эффект стратификации. Предполагается, что действие обратной связи между таянием многолетних льдов и площадью свободной ото льда воды, усиленное эффектом стратификации, привело к быстрому уменьшению площади многолетних льдов в канадской части Арктики в 1990-х годах.
Ключевые слова: многолетние льды, Арктический бассейн, сокращение площади ледяного покрова, плотностная стратификация, разводья, таяние льда.
Введение
В последние 20 лет в Северном Ледовитом океане наблюдается беспрецедентное сокращение площади ледяного покрова в летний период [2, 10, 24], вызванное постепенным уменьшением объема многолетних льдов в Арктическом бассейне. Согласно данным работы [15], сокращение площади, занятой многолетним льдом, между 1978 и 1998 гг. составило 28%, тогда как средняя толщина льда в массивах многолетних льдов к началу 2000-х годов по сравнению с наблюдавшейся в 1960—1970-х годах уменьшилась на 1—1,5 м [22]. Интервал времени, в течение которого произошло уменьшение толщины многолетнего льда на панарктическом масштабе, оценивается в 20—30 лет, что обусловлено дискретностью имеющихся данных наблюдений за толщиной льда [22]. Однако по результатам измерений в отдельных районах Арктического бассейна можно предположить, что промежуток времени, в течение которого уменьшение толщины льда происходило особенно интенсивно, значительно короче.
Так, при проведении эксперимента SHEBA в 1997—1998 гг. в области крупномасштабного антициклонического круговорота в канадской Арктике (рис. 1) [21] было установлено, что средняя толщина многолетних льдов не превышает 1,2—1,5 м, в то время как при наблюдениях на дрейфующей станции "AГОJEX" в 1975—1976 гг. примерно в этом же районе она составляла 2—3 м и была наибольшей в Арктическом бассейне [17]. По данным наблюдений на российской станции "Северный Полюс-31" (СП-31), дрейфовавшей в канадском круговороте в 1989—1991 гг. западнее, чем станция '^НЕВА" (рис. 1), толщина мно-
* Арктический и антарктический научно-исследовательский институт; e-mail: golovin@ aari.ru.
180
о
Рис. 1. Карта дрейфа российской станции СП-31 в 1990 г. и ледовой станции '^НБВА" в 1998 г. в период проведения наблюдений на летних разводьях.
Линией 1 отмечена минимальная граница многолетних льдов в летний период 1990 г.; заливкой 2 представлена минимальная граница многолетних льдов в летний период 2012 г.
голетних паковых льдов также составляла ~2—3 м [4]. Можно предположить, что резкое уменьшение толщины и площади многолетних льдов в Арктическом бассейне началось на рубеже 1990-х годов.
С начала 1990-х годов также отмечается ускоренное повышение средней приземной температуры воздуха в Арктике [14], являющееся климатически значимым процессом. Возникает вопрос, можно ли объяснить быстрое таяние многолетних льдов только глобальным потеплением, т. е. повышением приземной температуры воздуха?
Среди других вероятных причин уменьшения площади многолетних льдов в Арктическом бассейне в 1990-е годы называется их вынос через пролив Фрама [16]. В 2000-е годы процесс выноса льда интенсифицировался в результате увеличения повторяемости благоприятной синоптической ситуации над Арктическим бассейном — так называемого арктического диполя [25]. Не умаляя роли указанных внешних факторов в произошедших изменениях морфологической и возрастной структуры арктического ледяного покрова, в представленной статье анализируется гипотеза о возможном влиянии на ускоренное таяние льда внутренних факторов, значение которых возрастает по мере уменьшения сплоченности льда и его толщины.
Возможно, одним из таких внутренних факторов, который приводит к дополнительному таянию льда как сбоку, так и снизу (особенно в массивах многолетних льдов), является так называемый эффект стратификации. Предположе-
ние строится на основе данных детальных наблюдений летом на арктических разводьях, проведенных на дрейфующих станциях СП-29 и СП-31 [4, 5]. Эффект стратификации — это эффект влияния плотностной стратификации на дополнительный прогрев распресненного слоя воды в разводьях в центральной части Арктического бассейна. Он связан с мощнейшим хало-пикноклином, отделяющим распресненный слой воды от подстилающих соленых вод верхнего перемешанного слоя. Тонкий (от десятков сантиметров до нескольких метров) распресненный слой формируется в разводьях между полями многолетних льдов в результате таяния снега и льда в летний период. Величина вертикального градиента плотности в хало-пикноклине в 10—12 раз превышает типичные значения, наблюдаемые в летнем сезонном пикноклине, отделяющем верхний перемешанный слой воды от промежуточных вод. Распресненный слой воды в разводьях оказывается изолированным от подстилающих холодных вод, что вызывает дополнительную аккумуляцию проникающей солнечной радиации и больший его прогрев. Накопленное тепло в разводье способно при благоприятных условиях значительно повысить эффективность таяния льда сбоку и снизу. Примеры действия этого механизма таяния приведены в ряде исследований.
На ледовой дрейфующей станции '^НЕВА" в 1998 г. было зарегистрировано значительное (на 75 см) уменьшение толщины льда в течение годового цикла. При этом в летний период наблюдалось сильное таяние на нижней поверхности льда (~60 см) [21]. Среди возможных причин усиления таяния льда снизу называется значительное поступление талой воды в подледный слой через протаявшие насквозь снежницы, которые сильно деформируют тонкий ледяной покров в конце летнего таяния [13]. По данным наблюдений в районе станции '^НЕВА", снежницы занимали до 20% поверхности полей многолетнего льда [20]. Предполагается, что феномен интенсивного таяния льда снизу обусловлен увеличением сроков летнего таяния и влиянием прогрева верхнего слоя воды за пределами ледяного массива [21]. В 1990-е годы наблюдалось увеличение пространства открытой воды в канадском секторе Арктики в летний период при одновременном уменьшении солености и увеличении температуры в верхнем перемешанном слое [17]. Указанные объяснения связывают усиление таяния льда снизу с увеличением распреснения подледного слоя, температура которого становится выше. Однако вопрос о том, как сильно влияют устойчивая стратификация хало-пикноклина, отделяющего распресненный слой в разводьях, и стратификация самого распресненного слоя на его дополнительный прогрев, специально не исследовался.
В настоящей статье рассматривается возможность недооценки влияния вертикальной плотностной стратификации на эффективность прогрева верхнего распресненного слоя воды в разводьях между массивами многолетних льдов и представляется количественная оценка этого влияния (на основе данных наблюдений на разводьях).
Наблюдения на летних разводьях
Начало летнего сезона в Центральной Арктике характеризуется уменьшением сплоченности ледяного покрова и активным образованием разводий [7, 9]. Исследования термохалинной структуры разводий, проведенные на дрейфующих станциях, показали, что при таянии снега и льда талые воды образуют в разводьях между полями многолетних льдов приповерхностный распресненный слой
[1, 4, 11, 20, 23]. Перепады температуры и солености на границе распресненного слоя с солеными и холодными подстилающими водами достигают АТ = 2—4°С и ДО = 25—30 е. п. с. соответственно. В результате создается мощнейший пикноклин, который поддерживается распреснением воды при таянии льда в течение всего летнего периода. Плотностная устойчивость в основном обеспечивается соленостью, но и температура вносит свой положительный вклад.
Для более детального анализа рассмотрим некоторые результаты натурного эксперимента на разводье в массиве многолетних паковых льдов в море Бофорта, полученные на российской дрейфующей станции СП-31 летом 1990 г. [4]. Этот эксперимент является наиболее полным и продолжительным (около 4 мес). В число основных видов наблюдений входили регулярные (каждые 1—3 сут в зависимости от метеоусловий) измерения температуры и солености в фиксированной точке разводья и гидрологические разрезы поперек разводья. Попутно выполнялся комплекс визуальных метеорологических, оптических и ледовых наблюдений. На метеостанции, находившейся рядом с разводьем, регулярно выполнялся комплекс инструментальных метеорологических и акти-нометрических измерений. Кроме того, регулярно измеряли высоту волнения и толщину молодого льда на разводье (при его наличии), толщину края многолетнего льда в разводье и морфометрические характеристики края льда (ширину и толщину уступов и карнизов) в точке наблюдений. Периодически производили попутные термохалинные и морфометрические измерения в снежницах, а также измерения солености образовавшегося поверхностного и внутриводного льда в разводье. Постоянно с малой временной дискретностью определяли скорость и направление дрейфа льда. Описание эксперимента и анализ результатов различных наблюдений и измерений приведены в работах [4, 6]. Временные ряды измеренных характеристик в течение летнего сезона 1990 г. представлены на рис. 2 и 3. Баланс коротковолновой радиации на поверхности разводья рассчитывался по формуле ВК = (Б + Sr) - Я, где Б и Sr — соответственно прямая и рассеянная солнечная радиация, приходящие на поверхность разводья; Я — отраженная солнечная радиация. Величина Я определялась исходя из того, что альбедо морской воды в разводье =0,08, а альбедо молодого льда =0,12—0,14 [7].
Анализировались данные натурных наблюдений на разводьях на многих российских дрейфующих станциях [4]. На основе этого анализа в зависимости от метеорологических и радиационных условий в пространственной термоха-линной эволюции приповерхностного слоя летних разводий в массивах многолетних льдов были выделе
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.