1600-футовые гигантские подводные волны: Скрытые участники процесса аккумуляции тепла и углерода в океане

Новые исследования показывают значительную роль подводных волн и турбулентности в аккумуляции тепла и углерода в океане, что свидетельствует о необходимости более точного отображения мелкомасштабной турбулентности в климатических моделях и установки датчиков турбулентности на глобальных массивах наблюдений.

Новое исследование показало, что подводные волны, высота некоторых из которых достигает 500 м, расположенные глубоко под поверхностью океана, играют важнейшую роль в аккумуляции тепла и углерода в океане.

Группа международных исследователей под руководством Кембриджского, Оксфордского университетов и Калифорнийского университета в Сан-Диего провела количественную оценку влияния подводных волн и других форм турбулентности в Атлантическом океане. Они обнаружили, что современные климатические модели, на основе которых строится государственная политика, не могут точно отразить значение этих подводных явлений.

Большая часть тепла и углерода, выделяемых в результате деятельности человека, поглощается океаном, но то, сколько он может поглотить, зависит от турбулентности в его недрах, поскольку тепло и углерод либо выталкиваются вглубь океана, либо вытягиваются на поверхность.

Хотя эти подводные волны уже хорошо известны, их значение для переноса тепла и углерода до конца не изучено.

Результаты исследования, опубликованные в журнале AGU Advances, показывают, что турбулентность в недрах океанов играет более важную роль в переносе углерода и тепла в глобальном масштабе, чем это представлялось ранее.

Согласно новым исследованиям, подводные волны, расположенные глубоко под поверхностью океана — некоторые из них достигают высоты 500 м — играют важную роль в том, как океан аккумулирует тепло и углерод. Международная группа исследователей под руководством Кембриджского, Оксфордского университетов и Калифорнийского университета в Сан-Диего провела количественную оценку влияния этих волн и других форм подводной турбулентности в Атлантическом океане и обнаружила, что их значение не совсем точно отражается в климатических моделях, на основе которых строится государственная политика. Credit: Laura Cimoli/GLODAP

Океаническая циркуляция переносит теплые воды из тропиков в Северную Атлантику, где они охлаждаются, опускаются и возвращаются на юг в глубины океана, подобно гигантской конвейерной ленте. Атлантическая ветвь этой циркуляции, называемая Атлантической меридиональной циркуляцией (AMOC), играет ключевую роль в регулировании глобального бюджета тепла и углерода. Циркуляция океана перераспределяет тепло в полярные регионы, где тает лед, а углерод — в глубины океана, где он может храниться в течение тысяч лет.

«Если бы вы сфотографировали внутреннюю часть океана, то увидели бы множество сложных динамических процессов», — говорит первый автор работы д-р Лаура Чимоли (Laura Cimoli) с кафедры прикладной математики и теоретической физики Кембриджа. «Под поверхностью воды существуют струи, течения и волны — в глубинах океана высота этих волн может достигать 500 метров, но они разбиваются точно так же, как волны на пляже».

«Атлантический океан особенный с точки зрения того, как он влияет на глобальный климат», — сказал соавтор исследования д-р Али Машаек (Ali Mashayek) с факультета наук о Земле Кембриджа. «В нем существует сильная циркуляция от полюса к полюсу от верхних слоев до глубинных слоев океана. Кроме того, у поверхности вода движется быстрее, чем в глубинах океана».

В течение последних нескольких десятилетий исследователи изучали вопрос о том, может ли AMOC быть фактором, объясняющим, почему Арктика потеряла так много ледяного покрова, в то время как некоторые антарктические ледяные щиты растут. Одно из возможных объяснений этого явления заключается в том, что тепло, поглощаемое океаном в Северной Атлантике, доходит до Антарктики за несколько сотен лет.

Теперь, используя комбинацию дистанционного зондирования, судовых измерений и данных с автономных буев, исследователи из Кембриджа обнаружили, что тепло из Северной Атлантики может достигать Антарктики гораздо быстрее, чем считалось ранее. Кроме того, турбулентность в океане — в частности, большие подводные волны — играет важную роль в климате.

Подобно гигантскому пирогу, океан состоит из различных слоев, где внизу находится более холодная и плотная вода, а вверху — более теплая и легкая. В основном перенос тепла и углерода в океане происходит в пределах определенного слоя, но тепло и углерод могут перемещаться и между плотными слоями, возвращая глубинные воды на поверхность.

Исследователи обнаружили, что перемещению тепла и углерода между слоями способствует мелкомасштабная турбулентность — явление, не полностью представленное в климатических моделях.

Оценки перемешивания, полученные с помощью различных наблюдательных платформ, свидетельствуют о наличии мелкомасштабной турбулентности в верхней ветви циркуляции, что согласуется с теоретическими предсказаниями океанических внутренних волн. Различные оценки показали, что турбулентность в основном затрагивает класс плотных слоев, связанных с ядром глубинных вод, движущихся на юг из Северной Атлантики в Южный океан. Это означает, что тепло и углерод, переносимые этими водными массами, имеют высокие шансы перемещаться по разным плотностным уровням.

«Климатические модели учитывают турбулентность, но в основном в том, как она влияет на циркуляцию океана», — говорит Чимоли. «Но мы обнаружили, что турбулентность сама по себе жизненно важна и играет ключевую роль в том, сколько углерода и тепла поглощается океаном и где оно хранится».

«Многие климатические модели слишком упрощенно представляют себе роль микромасштабной турбулентности, но мы показали, что она очень важна и к ней следует относиться более внимательно», — сказал Машаек. «Например, турбулентность и ее роль в циркуляции океана влияют на то, какое количество антропогенного тепла достигает Антарктического ледяного щита, а также на временные масштабы этого процесса».

Исследование свидетельствует о необходимости установки датчиков турбулентности на глобальных массивах наблюдений и более точного представления мелкомасштабной турбулентности в климатических моделях, что позволит ученым делать более точные прогнозы будущих последствий изменения климата.

Ссылка: «Значение диапикнического перемешивания в Атлантической меридиональной циркуляции» Лаура Чимоли, Али Машаек, Хелен Л. Джонсон, Дэвид П. Маршалл, Альберто К. Навейра Гарабато, Кейтлин Б. Уэйлен, Клеман Вик, Казимир де Лавернь, Мэтью Х. Алфорд, Дженнифер А. Маккиннон и Линн Д. Тэлли, 7 марта 2023 г., AGU Advances . DOI: 10.1029/2022AV000800

Работа частично финансируется Советом по исследованию природной среды (Natural Environment Research Council, NERC), входящим в состав UK Research and Innovation (UKRI).