Одной из устойчивых особенностей глобального потепления при увеличении концентрации парниковых газов является то, что разные места нагреваются с разной скоростью. Получается, что быстрое потепление в каждом регионе имеет свою причину. Перенос тепла океаном связывает субполярное и арктическое потепление, но это еще не все.
Океанский перенос тепла связывает субполярное и арктическое потепление, но это еще не все, пишет Алекси Нуммелин. Прочтите его отчет о том, как он, Камилла Ли и Пол Хезель работали над решением климатической загадки.
Перенос тепла океаном связывает субполярное и арктическое потепление, но это еще не все. Около года назад Камилла, Пол и я поняли, что чего-то не хватает в нашем понимании роли океана в потеплении Арктики, и пришло время выяснить это! Вот наша история:
Одной из устойчивых особенностей глобального потепления при увеличении концентрации парниковых газов является то, что разные места нагреваются с разной скоростью.
Наблюдения уже показали, что поверхность Земли прогревается быстрее всего в полярных регионах и медленнее всего в тропиках. С другой стороны, наблюдения и результаты моделирования показали, что быстрее всего океан прогревается в средних широтах и в Арктике (Levitus et al. 2012, Wu et al. 2012, Armor et al. 2016).
Действительно, модель потепления океана не совсем совпадает с моделью потепления атмосферы. Что заставляет потепление океана следовать иной схеме, чем потепление атмосферы, и как они связаны между собой?
Мы решили ответить на эти вопросы, исследуя моделирование климата в текущем столетии. Мы начали с построения баланса тепла для глобального океана в модели норвежской системы Земля (NorESM), полностью связанной модели океан-атмосфера, используемой в Норвегии. Результаты модели четко согласуются с данными наблюдений; быстрее всего океан нагревался в средних широтах и в Арктике.
Так почему же такой узор? Следующим шагом было изучение обмена энергией через поверхность океана в NorESM и других климатических моделях.
Оказывается, быстрое потепление в каждом регионе имело свою причину.
В северных средних широтах океан быстро нагревается, потому что больше солнечного света достигает поверхности океана. Это происходит потому, что субтропическая область высокого давления на юге расширяется на север и отталкивает облачное небо.
Эта экспансия на север субтропической области высокого давления на самом деле представляет собой еще одну довольно сложную историю, но короткая версия выглядит примерно так: обычно воздух поднимается в тропиках и опускается в субтропиках, но глобальное потепление обычно вынуждает воздух подниматься вверх (теплый воздух легкий) и действует против нисходящего движения в субтропиках. Поскольку воздух должен куда-то спускаться, нисходящая ветвь циркуляции просто движется дальше на север. Моделирование NorESM также показало, что в ответ на изменения циркуляции в атмосфере весь круговорот субтропического океана также перемещается немного на север.
Северный Ледовитый океан нагревается, потому что он получает больше тепла от субполярных океанов, которые нагреваются, потому что они теряют меньше тепла в нагревающейся атмосфере выше. Это был один из важных результатов нашего исследования, поскольку мы отметили, что потепление Северного Ледовитого океана связано с субполярным потеплением атмосферы, а не с потеплением океана в средних широтах..
Для того, чтобы детально понять взаимосвязь между субполярным и арктическим климатом, полезно сначала рассмотреть среднегодовую картину взаимодействия океана и атмосферы в этих северных широтах. В среднем относительно теплый океан отдает тепло относительно холодной атмосфере над ним. Однако при глобальном потеплении атмосфера прогревается гораздо быстрее, чем поверхность океана, и в результате потери тепла океаном ослабевают. В каком-то смысле атмосфере не нужно столько тепла от океана, как раньше, и океан с удовольствием удерживает тепло. Избыточное тепло не остается в приполярных океанах, а доставляется в Арктику океанической циркуляцией, мало чем отличаясь от того, как быстро нагревающийся Южный океан в средних широтах получает дополнительное тепло..
Действительно, в прошлом году Armor et al. показали, что сигнал потепления атмосферы в субполярной части Южного океана перемещается в быстро нагревающиеся южные средние широты с экваториальной циркуляцией океана. Наш анализ результатов климатической модели показывает, что локально в быстро нагревающихся южных средних широтах атмосфера даже препятствует потеплению океана, поскольку поверхностный океан отдает в атмосферу все больше тепла.
Получив эти результаты, мы заволновались. Существовала океаническая связь между субполярным регионом и Арктикой, которая потенциально могла также связать потепление атмосферы в этих двух регионах.
Как отмечалось в самом начале, одной из устойчивых особенностей глобального потепления является относительно медленное потепление в тропиках и относительно быстрое потепление в Арктике. Это явление известно как арктическая амплификация и вызвано несколькими достаточно хорошо изученными механизмами, хотя их относительная важность все еще обсуждается.
Однако менее понятно, почему модели расходятся во мнениях относительно степени усиления Арктики, которое происходит при глобальном потеплении. Самые последние оценки климатических моделей охватывают диапазон от 2 до 5 раз большего потепления в Арктике, чем в тропиках.
Поскольку одной из причин амплификации Арктики является сокращение морского ледяного покрова, мы предположили, что механизм, связывающий приполярный регион и Арктику, может быть следующим: регион остается относительно теплым, так как воды текут в Арктику. Более теплые воды текут на север, и, следовательно, океан также замерзает намного дальше на север, толкая кромку морского льда на север.
Поскольку атмосфера получает больше тепла от открытой воды, чем от покрытого льдом океана, атмосферное потепление усиливается в районах потери морского льда. Имея в виду эту возможность, мы вернулись к результатам климатической модели и заметили, что снижение субполярных потерь тепла указывает на увеличение потерь тепла океаном в Арктике, что приводит к сильному арктическому усилению..
Океан соединил Арктику с приполярным регионом! После этого осознания части истории начали складываться на свои места.
По мере того, как атмосфера нагревается над приполярным регионом, все больше тепла остается для того, чтобы океан перенес его в Арктику. Часть дополнительного тепла, переносимого океаном, высвобождается обратно в атмосферу в пределах Арктики, что объясняет некоторые различия в арктическом усилении между моделями.
И все же возник один вопрос без ответа. Когда мы выполнили модельный анализ, мы поняли, что потепление атмосферы в Арктике было более тесно связано с потеплением атмосферы в субполярном регионе, чем предполагалось нашей океанической связью. В то время как связь с океаном была явно жизнеспособной, казалось, что в игру вступает нечто большее.
Несмотря на то, что нам не удалось определить причину сильной связи, мы надеемся, что она послужит источником вдохновения для будущих исследований.