Льды Арктики и климат Северного полушария

Льды Арктики и климат Северного полушария

М.Г. Деев, канд. геогр. наук, старший научный сотрудник кафедры океанологии географического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Морские льды — самый молодой элемент криосферы Земли. Время их существования оценивается примерно в 700 тысяч лет. До этого полярные, океанские и морские бассейны пребывали в безледном режиме. Морской ледяной покров первоначально появился как продукт определенной климатической эпохи, но впоследствии сам стал важным звеном климатической системы планеты. Здесь рассказано о причинах появления морских льдов Северного полушария, об условиях их существования и роли в формировании современного климата.

Условия образования и существования морских льдов

Необходимое условие для образования льда на поверхности любого водоема — охлаждение поверхностного слоя воды до температуры замерзания. Подобное охлаждение возможно всюду в областях с отрицательным радиационным балансом, то есть там, где поступление коротковолновой солнечной радиации меньше, чем встречное длинноволновое излучение земной поверхности1. Приход радиационного баланса преобладает над расходом в экваториальном и тропических поясах, а расход — в полярных районах. Равенство приходящего и уходящего потоков тепла наблюдается около 40-х параллелей обоих полушарий. Следовательно, в областях, расположенных выше 40-х параллелей, в принципе возможно охлаждение воды до температуры замерзания, а значит, и образование льда.

Действительно, в Северном полушарии ежегодно наблюдается образование морского льда в Азовском, Аральском морях, северной части Каспийского, северо-западной части Черного. Но в то же время льды никогда не образуются в районах, расположенных значительно севернее, а именно в Норвежском море, на большей части площади Гренландского и в юго-западной части Баренцева морей. Часто оказывается свободным от морских льдов район, расположенный к западу от Шпицбергена, почти на 80-й параллели. Иными словами, закон широтной зональности в пространственном распространении морских льдов не соблюдается. Отсюда, следует, что одного только охлаждения поверхности воды для образования морских льдов недостаточно.

При понижении температуры воды происходит эквивалентное увеличение ее плотности, которое вызывает конвективное перемешивание. Охлажденная и более плотная вода погружается, а на смену ей всплывает менее плотная и более теплая. В дальнейшем все будет зависеть от того, сколько тепла содержится в деятельном слое моря, охваченном конвекцией.

Помимо этого процесс охлаждения поверхностного слоя воды в море может быть значительно замедлен, если существует горизонтальный поток тепла, привнос тепла морскими течениями. Такое явление наблюдается в Северной Атлантике. Теплые воды Северо-Атлантического течения широким потоком вливаются в Северный Ледовитый океан через акватории Гренландского, Норвежского и Баренцева морей. Количество тепла, приносимого водами этого течения, так велико, что практически исключает возможность образования льда на большей части площади этих морей.

Перечисленные выше замерзающие акватории южных морей России имеют по меньшей мере две особенности, отличающие их от океанских вод. Прежде всего заметим, что замерзают только мелководные акватории. Самое мелкое из морей — Азовское, где наибольшая глубина составляет 13 м, следовательно, теплозапас его вод невелик и с началом осеннего выхолаживания быстро расходуется на нагревание атмосферного воздуха над морем. Главная же особенность южных морей России в процессе льдообразования заключается в низкой солености их вод.

В общей гидрологии существует понятие температуры наибольшей плотности. Пресная вода имеет наибольшую плотность при температуре 4 °С. Вода пресноводного водоема, охлажденная до этой отметки, погружается в придонные слои и постепенно заполняет всю котловину. Конвективное перемешивание прекращается, одновременно резко сокращается поток тепла из глубин к поверхности, где при продолжающемся охлаждении быстро создаются условия для начала льдообразования.

По мере увеличения солености температура наибольшей плотности постепенно приближается к нулю и при достижении значения солености 24, 7‰ сравнивается с температурой замерзания, которая при этой солености равна –1, 3°С. В морях с соленостью ниже указанной величины (их воды называют солоноватыми) конвекция протекает по типу пресного водоема, во всех остальных, чьи воды в полном смысле соленые морские, осенне-зимняя конвекция будет продолжаться до тех пор, пока вся вода не охладится до температуры замерзания. В частности, поэтому в Норвежском море глубокая конвекция и значительный теплозапас не позволяют начаться процессу образования морского льда.

То, что охлаждение до температуры замерзания идет долго, объясняется очень высокой теплоемкостью воды. Чтобы температура понизилась на один градус, каждый грамм воды должен выделить 4, 2 Дж тепла. Кроме того, чтобы создать условия, достаточные для начала кристаллизации, каждый грамм воды должен выделить еще 334 Дж тепла — это теплота кристаллизации. 

В соленом море конвекция не прекращается и после начала льдообразования. При появлении морского льда большая часть солей вытесняется из него и в виде капель концентрированного рассола погружается в воду, повышая ее соленость, а следовательно, и плотность. Процесс поступления солей в подледный слой воды прекращается только при очень низких температурах льда, когда ячейки с оставшимся рассолом оказываются изолированными одна от другой и от воды прослойками пресного льда. Таким образом, в глубоком океане, обладающем колоссальным запасом тепла, процесс льдообразования чрезвычайно затруднен, если вообще возможен.

В Северном Ледовитом океане образование и существование льда обусловлено наличием тонкого приповерхностного распресненного слоя воды, под которым наблюдается резкое увеличение солености с глубиной, так называемый слой скачка солености, или галоклин. Глубина конвективного перемешивания тем самым ограничивается толщиной приповерхностного распресненного слоя, в большинстве случаев от 50 до 100 м толщиной. Галоклин формирует соответствующий скачок плотности, который препятствует теплообмену глубинных вод океана с водами приповерхностного распресненного слоя. Поэтому можно сказать, что в Арктическом бассейне процесс льдообразования происходит так же, как в мелком море.

Краткая история современного климата

Климат, как известно, формируется под воздействием совокупности многих климатообразующих факторов, наиболее важными из которых считаются светимость Солнца и расстояние до него, эксцентриситет земной орбиты, положение земной оси в пространстве и угловая скорость вращения Земли, географическое распределение материков и океанов, высота суши над уровнем моря, общая циркуляция атмосферы и океана. Температурные условия на поверхности Земли, кроме того, зависят от массы атмосферы, объема океанических вод, альбедо земной поверхности. Исключительно важным фактором стабилизации климата следует считать Мировой океан, непрерывное существование которого подтверждено на отрезке времени более трех миллиардов лет.

Температура на поверхности Земли за последние три миллиарда лет не претерпевала таких сильных изменений, какие могли бы оказаться губительными для существования земных форм жизни. Во всяком случае, в среднем на Земле всегда были температурные условия, удовлетворяющие сохранению больших объемов жидкой воды. Воды Мирового океана никогда полностью не испарялись и не превращались в лед. Периодически возникавшие на разных этапах истории Земли крупные покровные оледенения, по-видимому, отмечались лишь в тех случаях, когда в околополюсном районе оказывался континент, как это имеет место сегодня в Антарктиде и Гренландии (ее тоже можно считать небольшим континентом).

Расположение континентов и океанов, достаточно близкое к современному, установилось к началу кайнозойской эры (около 67 млн лет тому назад). В кайнозое климат Земли был наиболее теплым в эоценовую эпоху, около 55 млн лет тому назад. Средняя годовая температура воздуха в Европе в то время была выше 22 °С (заметим, что в настоящее время средняя температура воздуха на поверхности Земли около 15 °С). По данным палеоокеанологии, температура глубинных вод в экваториальном поясе Тихого океана составляла 14 °С. Температура воды океанов в придонных слоях низких широт соответствует температуре поверхностных вод полярных бассейнов. То есть термический режим северного океана, который сегодня мы называем Ледовитым, в середине эоцена совершенно исключал возможность образования там морских льдов.

С середины эоцена началось очень медленное, но почти непрерывное понижение температуры, продолжавшееся до начала четвертичного периода. Объяснение причин кайнозойского похолодания климата пока находится на уровне многочисленных и нередко противоречивых гипотез, поэтому здесь этот вопрос не рассматривается, как не окончательно еще разработанный.

Особенностью кайнозойского похолодания климата была пространственная неравномерность остывания. Околополярные районы теряли тепло значительно быстрее, чем экваториальные. Так, средняя годовая температура воздуха в экваториальном поясе понизилась на 3 °С, а в полосе широт 70—80° Северного полушария на 26 °С. Особенно сильно обострились контрасты между летним и зимним сезонами. 

В июле температура воздуха понизилась на экваторе на 4 °С, а на 75° с. ш. на 18 °С, соответственно, в январе понижение составило 2, 5 °С и 40 °С. Из этих данных видно, что одновременно с общим похолоданием в кайнозое существенно нарастали контрасты между полюсом и экватором, между холодным и теплым сезонами.

Наиболее сильно остывала Антарктида, занявшая к тому времени свое положение в южном околополюсном районе. Признаки покровного оледенения на этом континенте появились не позднее 20 млн лет тому назад, но в виде, близком к современному, антарктический ледяной щит сформировался около 

4 млн лет тому назад. Оледенение Гренландии возникло много позже и окончательно сформировалось около 3 млн лет тому назад. Такая задержка может быть объяснена тем, что этот крупнейший остров находится почти в тысяче километров от полюса, а кроме того, сказывалось отепляющее влияние северного океана, который, хотя и сильно охладился, но еще не стал ледовитым.

Большие перепады температур между тропиками и полярными областями неизбежно вызывают усиление зональной составляющей в общей циркуляции атмосферы. Широтная зональность климата в свою очередь обостряет сезонные колебания. Происходит усиление переноса воздушных масс, насыщенных влагой, с акваторий Северной Атлантики и северной части Тихого океана на материки Евразии и Северной Америки, что увеличивает там количество атмосферных осадков и приводит к соответствующему увеличению объема речного стока. Особенности рельефа Евразии таковы, что основная доля речного стока направлена в северный океанический бассейн, где в результате стал увеличиваться приток пресных вод.

Значительную роль в преобразовании климата в кайнозое сыграли также горообразовательные процессы. Установлено, что Альпийская и Гималайская горные страны за последние 10—12 млн лет поднялись на 2—3 км. Увеличение высоты континентов неизбежно сопровождается понижением приземной температуры воздуха, а поднятие горных массивов выше снеговой линии создает условия для возникновения ледников.

Продолжавшееся охлаждение земной поверхности в сочетании с ростом сезонных контрастов температуры привело к тому, что часть осадков стала выпадать в твердом состоянии, в виде снега. Появление значительных заснеженных пространств в холодную половину года привело к резкому увеличению альбедо земной поверхности. Напомним, что ровная поверхность, покрытая свежевыпавшим снегом, способна отразить обратно в атмосферу до 95% падающей солнечной радиации (при среднем альбедо Земли около 30%).

Подобное сочетание климатообразующих факторов создает эффект так называемой положительной обратной связи, когда в цепочке последовательных преобразований создаются условия для усиления первоначальных изменений. Остывание земной поверхности понизило температуру до точки замерзания воды и вызвало тем самым появление твердых атмосферных осадков; появление заснеженных пространств увеличило альбедо поверхности и сократило приток солнечного тепла; это в свою очередь привело к еще большему похолоданию.

После образования гренландского ледяного щита покровные оледенения начали возникать на островах крупных арктических архипелагов — Шпицбергене, Земле Франца-Иосифа, Новой Земле, Северной Земле. В то же время на отмелых приустьевых участках сибирских рек, подверженных сильному опреснению, стали создаваться условия для образования морских льдов. Появление на арктическом шельфе морского ледяного покрова еще увеличило долю отраженной солнечной радиации. Процесс охлаждения северной полярной области значительно ускорился.

Климатообразующие факторы существенных изменений в кайнозойскую эру не претерпели. Из-за приливного трения, замедляющего вращение Земли вокруг оси, продолжительность суток увеличивается  на 17 секунд за миллион лет. В то же время продолжительность года сохраняется, то есть в начале кайнозоя в сутках насчитывалось 23 ч 41 мин, а в году было 370 суток. Угол наклона плоскости экватора Земли к плоскости ее орбиты за последние 30 млн лет менялся в пределах от 22, 068 до 24, 568° с периодичностью около 41 тысячи лет. Эксцентриситет орбиты Земли, сегодня равный 0, 017, менялся от 0, 0007 до 0, 0658 с периодичностью около 1000 лет. Эти колебания пренебрежимо малы. Светимость Солнца оставалась на современном уровне. Почти не изменялись масса и состав атмосферы. Географическое распределение материков и океанов практически соответствовало современному.

К началу плейстоцена (1, 5—2 млн лет тому назад) средняя годовая температура воздуха в Европе опустилась до 10 °С, а температура воды на поверхности северного океанического бассейна понизилась до 2, 2 °С. Количество пресной воды, поступавшее на поверхность северного океана в виде атмосферных осадков и речного стока, превысило величину испарения, и пресная составляющая в водном балансе северной полярной области стала преобладать. Началось формирование поверхностной холодной распресненной водной массы — древнего аналога современной поверхностной арктической воды.

На этом фоне в плейстоцене произошло резкое изменение климата. Медленное охлаждение, постепенно увеличивавшее суровость климата на протяжении нескольких десятков миллионов лет, сменилось резкими ритмическими колебаниями высокой амплитуды с периодичностью порядка ста тысяч лет. На поверхности Евразии и Северной Америки стали возникать обширные покровные оледенения, сменявшиеся относительно короткими промежутками межледниковий. Сегодня не представляется возможным со всей определенностью датировать начало этих колебаний. По разным оценкам, переход к колебательному режиму произошел в промежутке времени от 1 млн до 700 тыс. лет тому назад. В плейстоцене выделено пять главных эпох оледенения, причем каждая состояла из двух или трех стадий. Самым интенсивным было Рисское (по отечественной терминологии — Днепровское) оледенение, состоявшее из двух стадий, максимумы которых датируются около 230 и 190 тыс. лет тому назад. Тогда в Северном полушарии площадь континентального оледенения превышала современную в 13 раз. Концентрация большого количества пресной воды на материках сопровождалась понижением уровня Мирового океана на 120 м ниже современного, что приводило к увеличению поверхности суши до 163 млн км2. Последнее, Вюрмское оледенение достигало максимума 18 тыс. лет назад.

Ледниковый период и морские льды

Возникновение материковых покровных оледенений было подготовлено общим понижением температуры приземного слоя воздуха и переносом влаги, испарявшейся с поверхности океанов и выпадавшей на материках в твердом виде. Это положение представляется очевидным. Но почему в таком случае материковые оледенения, достигнув некоторой максимальной степени развития, разрушались и формировались вновь без каких-либо заметных изменений климатообразующих факторов? В чем заключается причина цикличности этого процесса?

 Согласно современным представлениям, переход от поступательного режима изменений климата к ритмичным колебаниям связан с появлением морских льдов — нового элемента климатической системы Северного полушария. Предположительно это произошло около 700 тыс. лет назад. Арктический океанический бассейн покрылся конжеляционными2 льдами, в природе Земли появился Северный Ледовитый океан. Надо полагать, что переход от безледного режима к ледовому был постепенным, и его установление потребовало нескольких тысяч лет. В конечном итоге арктический морской ледовый покров стал важным звеном в системе океан — атмосфера — ледники — морские льды.

Главным аккумулятором солнечного тепла на Земле является Мировой океан. Высокая теплоемкость и большая масса воды (1, 37

1018 т) сообщают этому звену климатической системы исключительно высокую инерционность. Поглощая и отдавая огромные количества тепла, океан очень мало изменяет свою температуру. Если представить возможным резкое изменение поступления солнечного тепла, то в атмосфере это станет заметным уже через несколько лет, но изменение средней температуры океана может быть замечено только спустя несколько тысяч лет.

Столь же инерционны и наземные покровные оледенения. Континентальные ледниковые щиты типа антарктического или гренландского формируются на протяжении десятков тысяч лет и являются показателем большого дефицита тепла высокоширотных и полярных областей. Для перевода их в жидкое состояние необходимо затратить такое количество тепла, на подведение которого потребуется также несколько тысяч лет. По этой причине высказываемые иногда прогнозы скорого таяния ледниковых щитов Антарктиды и Гренландии, что должно повлечь за собой катастрофическое затопление низменных приморских районов, мягко говоря, несостоятельны.

Морской ледовый покров Арктики появился в результате глубокого охлаждения северной околополярной области и увеличения пресной составляющей водного баланса. Сформировавшаяся в поверхностном слое Северного Ледовитого океана распресненная арктическая водная масса оказалась отделенной от глубоководной части устойчивым галоклином, препятствующим обмену теплом с нижележащими слоями воды, что и делает возможным существование морского льда в Арктике.

Появление морского льда на площади свыше 10 млн км2 резко увеличило альбедо на акватории Арктического бассейна и привело к дефициту тепла. Это обстоятельство способствовало дальнейшему развитию наземных оледенений Евразии и Северной Америки, которые в результате слились в единый ледниковый покров в северной полярной области Земли. Южные границы оледенения постепенно достигли предельного положения, где дальнейшее разрастание ледникового покрова начало тормозиться процессами таяния в умеренных широтах. Накопление льда повышало высоту ледяных куполов, а изъятие влаги из океана приводило к понижению уровня воды. Когда уровень опустился ниже порога Берингова пролива, прекратился водообмен с Тихим океаном. Сплошной ледниковый покров лишил Северный Ледовитый океан атмосферных осадков, которые теперь выпадали на лед, в то же время прекратился и речной сток.

Оледенение северной полярной области понизило температуру воздуха над Северной Атлантикой и северной частью Тихого океана. Уменьшилось испарение, что вызвало сокращение переноса влаги с океанов на материки, питание ледникового щита сократилось. Арктический атмосферный фронт, связанный с положением кромки морских льдов, сместился к югу. По этой причине атлантические циклоны стали проходить значительно южнее, что еще сократило количество осадков над акваторией Северного Ледовитого океана. Все это время Мировой океан продолжал накапливать тепло в экваториальном и тропическом поясах. Происходило обострение температурных контрастов между экватором и полюсом. Продвижение ледникового щита к югу существенно замедлилось, а затем и вовсе прекратилось.

Изъятие пресной составляющей из водного баланса Северного Ледовитого океана привело к постепенному размыванию галоклина и тем самым сделало возможным возобновление глубокой конвекции. Тепло океанических вод стало поступать к поверхности, и начался процесс разрушения морского ледяного покрова. Появление пространств открытой воды и поглощение на этих участках солнечного тепла усилило процесс таяния и отступания ледников. Оледенение вступило в фазу деградации ледниковых щитов.

После разрушения материкового оледенения в Северном полушарии наступила короткая фаза межледниковья, после чего начало развиваться новое оледенение. К настоящему времени установлено, что описанный ледниковый цикл повторился не менее пяти раз, то есть климатическая система стала развиваться в режиме долгопериодных колебаний.

Главное условие существования колебательного процесса — проскакивание точки равновесного состояния за счет сил инерции. Выведенный из состояния равновесия маятник не остановится в нижней точке, прежде чем не совершит несколько колебаний. Оледенение изначально возникает в результате понижения температуры воды до точки замерзания и расходования теплоты кристаллизации. В дальнейшем процесс развивается по цепочке: атмосферные осадки в виде снега — увеличение альбедо подстилающей поверхности — увеличение суровости климата — формирование ледника. Система тем самым выводится из состояния теплового равновесия и переходит на такой уровень, который способствует накоплению льда. В какой-то момент достигается максимум оледенения.

Тепловая инерция ледникового щита не позволяет начаться таянию, так как подведение теплоты плавления в условиях существующего термического режима на поверхности Земли требует промежутка времени порядка нескольких тысяч лет. Когда инерция наконец преодолевается, начинается разрушение ледников. Установлено, что во всех ледниковых циклах фаза разрушения значительно короче, чем фаза накопления льда. Температура приземного слоя быстро повышается и еще более интенсифицирует процесс таяния льдов. В результате преодолевается уровень равновесия климатической системы и количество сохранившихся в Северном полушарии природных льдов оказывается меньше того, которое соответствовало бы равновесному состоянию. Это означает, что колебательный процесс вышел в исходное состояние и созданы условия для начала формирования нового оледенения.

Заключение

Тепловое состояние на поверхности Земли в настоящую эпоху в среднем таково, что климатическая система планеты, находясь близко к положению равновесия, обязательно содержит в своем составе значительное количество воды в твердом состоянии, в виде наземных ледниковых щитов и постоянного морского ледового покрова в северной полярной области. Сложившаяся система устойчива из-за большой тепловой инерционности Мирового океана, благодаря чему колебания климата происходят очень медленно и мягко.

Установившийся на Земле в плейстоцене режим климатической системы близок к автоколебательному. Сегодня нельзя с полной определенностью сказать, затухают эти колебания или усиливаются. Их периодичность имеет порядок около 100 тыс. лет. За это время колебательный цикл проходит фазы накопления льда в виде крупных материковых оледенений, что сопровождается усилением суровости климата, разрушением ледниковых щитов, наступлением времени межледниковий и потепления климата, после чего все повторяется снова. Мы живем в эпоху типичного межледниковья, оптимум которого отмечался около 7000 лет тому назад.

Морские льды Арктики, периодически покрывающие всю акваторию Северного Ледовитого океана, выполняют важные функции в формировании теплового баланса полярной области. Появление морского льда изменяет отражательную способность подстилающей поверхности в среднем от 15% (чистая вода) до 90% (лед, покрытый снегом). Кроме того, морской лед играет роль теплоизолирующего слоя между водой и воздухом, в сотни раз уменьшая теплоотдачу из океана в атмосферу. Таким образом, морские льды служат своеобразным регулятором поглощения и отдачи тепла полярным океаном, что делает их важным звеном, поддерживающим колебательный режим климатической системы.

1 Приходящую солнечную радиацию принято называть коротковолновой, она поступает на Землю в диапазоне длин волн от 0, 3 до 1, 5 мкм. Встречное излучение Земли происходит в инфракрасном диапазоне, в основном на длинах волн от 8 до 13 мкм, и считается длинноволновым.

2 Конжеляционными принято называть льды природных водоемов, образующиеся в результате замерзания (кристаллизации) воды в отличие от глетчерных льдов, которые по происхождению являются осадочными и метаморфическими.