Океанолог Кирилл Кивва о том, что такое морские волны тепла, как они образуются и влияют на жизнь обитателей океана
Морские волны тепла
Когда ученые говорят о морских волнах тепла, речь идет о продолжительных и масштабных положительных температурных аномалиях. В морскую науку термин пришел из метеорологии. Например, многие помнят необычно жаркую погоду летом 2010 года на европейской территории России. Это была волна тепла, тогда из-за жары были обширные лесные пожары, на протяжении многих дней запах дыма чувствовался даже в центре Москвы.
На суше волны тепла обычно связаны именно с волновыми процессами в атмосфере, которые получили название волн Россби — по фамилии физика, открывшего этот эффект. Такие же крупномасштабные волны существуют и в океане, только из-за отличий в плотности воздуха и воды они имеют другие пространственные и временные масштабы. Но в океанологии термин «волны тепла» используют просто по аналогии с наземной метеорологией; эти аномалии чаще всего никак не связаны с волнами Россби (или с какими-либо другими реальными волнами) — так называют любые длительные повышения температуры без привязки к вызывающим их процессам. Они визуально напоминают волну лишь на графике изменения температуры во времени. Это скорее образ, чем реальное волновое явление.
Температура воды в любом районе океана постоянно меняется: вода бывает теплее или холоднее, чем обычно. Чтобы выделить экстремальные события, нужно сперва определиться с критериями: что такое норма и насколько заметные отклонения от нее мы будем называть аномалиями? Поскольку до появления спутников в нашем распоряжении просто не было достаточно длительных, частых и обширных наблюдений за температурой океана, такими явлениями океанологи заинтересовались сравнительно недавно. Единого определения пока нет: ученые выделяют эти морские волны тепла по-разному. Обычно такие явления определяются с использованием статистических параметров, таких как стандартное отклонение. То есть речь идет о частоте, с которой некоторое отклонение температуры от нормы наблюдалось на протяжении длительного интервала времени: если достаточно часто — например, в среднем раз в неделю, — то это нельзя назвать аномальным явлением. А вот если отклонение настолько заметное (скажем, на несколько градусов превышает норму), что на протяжении нескольких десятилетий оно наблюдалось лишь несколько раз, то это, пожалуй, аномалия. Получается, что для разных районов океана, вообще говоря, температурный критерий для выделения этих морских волн тепла будет разным. В одном районе океана даже относительно большие скачки температуры — обычное явление, а в другом повышение температуры даже на полградуса происходит настолько редко, что океанологи говорят об аномалии и пытаются спрогнозировать, к каким возможным последствиям такое изменение температуры приведет.
The Blob
Осенью 2013 года в северо-восточной части Тихого океана в заливе Аляска начала развиваться обширная температурная аномалия. Если смотреть со спутника, она имела круглую форму, а ее радиус был порядка тысячи километров. Отклонение температуры от нормы в ней достигало нескольких градусов Цельсия — это очень много. Аномалию назвали the Blob, и просуществовала она необычно долго — почти три года.
Несколько позже появления этого «Пузыря» аномально теплой воды в открытом океане также стали расти температуры воды вдоль западного побережья США и Канады. В результате сформировалась очень обширная и продолжительная волна тепла. Но «Пузырем» лучше называть только аномалию вдали от берега.
Мы не знаем, существовали ли такие явления раньше. Но расчеты позволяют говорить, что в последние несколько десятилетий настолько масштабных повышений температуры ни в каких районах океана не было. Похожие ситуации, но менее ярко выраженные, конечно, были, и о них много писали в научной литературе. Они тоже сильно влияли на жизнь морских обитателей. Например, в 2003 году наблюдалось подобное явление в Средиземном море, в 2011-м — у берегов Западной Австралии, в 2012-м — в северо-западной Атлантике. Просто ни одно из них не было таким масштабным и таким долгим, как the Blob.
Как образуются температурные аномалии
Температурные аномалии могут иметь разные физические причины. Например, они могут быть связаны с переносом воздушных масс, то есть их могут вызвать именно атмосферные процессы; а могут возникнуть из-за изменения течений в океане. Любые изменения в океане чаще всего как-то связаны с изменениями в атмосфере и обязательно влияют на атмосферу, потому что океан и атмосфера связаны между собой потоками вещества и энергии.
Летом во всех районах океана, кроме экваториальных, водная поверхность нагревается. (Только надо отметить, что в Южном полушарии лето наступает тогда, когда в Северном — зима.) Соответственно, в холодное время года океан остывает, отдает тепло в атмосферу. С этим связан очень важный процесс — конвективное перемешивание. Ведь при прочих равных условиях более теплая вода имеет меньшую плотность, чем холодная. В общем случае в океане температура поверхности выше, чем на глубине. Плотность воды растет от поверхности с глубиной. То есть верхний слой имеет меньшую плотность и, соответственно, большую плавучесть, чем лежащие ниже слои. И вот зимой он начинает охлаждаться, температура постепенно становится такой же, как у ниже лежащих слоев, и это приводит к перемешиванию. Чем больше вода на поверхности зимой охладится, тем глубже океан сможет перемешаться. При прочих равных это меняет и температуру на поверхности. В разных районах океана такое конвективное перемешивание охватывает слой от нескольких десятков метров до сотен и даже полутора тысяч метров, например, в северной Атлантике. В одном и том же районе океана в разные годы это перемешивание может охватить слой заметно разной вертикальной протяженности.
Во-первых, изначальные условия могут быть разными. Это зависит и от того, как температура и соленость в этом районе распределялись с глубиной, и от того, насколько много тепла верхний слой океана получит летом. Во-вторых, и количество тепла, которое океан потеряет за зиму, всегда меняется. Это связано, например, с состоянием атмосферы над океаном. Именно такая ситуация и произошла над Тихим океаном осенью 2013 года. Над тем районом, где в итоге сформировался the Blob, наблюдалась устойчивая область аномально высокого атмосферного давления, и океан за холодный сезон 2013–2014 годов отдал в атмосферу меньше тепла, чем обычно. Получается, что изначально не было аномального прогрева океана. Наоборот, было необычно слабое зимнее охлаждение. А вот последующим летом 2014 года произошел закономерный нагрев и без того относительно теплого поверхностного слоя.
Как аномалии влияют на флору и фауну
Химические свойства воды в океане также меняются с глубиной. Как и на суше, первичное органическое вещество в океане создают растения. Только не деревья и травы, а, главным образом, одноклеточные водоросли — фитопланктон. Для фотосинтеза им нужен свет, а для создания органического вещества — минеральные питательные вещества, растворенные в воде. Свет в океане в достаточном количестве есть только в поверхностном слое: чем глубже, тем меньше проникает солнечного света.
Из-за развития водорослей минеральные питательные вещества в поверхностном слое содержатся в меньших количествах, чем в более глубоких слоях. Кроме этого, отмирающие организмы создают поток органики из верхнего слоя океана в более глубокие слои, где эта органика постепенно разлагается до неорганических соединений, и таким образом концентрации минеральных форм многих элементов в глубоких слоях океана могут повышаться. А когда происходит зимнее перемешивание, определенный слой океана становится однородным. И если летом некоторые минеральные вещества могут быть почти полностью израсходованы фитопланктоном в поверхностном слое, то зимой перемешивание приводит к восполнению запаса этих веществ. Зимнее перемешивание влияет на то, насколько благоприятными будут весенне-летние условия развития фитопланктона. Все процессы, описанные выше, характерны не для всех районов океана, но в Северной Пацифике, в частности, все происходит примерно так.
Фитопланктон служит пищей для зоопланктона — мелких животных, таких как ракообразные, желетелый (или студенистный) зоопланктон вроде медуз и подобных им организмов, личинки рыб. Они, в свою очередь, становятся добычей для более крупных хищников, в частности промысловых рыб. И если в какой-то год фитопланктона мало, то и все остальные обитатели океана получают меньше пищи. Кроме того, в необычных условиях — например, во время формирования морских волн тепла — и состав организмов в океане меняется. Потому что для разных организмов комфортны разные температурные условия, у них разные предпочтения в питании. Когда происходит какое-либо существенное изменение в условиях обитания организмов, как в случае с «Пузырем» теплой воды в Тихом океане, меняется весь состав организмов. Причем какие-то существовавшие до этого связи между разными видами нарушаются, но могут образоваться другие взаимодействия.
Например, из-за изменения температуры в этот район могут мигрировать рыбы, которых раньше там не было. А какие-то характерные для этого района виды недополучают пищу — не только из-за того, что привычные для них объекты питания могли просто не развиться в достаточном количестве, но и из-за конкуренции с другими видами. В результате одни виды получают конкурентное преимущество, а другие, наоборот, испытывают существенные трудности. Вся экосистема меняется, пытаясь подстроиться под новые условия.
Такие изменения и произошли, когда образовался the Blob. Из-за нехарактерных температурных условий в этот район океана сместились некоторые теплолюбивые виды, например кальмары и макрель. А из-за изменения кормовой базы, связанного не только с изменением температуры, но и с уменьшившейся продукцией фитопланктона, многие виды практически исчезли. Это не обязательно означает, что их запас не сможет восстановиться. Но вот уже два года наблюдается резкое снижение уловов лососей в этой части Пацифики. И с этим связаны большие убытки тех компаний, которые планировали этих лососей поймать.
Как влиять на волны тепла
Человек не может повлиять на температурные аномалии. Мы ведь не можем повлиять на процессы в атмосфере, и, если надвигается ураган, у нас нет возможности изменить его траекторию. Мы готовимся к его приходу таким образом, чтобы минимизировать последствия. Если мы знаем, что зима будет особенно холодной, мы не пытаемся это изменить, а утепляем жилища и запасаем топливо для его обогрева. Мы изучаем подобные явления и пытаемся к ним подготовиться и приспособиться.
То же самое с морскими волнами тепла. Нам нужно максимально хорошо понимать, как они могут образоваться, чтобы заранее прогнозировать их возникновение. Также нам надо детально изучить, как в связи с ними может измениться экосистема. И тогда мы заблаговременно сможем принять какие-либо соответствующие управленческие решения. Например, запретить вылов одних видов и увеличить вылов других. В частности, это позволит минимизировать экономические последствия таких явлений.
Возможно, когда-нибудь человечество научится напрямую влиять на развитие таких аномальных ситуаций. По сути ведь они связаны с перераспределением энергии между океаном и атмосферой. Но это очень большое количество энергии. И чтобы как-то изменить ход таких процессов, надо затратить сопоставимое количество энергии. В настоящее время мы просто не можем себе представить такие технологии.
Источник: Постнаука