Климат и ледяной покров полярных океанов

 

До сих пор в этой главе мы гораздо больше внимания уделяли полярным океанам, чем полярной атмосфере. Однако полярные исследователи давно заметили, что в областях, покрытых паковым льдом, происходят такие изменения, которые тесно связаны со многими аспектами климата. Под «климатом» мы подразумеваем основные атмосферные условия в регионе, например среднюю температуру воздуха, среднегодовое количество осадков и среднегодовые характеристики облачности и ветров, но, кроме того, учитываем и экстремумы этих условий на протяжении годового цикла. Поэтому наше изучение полярных океанов должно включать их взаимодействие с атмосферой.

Взаимодействие.В целом присутствие ледяного покрова резко уменьшает переход тепла и влаги из океана в атмосферу. Лед, особенно под снежным чехлом, представляет собой довольно хороший изолятор. Морозный сезон в Арктике начинается осенью, когда время солнечного освещения быстро сокращается с приближением полярной ночи. Но открытые океанские воды продолжают терять тепло за счет инфракрасного излучения, так что поверхностный слой воды остывает до точки замерзания. В ходе этого процесса охлаждения поверхностный слой вовлекается в вертикальные конвективные движения вплоть до глубины, которая зависит от плотностного расслоения воды. Если есть волны и ветры, они способствуют вертикальному перемешиванию (вспомните приведенный на рис. 8.3 пример зимнего хорошо перемешанного слоя в незамерзающем океане). В конце концов перемешанный слой охлаждается до точки замерзания, и на поверхности начинает формироваться лед. Сначала лед нарастает быстро, часто в первый день образуется около 10 см льда. Однако скорость роста нового льда, добавляющегося каждый день, экспоненциально уменьшается. Поэтому обычно за весь сезон морозов — 100 дней или более — формируется слой льда толщиной всего 100—150 см, даже несмотря на то, что температура находящегося над ним воздуха может быть на десятки градусов ниже точки замерзания. Лед плохо проводит тепло. Хотя по мере того как лед становится толще, его поверхность продолжает терять тепло за счет излучения в окружающее пространство, жидкий океан подо льдом все меньше возмещает потерю тепла поверхностью, а ледяной покров отбирает влагу атмосферы, которая в результате становится еще более холодной и сухой.

В этом заключается поистине драматическое явление природы — быстрое прекращение обмена между океаном и атмосферой, обычно происходящего через поверхность раздела между двумя средами — жидкой и газообразной. Читатель может вспомнить рассмотренные ранее взаимодействия I и II между воздухом и водой (гл. 6), при которых важнейшим элементом в тепловом балансе океана является перенос ощутимого тепла и скрытой теплоты парообразования. Однако в покрытом льдом океане процессы переноса фактически останавливаются. В итоге разность температур атмосферы между тропиками и полярными областями резко увеличивается. Это приводит к более энергичной циркуляции в глобальной системе ветров, что в свою очередь означает, что в атмосфере происходит более мощный теплоперенос к полярным регионам, пока не будет достигнуто равновесие. Вывод ясен: если бы морская вода не была накрыта «шапкой», образующейся в результате перехода самой этой воды в твердое кристаллическое состояние, глобальная циркуляция в атмосфере была бы менее интенсивной и температуры как полярной атмосферы, так и моря были выше, поскольку океан играл бы большую роль в переносе тепла к полюсам.

Арктический лед и атмосферные процессы в Северном полушарии.На рис. 20,14 представлена упрощенная карта распределения западных ветров в Северном полушарии.

Сначала найдем две области высокого давления над центральными районами Северной Атлантики и северной части Тихого океана; это те же самые области высокого давления, которые показаны на рис. 10.5 и 10.7.

Ближе к полюсу от этих центральных максимумов, волнообразно изгибаясь между чередующимися зонами влияния высокого и низкого давления, проходит полоса ветров в верхних слоях атмосферы, известная как струйное течение. Обычно в этом циркумполярном поясе мы обнаруживаем примерно четыре полные волны. Кроме того, эта система волн, как правило, устойчива и связана с расположением центральных областей высокого давления. Но точно так же, как меняется положение максимумов давления при смене времен года (рис. 10.5), происходит и широтное перемещение траектории струйного течения.

Струйное течение существует вследствие большой разности температур между сухой холодной полярной и теплой центральной областями высокого давления. Максимум у полюса возникает благодаря постоянному ледяному покрову, изолирующему океан от находящегося над ним воздуха.

Указанную зависимость можно обобщить следующим образом. Летом ледяной покров отражает более 60% падающего солнечного света, это препятствует нагреванию океана, но заставляет находящийся над ним воздух нагреваться быстрее, чем он нагревался бы, если бы океан был свободен ото льда и сам поглощал большую часть поступающего солнечного тепла. Зимой лед предохраняет океан от потери тепла в атмосферу, и температура воздуха падает до очень низких значений, по мере того как в результате обратного излучения поверхность льда охлаждается. Следовательно, атмосфера над покрытым льдом океаном зимой остывает интенсивнее и больше нагревается летом, чем воздух над открытыми водами.

Изменения арктического ледяного покрова и климатические изменения.Непосредственными следствиями всех этих влияний арктического ледяного покрова являются кратковременные погодные и долговременные климатические изменения в Северном полушарии. Разность температур воздуха между полярной и тропической областями зимой больше, так что интенсивность циркуляции в атмосфере зимой увеличивается: возникает больше штормов, и пути их смещаются к югу так же, как и край пакового льда. Когда циркуляция воздуха усиливается, вся система волнообразных гребней и впадин в струйном течении (рис. 20.14) смещается к востоку. Восточная часть США больше других районов подвергается воздействию холодных арктических воздушных масс, проносящихся на юг от Канадского шита в то же самое время к северо-западному (тихоокеанскому) побережью Северной Америки приходит больше штормов с юго-запада и выпадает больше дождевых осадков.

Существуют более длительные тенденции развития климата, при которых изменения ледяного покрова Арктики и климата хорошо коррелируют. Подробные данные об арктических условиях собраны более чем за 100 лет. Советские ученые сообщают, что за период между 1890 и 1940 гг. средняя толщина льда в советской Арктике уменьшилась на одну треть (с 365 до 218 см), а площадь, покрытая паковым льдом, сократилась на 10%. В этот же период усиливалась глобальная циркуляция атмосферы: западные ветры в Северной Атлантике усилились примерно на 20%, циклоны стали проходить севернее, мощность Гольфстрима возросла, и он стал проникать дальше на север, вызвав потепление воды в Норвежском море на 5° С. Необходимо отметить, что состав морского сообщества за 50 лет легко приспособился к изменившимся условиям. На рис. 20.15 показано, как северные границы области вылова сельдевых у берегов Европы сместились к северу за период с 1900 по 1940 г. После 1940 г. эта тенденция сменилась на противоположную.

О самом длительном изменении мы знаем по путешествиям викингов в Исландию около 950 г. н.э.: с этого времени примерно до 1200 г. вокруг этого острова летом, вероятно, не было никакого пакового льда. На рис. 20.15 показано, что в 1000 г. сельдь ловили даже к северу от Исландии, но к 1300 г. добыча сельди сместилась значительно к югу, до широты Британских островов. Вместе с тем Гренландская колония викингов была основана в X в. и процветала в течение примерно 300 лет, пока около 1410 г. не была покинута.

Заключение.Полярные океаны представляют собой такие специфические области и столь многообразны, что подытожить все их особенности в одном абзаце было бы слишком трудно и абзац получился бы очень длинным. Лучше эти особенности пронумеровать.

1.Динамика полярных океанов контролируется процессами, изменяющими соленость. В Северном Ледовитом океане этот контроль осуществляют реки, собирающие воду на просторах Сибири и Канады. В Южном океане определяющим процессом является образование и таяние морского льда, приводящее в действие «гигантскую ледовую антарктическую машину перемешивания».

2. Весьма значительным фактором, объясняющим различия в динамике между Южным океаном и Северным Ледовитым, является то, что Южный океан полностью открыт для интенсивного перемешивания с другими океанами через Антарктическое циркумполярное течение. Сообщение Северного Ледовитого океана с остальными океанами весьма ограничено: Берингов пролив очень мелок, как и Баренцево море к северу от Норвегии, и только один глубокий пролив соединяет Северный Ледовитый океан с Северной Атлантикой.

3. После образования сухопутного моста между Американскими континентами общая схема циркуляции Мирового океана изменилась. Только в течение последних 4 млн. лет (примерно за тот промежуток времени, когда жили австралопитеки) вода в Северной Атлантике стала более соленой, чем в Тихом океане, Арктический регион испытал повторное оледенение и Антарктиду покрыл ледяной чехол мощностью несколько километров. Не мог бы широкий открытый канал на месте Панамского перешейка восстановить теплый климат на всей Земле?

4. Биологическая система Северного Ледовитого океана отличается своим скудным видообразованием. Это можно объяснить низкой первичной продукцией, коротким продуктивным периодом, который в свою очередь контролирует репродуктивные циклы, низкой температурой воды, незрелостью биологической системы из-за молодости самого бассейна и, возможно, тем, что мы просто провели еще не достаточно наблюдений.

5. Биологическая система антарктических морей необычна своей высокой продукцией, которая сочетается с исключительно короткой пищевой цепью между микроскопическими диатомеями и огромными китами. Главная причина этого — мощный апвеллинг,- благодаря которому запасы питательных веществ в этих водах ничем не ограничены.

6. Отличительная особенность обоих полярных океанов — преобладание на вершине пищевой цепи теплокровных организмов, причем многие из них имеют крупные размеры. Это объясняется, во-первых, тем, что чем крупнее животное, тем больше отношение его объема к поверхности тела, а следовательно, меньше затраты энергии на «сохранение тепла». И энергия, которую теплокровные организмы в состоянии затратить во время охоты, гораздо больше, чем у холоднокровных животных. Во-вторых, холоднокровные организмы должны вырабатывать свой собственный «антифриз», чтобы предохранить ткани от замерзания при пониженных температурах полярных вод, и при этом обостряется проблема производства энергии в мышцах. Эти животные просто не могут конкурировать с теплокровными в полярных водах. В-третьих, существование теплокровных организмов облегчают обширные ледяные поля.

7. Наконец, покрытые льдом океаны оказывают особое влияние на климат Земли. Поскольку белизна льда увеличивает альбедо полярных океанов, они обладают небольшой способностью поглощать солнечное излучение. Таким образом, ледяной покров обусловливает большие разности температур в атмосфере между экваториальными и полярными областями, что в свою очередь создает струйное течение, определяющее климат в средних широтах.





Дата добавления: 2020-03-22; просмотров: 152;


Поделитесь с друзьями:

Вы узнали что-то новое, можете расказать об этом друзьям через соц. сети.

Поиск по сайту:

Введите нужный запрос и Знаток покажет, что у него есть.
Znatock.org - Знаток.Орг - 2017-2021 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.007 сек.