По мере того, как Земля нагревается, большая часть лишнего тепла накапливается в океане планеты, но мониторинг величины этого теплосодержания является сложной задачей.
Однако может помочь удивительная особенность приливов. Ученые из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, разрабатывают новый способ использования спутниковых наблюдений за магнитными полями для измерения тепла, накопленного в океане.
«Если вы беспокоитесь о глобальном потеплении или энергетическом балансе Земли, большое неизвестное - это то, что уходит в океан», - сказал Роберт Тайлер, научный сотрудник Goddard.«Мы знаем, что поверхности океанов нагреваются, но у нас нет точного представления о том, сколько тепла сохраняется глубоко в океане».
Несмотря на значение тепла океана для климата Земли, оно остается переменной, которая имеет значительную неопределенность, когда ученые измеряют ее глобально. Текущие измерения производятся в основном с помощью буев Арго, но они не обеспечивают полного охвата во времени или пространстве. В случае успеха этот новый метод может стать первым методом, обеспечивающим глобальные измерения температуры океана, интегрированные по всем глубинам, с использованием спутниковых наблюдений.
Метод Тайлера зависит от нескольких геофизических особенностей океана. Морская вода является хорошим электрическим проводником, поэтому, когда соленая вода плещется в океанских бассейнах, это вызывает небольшие колебания силовых линий магнитного поля Земли. По словам Тайлера, океанский поток пытается перетащить силовые линии. Возникающие в результате магнитные флуктуации относительно малы, но их можно обнаружить во все большем числе событий, включая зыбь, водовороты, цунами и приливы.
«Недавний запуск спутников Swarm Европейского космического агентства и их магнитная съемка предоставили беспрецедентные данные наблюдений за магнитными флуктуациями», - сказал Тайлер. «С этим приходят новые возможности».
Исследователи знают, где и когда приливы перемещают океанскую воду, и с помощью данных высокого разрешения со спутников Swarm они могут выявить магнитные колебания, вызванные этими регулярными движениями океана.
Вот тут-то и появляется еще одна геофизическая особенность. Магнитные колебания приливов зависят от электропроводности воды, а электропроводность воды зависит от ее температуры.
Тогда Тайлер задается вопросом: «Отслеживая эти магнитные колебания, можем ли мы контролировать температуру океана?»
На этой неделе на встрече Американского геофизического союза в Сан-Франциско Тайлер и его сотрудник Теренс Сабака, также работавший в Годдарде, представили первые результаты. Они обеспечивают ключевое доказательство концепции метода, демонстрируя, что глобальное теплосодержание океана может быть восстановлено из «бесшумных» приливных магнитных сигналов океана, генерируемых компьютерной моделью. Когда они пытаются сделать это с «зашумленными» наблюдаемыми сигналами, это еще не обеспечивает точности, необходимой для отслеживания изменений теплосодержания.
Но, по словам Тайлера, есть много возможностей для улучшения того, как данные обрабатываются и моделируются, и спутники Swarm продолжают собирать магнитные данные. По его словам, это первая попытка использовать магнитные спутниковые данные для мониторинга температуры океана на всех глубинах, и предстоит еще многое сделать, прежде чем этот метод сможет успешно разрешить эту ключевую переменную. Например, идентифицируя колебания, вызванные другими движениями океана, такими как водовороты или другие приливные компоненты, ученые могут извлечь еще больше информации и получить более точные измерения содержания тепла в океане и того, как оно меняется.
Более 90 процентов избыточного тепла в системе Земли уходит в океан, сказал Тим Бойер, ученый из Национального центра информации об окружающей среде Национального управления океанических и атмосферных исследований. В настоящее время ученые контролируют температуру океана с помощью бортовых измерений и буев Арго. По его словам, несмотря на то, что эти и другие измерения показывают устойчивый рост температуры с 1955 года, исследователям все еще нужна более полная информация.
«Даже при огромных усилиях с поплавками Argo, мы все еще не имеем такого большого охвата океана, как нам бы хотелось, чтобы снизить неопределенность», - сказал Бойер. «Если бы вы могли измерять глобальное содержание тепла в океане напрямую и полностью со спутников, это было бы фантастикой».
Изменение температуры океана оказывает влияние на весь земной шар. В Антарктиде плавающие участки ледяного щита отступают таким образом, что это нельзя объяснить только изменениями атмосферной температуры, говорит Кэтрин Уокер, специалист по льду из Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене, Калифорния.
Она и ее коллеги изучали ледники в Антарктиде, которые теряют в среднем от 2 до 4 метров (6.от 5 до 13 футов) высоты в год. Они рассмотрели различные варианты объяснения изменчивости таяния - окружающий морской лед, ветры, соленость, температура воздуха - и что больше всего коррелировало, так это приток более теплой океанской воды..
«Эти большие притоки теплой воды приходят на континентальный шельф в некоторые годы и влияют на скорость таяния льда», - сказал Уокер. Она и ее коллеги представляют исследование на собрании AGU.
Команда Уокера определила область на Антарктическом полуострове, где более теплые воды могли проникнуть внутрь суши, под шельфовый ледник, что могло повлиять на повышение уровня моря.
Плавучие и судовые измерения вокруг Антарктиды немногочисленны, но с помощью меченых тюленей можно измерить температуру на глубине. Однако у этого есть свои недостатки: «Это случайно, и мы не можем контролировать, куда они идут», - сказал Уокер. Она добавила, что спутниковые измерения теплосодержания и температуры океана будут очень полезны для Южного океана.
Температура океана также влияет на жизнь в океане - от микроскопического фитопланктона и выше. Разный фитопланктон процветает при разных температурах и нуждается в разных питательных веществах.
«Увеличение стратификации в океане из-за повышенного нагрева приведет к тому, что в сообществах фитопланктона будут победители и проигравшие», - сказала Стефани Шолларт Уз, ученый Годдарда.
В исследовании, представленном на этой неделе в AGU, она заглянула на 50 лет назад. Используя температуру, уровень моря и другие физические свойства океана, она создала историю распространения фитопланктона в тропической части Тихого океана в период с 1958 по 2008 год. Проанализировав эти пять десятилетий, она обнаружила, что количество фитопланктона варьировалось от года до десятилетия. В частности, в годы Эль-Ниньо водные течения и температуры не позволяли сообществам фитопланктона достигать так далеко на запад в Тихом океане, как они обычно это делают..
Углубившись в данные, она обнаружила, что центр Эль-Ниньо оказывает влияние на фитопланктон. Когда более теплые воды Эль-Ниньо сосредоточены над восточной частью Тихого океана, они подавляют питательные вещества по всему бассейну и, следовательно, подавляют рост фитопланктона в большей степени, чем Эль-Ниньо в центральной части Тихого океана.
«Впервые у нас есть общее представление о влиянии на биологию межгодовых и десятилетних воздействий многих явлений Эль-Ниньо за 50 лет», - сказал Уз.
Поскольку температура океана влияет на процессы во всей системе Земли, от климата до биоразнообразия, Тайлер продолжит совершенствовать этот новый метод магнитного дистанционного зондирования, чтобы улучшить наше будущее понимание планеты.