Гольфстрим в Арктическом бассейнеМожет ли человек изменить климатПросмотров: 18045Комментарии: 030 января 2011 г.
На распределение плотности и вообще на плотность морской воды температура воды имеет большее влияние, нежели ее соленость. — Ю. М. Шокальский
Итак, мы доказали, что создать Полярный Гольфстрим можно. Однако некоторые исследователи, познакомившись с проектом, утверждают, что атлантические воды, поскольку они тяжелее, чем поверхностные арктические, будут при прямотоке так же, как и сейчас, погружаться в глубины бассейна; прямотоку не под силу вывести их на поверхность. Другие считают, что переброска вод из Чукотского моря в Берингово поднимет в Арктическом бассейне и глубинные холодные воды, и тепловой эффект прямотока будет сведен к нулю. Третьи высказывают опасение, что холодные воды Арктики, если их сбросить в Берингово море, при перемещении на юг усилят холодное Камчатское течение, а затем и холодное течение Ойя-Сиво, в результате вместо потепления будут охлаждены наше Приморье и Японские острова. Чтобы опровергнуть эти доводы, которые сводятся к одному — создавать Полярный Гольфстрим нецелесообразно, нужны количественные обоснования. Остановимся на них подробнее.
Во-первых, станут ли воды Полярного Гольфстрима пересекать Арктический бассейн по поверхности. Как уже говорилось, чем больше поступает атлантических вод в Арктический бассейн, тем выше поднимаются их температура и соленость. Причем во всех случаях воды эти погружаются в глубины бассейна. Отсюда и возникла мысль, что и прямоток не сможет предотвратить это погружение. Однако тщательный анализ показал, что возражение это не правомочно. Установлено, что температура при достаточном росте не только тормозит повышение плотности, которое в свою очередь определяется ростом солености, но даже понижает ее. Это хорошо доказали сопоставления наблюдений Фр. Нансена в 1894—1896 гг. на «Фраме» и С. О. Макарова на «Ермаке» в 1898 г. с наблюдениями много лет спустя. Верхняя граница слоя атлантической воды на севере Баренцева моря находилась во времена Нансена и Макарова на глубине около 200 м. К 1933 г. после ряда лет повышенного поступления теплых атлантических вод в Арктический бассейн верхняя граница не опустилась, а, наоборот, поднялась до отметок 50—70 м, т. е. на 130— 150 м.
В другом районе, к северу от Карского моря, экспедиция Нансена в 1895 г. обнаружила верхнюю границу теплых вод на глубине 200 м. Спустя 40 лет, в 1935 г. ледокол «Садко» приблизительно в том же районе нашел теплые воды уже гораздо выше — на глубине 110 м. С ростом температуры, как видим, уровень теплых вод поднимался ближе к поверхности бассейна. Справедливо заметить, что изменения эти за 40 лет, вероятно, не происходили непрерывно. Видимо, повышения чередовались с понижениями. Когда же происходили понижения максимальной и средней температур атлантических вод, тогда и уровень их верхней границы неизбежно понижался. Это убедительно демонстрируют материалы гидрологических станций, когда берешь показания 1931 г., года с высокими температурами атлантических вод и сравниваешь их с данными более поздних лет. Сейчас при противотоке атлантические воды поднимаются к поверхности, стоит только повыситься их температуре, но этому мешают, как известно, холодные распресненные воды, непрерывно перемещающиеся с востока на запад. Благодаря такому перемещению холодный поверхностный слой над атлантическими водами все время возобновляется, а поскольку его плотность вследствие -распресненности мала, то он и мешает атлантическим водам выйти на поверхность.
Когда начнется межокеаническая переброска воды с запада на восток, то в первую очередь будут удалены воды самого поверхностного, наименее плотного слоя. Закрывается и другой важный источник распреснения: плотина в Беринговом проливе не пропустит в Арктику 36 000 км3/год тихоокеанской воды, чья распространяющая роль очень велика. Два серьезных врага, которые мешали теплым атлантическим водам выйти на поверхность, будут устранены. Поэтому, когда начнется переброска вод из Чукотского моря в Берингово, атлантические воды получат дополнительные благоприятные импульсы для выхода на поверхность. Следует отметить, что переброска в Берингово море 140 000 км3/год равносильна тому, чтобы ежегодно понижать уровень Арктического бассейна на 16 м. Это понижение будет происходить только за счет поверхностного слоя, мощность которого поэтому быстро сократится, а следовательно, у него будет все меньше сил, чтобы помешать атлантическим водам выйти на поверхность. Естественно, с той же дополнительной скоростью, с какой будет падать мощность поверхностного слоя, будет подниматься верхняя граница атлантической воды.
То, что картина будет именно такова — теплые атлантические воды начнут подниматься на поверхность, едва с севера и востока ослабнет напор холодных распресненных вод,—подтверждают не только теоретические расчеты, но и накопленный опыт практических наблюдений над режимом вод в полярных широтах. Так. в годы, когда напор Восточно-Гренландского холодного течения ослабевает, напор теплых атлантических вод в Датском проливе усиливается, и язык теплых вод Ирмингера у берегов Северной Исландии не погружается под ответвления менее плотных вод Восточно-Гренландского течения, как это обычно имеет место, а, наоборот, по поверхности устремляется на восток и северо-восток. В районе Ньюфаундлендской банки обычно господствуют холодные воды течения Лабрадор, а в период ослабления северного потока холодных распресненных вод теплые атлантические вытесняют поверхностные холодные воды Лабрадора, а сами выходят на поверхность.
Другое обстоятельство, которое может вызвать возражение, это отсутствие ясности, в течение какого срока атлантические воды могут выйти на поверхность. Поэтому нам надо рассмотреть, как начнет меняться во времени соотношение температуры, Солености и плотности при переброске вод из Чукотского моря в Берингово. Точное определение соотношений во времени этих величин является делом очень громоздким и сложным, поэтому мы ограничимся преимущественно итоговыми данными, попутно указывая, откуда они получены. Температура атлантических вод, вступающих в Арктику, повысится, как уже говорилось, с 1,9 до 8,2°. Насколько быстро будет повышаться эта температура, можно определить исходя из современных скоростей перемещения вод системы Гольфстрима от мыса Гаттерас до Ньюфаундленда и далее до Фареро-Шетландского пролива, а затем до современной границы погружения под распресненный слой арктической воды. Расчеты показывают, что температура будет расти со следующей скоростью: на втором году она поднимется с 1,9 до 4,5°, на третьем — с 4,5 до 7°, на четвертом с 7 до 9°; дальнейший рост температуры за пределами пятого года уже не нужен, и температура будет стабилизирована, что легко достигнуть регулированием объема перекачки.
Соленость атлантических вод при входе в Арктический бассейн в условиях полного устранения встречного потока распресненных арктических вод, естественно, повысится. Однако максимальное осолонение составит не более 35,4— 35,5 против современного 34,95°/00. В этом убеждают данные Морского атласа о солености вод Северной Атлантики и данные о распреснении их атмосферными осадками и береговым стоком за широтой 45°. Что же касается повышения солености во времени, то, руководствуясь приведенными данными и скоростями перемещения вод в системе Гольфстрима, как наиболее вероятный может быть принят следующий рост солености при входе в Арктический бассейн: на втором году перекачки — 35,15; на третьем — 35,25; на четвертом — 35,30; на пятом — 35,35°/00. За пределами пятого года рост солености будет незначительным, а после десятого года она, вероятно, не превысит 35,4°/00. Установленные по годам изменения температуры и солености определяют изменения индекса плотности (табл. 8). Для того чтобы удержать атлантические воды в Арктическом бассейне на их современных глубинах при указанном росте температуры (см. табл.), соленость должна достигать: после первого года перекачки 35,30; после второго 35,65; после третьего 36,03; после пятого 36,17: после десятого 36,26°/00.
Однако, как мы видели выше, привлечение „ в Арктический бассейн атлантических вод с соленостью 35,5, а тем более свыше 36°/00 невозможно. Отсюда нетрудно сделать вывод, что при откачке арктических вод в Беринговом проливе поступление теплых атлантических вод хотя и будет сопровождаться увеличением солености, однако рост плотности исключается. Повышение температуры атлантических вод не только погасит эффект увеличения плотности, определяемого ростом солености, но и понизит ее. Поэтому теплые атлантические воды будут пересекать Арктический бассейн в его поверхностном горизонте. В начале главы мы говорили о сомнениях некоторых исследователей относительно проекта создания Полярного Гольфстрима. Чтобы их разрешить, надо ответить еще на один вопрос: будут ли глубинные воды вовлечены в межокеаническую переброску? Если бы Арктический бассейн был наполнен водой одной и той же плотности, это могло бы произойти. В действительности же — картина другая (см. табл. 6).
Глубинные воды Арктического бассейна,подстилающие теплые атлантические воды, являются наиболее тяжелыми из всех водных масс, заполняющих ложе Мирового океана. Они имеют высокую соленость и вместе с тем самую низкую температуру, а потому и наибольшую плотность. Вместе с антарктическими холодными водами они, опускаясь, охлаждают глубинные воды Мирового океана под экватором. Как известно, воды высокой плотности могут опускаться, но не подниматься. Океанолог Д. Р. Дикон установил, что возмущающие силы, способные вызывать вертикальное перемешивание, в общем недостаточно велики, чтобы преодолеть даже слабые градиенты плотности. Это видно из следующих примеров, наблюдаемых в природных условиях.
Подъем глубинных вод наблюдается, к примеру, у северо-западных берегов Африки, так как преобладающие и устойчивые пассатные ветры отгоняют от береговой линии поверхностные воды. Им на смену как компенсация поднимаются воды с глубины 100—200 м, либо самое большее с 300-метровой глубины. Уклон поверхности океана при этом достигает 4 см на 1000 км. Аналогичное явление наблюдается и у Калифорнийского побережья под 41 — 35° северной широты. У Арктического бассейна общий уклон поверхности не превысит при откачке, как показывают расчеты, 8—10 см. Стало быть, удельный уклон будет меньше, чем близ берегов Африки или Калифорнии, и, следовательно, исключено, чтобы к поверхности поднялись горизонты воды, расположенные ниже 200—300 м. Надо сказать, что подсос вод с глубины 200— 300 м и тем более с 500—600 м был бы даже желателен, так как это подняло бы температуру над шельфом Чукотского моря.
В результате именно в этой области повысилась бы скорость разрушения дрейфующих льдов, потому что сюда будут стекаться ледяные поля до самого последнего момента — ведь она конечная на их пути. К сожалению, данное обстоятельство невозможно. Причины таковы. В 1960 г. Ю. Г. Рыжков, а потом и другие ученые теоретически обосновали следующее: при удалении поверхностных вод обязателен подъем глубинных. Было установлено, что существует зависимость между вертикальной устойчивостью поверхностного слоя и глубиной, с которой поднимаются воды под действием сгонного ветра. На рис. 22 приводится график этой зависимости. Из графика видно, что если устойчивость Е8=2 000—3 000, то вода поднимается не более чем с глубины 30—50 м, а при Е8=500 она поднимается с глубин 200—250 м; т. е. чем менее устойчивы поверхностные воды по вертикали, тем с большей глубины могут подниматься глубинные воды. Ю. Г. Рыжков так и пишет: «Совершенно очевидно, что максимальный подъем глубинных вод к поверхности океана существует только в области малых величин вертикальной устойчивости, а в области весьма устойчивой стратификации подъем воды не превышает 40 м».
Примерно к таким же количественным выводам приходят и другие исследователи. Просмотрев карту и гидрологические разрезы Арктического бассейна, легко установить, что почти весь Арктический бассейн покрыт поверхностными водами с большой вертикальной устойчивостью (Е8=2000 и выше), а области с небольшой величиной вертикальной устойчивости (Е8 = 500) крайне ограничены и встречаются лишь в районе Земли Франца Иосифа. А раз так, то возможен подъем лишь только подповерхностных вод с горизонта 30— 40 м. Подъем же не только глубинных, но даже современных теплых атлантических вод исключается. Наряду с теоретическими расчетами этот вывод подтверждают и натурные наблюдения над движением вод Арктического бассейна. Его поверхностные воды в объеме 175 000 км3/год стекают в Атлантику с востока на запад. Как уже отмечалось, максимальная скорость стока наблюдается в самом поверхностном слое. Чем глубже, тем скорость становится меньше и на горизонте 100— 200 м она уже равна нулю, т. е. воды, расположенные ниже этой глубины, уже не участвуют в стоке. Теплые атлантические воды, таким образом, не только не вовлекаются в поверхностный сток с востока на запад, но, наоборот, почти по всему Арктическому бассейну перемещаются в противоположном направлении — с запада на восток.
Когда начнется откачка воды из Чукотского моря в Берингово, то в направлении к Чукотскому морю будут перемещаться по всему Арктическому бассейну преимущественно поверхностные воды. В этом поверхностном слое разовьется и максимальная скорость перемещения. Слой воды на глубине 100—200 м, где скорость нулевая, т.е. слой, который практически неподвижен, под воздействием отсасывающей силы беринговой плотины тоже начнет перемещаться на восток, но со скоростью, значительно меньшей, чем на поверхности. Большая вертикальная устойчивость мешает глубинным массам подняться к насосам. Для этого требуется огромная энергия. Для вовлечения одного кубометра воды с горизонта, занятого промежуточной нижней водной массой, необходима затрата работы, равная (1028,09 —1024,50) х (630+172+64) = 3100 кг/м.
Такой потенциальной мощностью глубинные воды Арктического бассейна не располагают. Следует попутно заметить, что на подступах к будущей плотине в радиусе примерно 1000 км простирается огромное мелководье Восточно-Сибирского и Чукотского морей, на площади которого нет глубин, превышающих 200 м. Это создает идеально благоприятные условия для того, чтобы только поверхностные воды могли поступать к насосным системам в Беринговом проливе. Переброска вод из Чукотского моря в Берингово, создание Полярного Гольфстрима существенно изменят стратификацию и динамику водных масс Арктического бассейна. В первую очередь с поверхности Арктического бассейна будет удаляться наиболее легкая арктическая поверхностная вода, во вторую — промежуточная верхняя. Объем арктической поверхностной воды составляет ~ 321 000, а промежуточной верхней — 864 000 км3. При ежегодной переброске 140 000 км3/год первый слой будет удален формально в течение двух лет, а второй — в течение шести. Так как эти воды будут замещаться теплыми атлантическими, то надо ожидать, что к концу восьмого года стратификация вод Арктического бассейна значительно упростится. Вместо пяти слоев водных масс останутся три: атлантическая, промежуточная нижняя и донная.
При этом значительно возрастет мощь атлантической воды и промежуточной нижней. Слой донной воды будет потеснен, уменьшен, а две водные массы — арктическая поверхностная и верхняя промежуточная — полностью ликвидируются. Восьмилетний срок следует считать предельным. Это теоретический срок. В действительности изменения в стратификации произойдут несколько раньше: верхняя промежуточная вода частично будет вынесена в Европейский бассейн и в Баффинов залив, а частично, когда льды будут уничтожены и она окажется открытой, не защищенной перед ветрами, гуляющими над поверхностью океана, они, эти ветры, перемешают ее с подстилающими атлантическими водами. Ветры же могут перемешивать воду на глубине 50—100 м. Можно, казалось бы, ожидать и постепенного осолонения Арктического бассейна, поскольку увеличится нагон более соленых атлантических вод. Однако практически этот процесс произойдет медленно, так как основная масса атлантических вод транзитом, прямотоком идет в Тихий океан, не успевая перемешаться с глубинными водами настолько тщательно, чтобы «осолонить» их. Береговой же сток будет по-прежнему оставаться важным источником опреснения, влияние которого будет сохранено лишь в прибрежной зоне.
Значительные изменения претерпит не только стратификация, но и динамика вод Арктического бассейна. Поверхностные теплые атлантические воды станут перемещаться в главной своей массе с запада на восток по траекториям, близким к дугам больших кругов с общим направлением к Берингову проливу. Но стрежень теплых атлантических вод под влиянием силы Кориолиса с еще большей четкостью, чем ныне, будет прижат к северному побережью Евразии, что для будущего потепления климата в области евразийского побережья является благоприятным фактором. Время перемещения атлантических вод от Шпицбергена до Чукотского моря, которое в современных условиях составляет пять лет, сократится примерно до двух с половиной лет.