Обратная связь планеты
Рассказывает академик Владимир Семёнов, директор института физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН.
Владимир Анатольевич, сейчас говорят, что Арктика — самое «горячее» место на планете. Почему она теплеет быстрее других регионов Земли?
— На этот вопрос пока однозначно ответить нельзя, но у нас есть свои гипотезы. Мы анализировали данные наблюдений, моделей климата и предположили, что в Баренцевом море существует положительная обратная связь, которая могла усилить приток атлантической воды, таяние льда и, как следствие, температурную аномалию, вызвав столь сильное потепление. Действительно, по данным наблюдений, самый сильный рост температуры с 1940-х годов был в регионе Баренцева моря...
— Простите, прерву вас: что такое положительная обратная связь, если говорить о климате в Баренцевом море?
— Суть положительной обратной связи в том, что входной сигнал усиливается некоторой системой, этот усиленный сигнал потом опять идёт на вход и снова усиливается. Вариация климата в присутствии положительной обратной связи существенно увеличивается. Это как с микрофоном — когда он рядом с динамиком, раздаётся писк. Такая положительная обратная связь выявлена и в Баренцевом море, и связана она с характером теплообмена океана и атмосферы.
Океаническое тепло поступает в Арктику с атлантической водой двумя «реками», примерно равными по интенсивности: два миллиона кубических метров воды в секунду идут в Баренцево море и два — через пролив Фрама, разделяющий Гренландию и Шпицберген. Атлантическая вода тёплая и солёная. Баренцево море неглубокое, в среднем около 200 метров, поэтому вода здесь может более эффективно обмениваться теплом с атмосферой, и всё тепло этой атлантической воды переходит в атмосферу. А вода в проливе Фрама «ныряет» ниже, на глубину примерно 400 метров, потом распространяется в Северном Ледовитом океане и медленно, постепенно отдаёт своё тепло. Когда зимой поступает больше тепла с положительной аномалией притока, то становится меньше льда. А лёд — это как крышка, которая модулирует поток тепла из океана в атмосферу. Меньше льда — больше тепла в атмосферу, возникает циклоническая циркуляция: восходящие потоки, воздух закручивается против часовой стрелки, образуется циклон, и он ещё сильнее толкает воду в Баренцево море.
— Как вы это выяснили?
— Мы обнаружили эту положительную обратную связь, изучая потепление в Арктике с середины ХХ века. В 1940-х годах в Арктике было очень тепло — примерно как в начале 2000-х. На станции Малые Кармакулы на Новой Земле максимум потепления середины ХХ века был превышен современным потеплением лишь в последние годы. В 1930-х годах началось активное изучение и освоение Арктики, открылся Северный морской путь. Значительное потепление в 1920—1930-х годах и таяние морских льдов в Арктике способствовали активной научной и хозяйственной деятельности в регионе. Кстати, Отто Юльевич Шмидт, известный геофизик и полярник, в те годы впервые прошёл Северным морским путём за одну навигацию и несколько лет возглавлял Главное управление Севморпути. Шмидт был основателем Геофизического института Академии наук СССР, при реорганизации которого, в том числе, появился и наш Институт физики атмосферы. Поэтому Арктика и Севморпуть исторически совсем не чуждые нам темы.
Существование положительной обратной связи и быстрых изменений климата в Арктике позже было выявлено и в модели климата. Мой коллега, профессор Вонсун Пак из Института морских исследований в Киле (Центр океанических исследований имени Гельмгольца в городе Киль, Германия. — Прим. ред.) лет пятнадцать назад провёл численные эксперименты — у него была идея посмотреть отклик климата на относительно небольшие изменения солнечной постоянной (солнечная постоянная — поток излучения Солнца, проходящий через единицу площади, перпендикулярную направлению лучей, на расстоянии 1 а. е. от Солнца. — Прим. ред.). Она медленно менялась, плюс-минус два ватта в течение 1000 лет. Медленно, в пределах нескольких десятых градусов, менялся и глобальный климат, а вот в Баренцевом море происходили резкие похолодания и потепления. Это была не его область интересов, и, зная мои работы по Арктике, он показал мне свои результаты. Я увидел, что резкое похолодание связано с полным прекращением притока тепла. Причина — та же самая положительная обратная связь, только работающая в другую сторону. Приток ослабевает, льда становится больше, возникают антициклоническая циркуляция, высокое атмосферное давление, и ветер начинает приток выталкивать. Приток тепла полностью прекращается. В таком положении система существует несколько сотен лет, потом солнечная постоянная снова растёт, приток становится сильнее и затем перескакивает в другой режим. В модельном мире это показало возможность резких региональных изменений климата: оказалось, что климат может меняться не монотонно, а очень быстро, в нашем случае — за одно-два десятилетия переходить к совершенно новому режиму.
— Подобные скачкообразные изменения климата, наверное, возможны и в других регионах?
— Эта тема весьма популярна с начала 2000-х годов, это так называемые tipping points, точки или пороги неустойчивости. Так называются элементы климатической системы, где небольшое изменение какого-то параметра приводит к качественному изменению состояния системы. Есть обзорные статьи на эту тему. Такие элементы есть в Арктике, это могут быть параметры атмосферы и океана, а могут быть характеристики биосферы, например леса Амазонии, которые тоже при достижении некоего порога потепления могут начать быстро гибнуть. Это и растительность Сахары: было время, когда Сахара была зелёной. Всё это переходы к новым режимам, которые происходили или могут произойти быстро. Около 20 таких элементов найдено, и их продолжают находить. Сейчас это живая задача климатологии.
—Такие явления можно прогнозировать?
— В принципе — да. Например, в случае с Баренцевым морем можно с помощью моделирования определить порог сокращения притока, при котором начнёт работать положительная обратная связь: она прекратит приток или наоборот. Сейчас очень актуален и интенсивно изучается процесс атлантификации. Дело в том, что поступающая в Арктику атлантическая вода в обычном режиме отделена от поверхности слоем распреснённой воды, поверхностным галоклином с градиентом солёности, что не даёт ей эффективно обмениваться теплом с атмосферой. А сейчас этот слой исчезает из-за потепления, и вся толща воды становится перемешанной. Там практически нет разделения по плотности и сразу возникает активный обмен теплом. Особенность этого режима в том, что, даже если мы теперь уменьшим приток, всё будет оставаться в таком перемешанном состоянии и далее. Тепло будет активно переходить в верхний слой, препятствуя образованию галоклина. Возникает качественно новый режим. Мы по наблюдениям видим некий качественный переход в арктической климатической системе.
— А в Антарктике происходит что-то подобное?
— Если в Арктике льды тают, то в Антарктике они до последнего времени даже немного росли. И это, конечно, вызывало много вопросов. Но сейчас они резко стали таять и в Антарктике. Причина, на мой взгляд, в том, что в Антарктике тоже существуют естественные колебания климата, связанные с периодическими изменениями интенсивности циркумполярного антарктического течения — это самое сильное океаническое течение, которое есть на Земле. И у него есть естественные колебания, столетние циклы. Прямых данных наблюдений достаточной продолжительности в тех регионах мало, но многие модели такие колебания воспроизводят. Предполагается, что фаза цикла, способствующая похолоданию, привела к тому, что лёд не таял. Соответственно, сейчас фаза изменилась, поменялась и тенденция динамики площади морских льдов.