Океански динамички термостат

Океанскиот динамички термостат е физички механизам преку кој промените во просечното радијативно принудување влијаат на градиентите на температурите на морската површина во Тихиот Океан и јачината на Вокеровата циркулација. Зголеменото радијативно форсирање (затоплување) е поефикасно во западниот Тихи Океан отколку во источниот, каде што надојденоста на ладните водни маси ја намалува промената на температурата. Ова го зголемува температурниот градиент исток-запад и ја зајакнува Вокеровата циркулација. Намаленото радијативно форсирање (ладење) има спротивен ефект.
Процесот е посочен за да се објаснат варијациите во температурните градиенти на Тихиот Океан кои се поврзани со инсолацијата и климатските варијации. Исто така, може да биде одговорна за претпоставената корелација помеѓу настаните на Ел Нињо и вулканските ерупции, и за промените во температурните градиенти што се случиле во текот на 20 век. Дали океанскиот динамички термостат го контролира одговорот на Тихиот Океан на антропогеното глобално затоплување е нејасно, бидејќи во игра се конкурентни процеси; потенцијално, може да предизвика климатска тенденција слична на Ла Ниња за време на почетното затоплување пред да биде надмината од други процеси.
1 Заднина
Екваторска Тихоокеанија е клучен регион на Земјата во однос на неговото релативно влијание врз светската атмосферска циркулација. Карактеристичниот температурен градиент исток-запад е поврзан со атмосферската циркулација, Вокеровата циркулација, и понатаму контролирана од атмосферската и океанската динамика. Западниот Тихи Океан го содржи таканаречениот „топол базен“, каде што се наоѓаат најтоплите температури на површината на морето (SSTs) на Земјата. Во источниот дел на Тихиот Океан, обратно, областа наречена „ладен јазик“ е секогаш поладна од топлиот базен, иако тие лежат на иста географска широчина, бидејќи таму се издигнува студена вода. Температурниот градиент помеѓу двете за возврат предизвикува атмосферска циркулација, Вокеровата циркулација, која силно реагира на градиентот SST.
Една важна компонента на климата е Ел Нињо-Јужна осцилација (ENSO), начин на климатска променливост. За време на неговата позитивна/Ел Нињо фаза, водите во централниот и источниот дел на Тихиот Океан се потопли од нормалното, додека за време на неговата студена/Ла Ниња тие се поладни од нормалното. Заедно со овие SST ја менува разликата во атмосферскиот притисок помеѓу промените на источниот и западниот Тихи Океан. Варијациите на циркулацијата на ENSO и Walker имаат светски ефекти врз временските услови, вклучително и природни катастрофи како што се шумски пожари, суши, поплави и активност на тропски циклони. Атмосферската циркулација го модулира навлегувањето на топлина од океанот, силата и положбата на интертропската зона на конвергенција (ITCZ), тропските врнежи и јачината на индискиот монсун.
2 Оригинална хипотеза од Клемент ет ал.
Океанскиот динамички термостат механизам првично бил опишан од Клемент ''ет ал.'' 1996 година во споен модел на океан-атмосфера на екваторскиот океан. Бидејќи во западниот Тихи Океан SST се управуваат само со складирана топлина и топлински текови, додека во источниот Тихи Океан хоризонталната и вертикалната адвекција исто така играат улога. Така, наметнатиот извор на загревање првенствено го загрева западниот Тихи Океан, предизвикувајќи посилни источни ветрови кои го олеснуваат издигнувањето во источниот дел на Тихиот Океан и ја ладат неговата температура - шема спротивна од она што се очекуваше од загревањето. Студената вода што се издигна долж екваторот потоа се шири подалеку од неа, намалувајќи го вкупното затоплување на сливот. На тој начин температурниот градиент помеѓу западниот и источниот Тихи Океан се зголемува, зајакнувајќи ги Пасатите и дополнително зголемувајќи го надоградувањето; ова на крајот резултира со климатска состојба слична на Ла Ниња. Механизмот е сезонски бидејќи нагорувањето е најмалку ефикасно во бореална пролет и најефикасно во бореална есен; така што главно функционира наесен. Поради вертикалната температурна структура, варијабилноста на ENSO станува поредовна за време на ладењето со механизмот на термостатот, но се пригушува за време на затоплувањето.
Моделот на Климент ''ет ал.'' 1996 година ги разгледува само температурните аномалии и не го зема предвид целиот енергетски буџет. По некое време, затоплувањето би се проширило во изворните региони на надојдената вода и во термоклинарот, на крајот пригушувајќи го термостатот. Главниот недостаток на моделот е што претпоставува дека температурата на надојдената вода не се менува со текот на времето.
3 Подоцнежно истражување
Подоцнежните студии го потврдија предлогот на Клемент за голем број климатски модели со различни структури на затоплување и исто така појава на спротивен одговор - пад на градиентот SST - како одговор на климатското ладење. Во целосно споени модели, тенденцијата на атмосферската циркулација да се интензивира со намалување на инсолацијата понекогаш го негира одговорот на термостатот на намалената сончева активност. Лиу, Лу и Ксие 2015 година предложиле дека океанскиот динамички термостат може да работи и во Индискиот Океан, и концептот е проширен за да го покрие Индо-Тихиот Океан како целина, а не само екваторскиот Тихи Океан.
Водата тече од западниот Тихи Океан во Индискиот Океан преку теснецот меѓу Австралија и Азија, феномен познат како Индонезиски проток. Роџерс ''ет ал.'' 1999 година претпоставувал дека посилните трговски ветрови поврзани со океанскиот динамички термостат може да ја зголемат разликата во нивото на морето помеѓу Индискиот и Тихиот Океан, зголемувајќи го протокот и дополнително ладење на Тихиот Океан.
4 Улога во климатската варијабилност
Океанскиот динамички термостат се користи за да се објасни:
* Набљудувањето дека за време на фазата 3 на морски изотоп, ладењето на Гренланд е поврзано со климатските промени слични на Ел Нињо во Тихиот Океан.
* Падот на варијабилноста на ENSO за време на периоди со висока сончева варијабилност.
* Транзицијата кон студена меѓудецениска тихоокеанска осцилација на крајот на 20 век.
4.1 Вулкански и сончеви влијанија
Механизмот за динамички термостат на океаните е прикажан за да ги поврзе вулканските ерупции со промените на ENSO. Вулканските ерупции можат да ја изладат Земјата со вбризгување на аеросоли и сулфур диоксид во стратосферата, кои го рефлектираат дојдовното сончево зрачење. Се сугерира дека во палеоклиматските записи вулканските ерупции често биле проследени со настани на Ел Нињо, но прашање е дали ова се однесува на познатите историски ерупции и резултатите од климатското моделирање се двосмислени. Во некои климатски модели, океанскиот динамички термостатски процес предизвикува појава на настаните на Ел Нињо по вулкански ерупции, во други дополнителни атмосферски процеси го надминуваат ефектот на океанскиот динамички термостат на тихоокеанските SST градиенти.
Процесот на динамички термостат на океаните може да ги објасни варијациите во SST на Тихиот Океан во источниот Тихи Океан кои се поврзани со промените на инсолацијата како што е Далтонскиот минимум. За време на раниот и средниот холоцен, кога есенската и летната инсолација била зголемена, но исто така и за време на средновековната климатска аномалија помеѓу 900-1300 н.е., SSTs во близина на Долна Калифорнија во источниот Тихи Океан биле постудени од вообичаеното. Југозападниот дел на Северна Америка претрпел сериозни мегасуши во ова време, што исто така може да се поврзе со тенденција слична на Ла Ниња во SST на Тихиот Океан. Спротивно на тоа, за време на периоди на ниска инсолација и за време на малото ледено доба, SST се зголемиле. Овој регион се наоѓа во Калифорниската струја која е под влијание на источниот Тихи Океан кој ја контролира температурата на надојдената вода. Ова дополнително било потврдено со анализи со дополнителни видови фораминифери. Зголемената продуктивност во водите на океанот во близина на Перу за време на средновековната климатска аномалија и римскиот топол период помеѓу 50-400 н.е. термоклин и зголемено издигнување на водите богати со хранливи материи. Сепак, предложени се дополнителни механизми што ја поврзуваат екваторската тихоокеанска клима со промените на инсолацијата.
4.2 Улога во последните климатски промени
Промените во екваторските тихоокеански SST-и предизвикани од антропогеното глобално затоплување се важен проблем во климатските прогнози, бидејќи тие влијаат на локалните и глобалните климатски обрасци. Океанскиот динамички термостат механизам се очекува да го намали антропогеното затоплување на источниот Тихи Океан во однос на западниот Тихи Океан, со што ќе го зајакне градиентот SST и циркулацијата на Вокер. На ова се спротивставува слабеењето на циркулацијата на Вокер и поефикасното испарувачко ладење на западниот Тихи Океан под глобалното затоплување. Оваа компензација помеѓу различните ефекти го отежнува проценувањето на евентуалниот исход на циркулацијата на Вокер и градиентот SST. Во CMIP5 моделите обично не е доминантниот ефект.
Океанскиот динамички термостат е повикан за да се објаснат контрадикторните промени во Тихиот Океан во 20 век. Поточно, се чини дека има истовремено зголемување на градиентот SST, но исто така слабеење на циркулацијата на Вокер особено во текот на летото. Сите овие набљудувања се неизвесни, поради посебните избори на метрика што се користат за опишување на градиентите на SST и јачината на циркулацијата на Вокер, како и проблемите со мерењето и предрасудите. Сепак, океанскиот динамички термостат механизам може да објасни зошто градиентот SST се зголемил за време на глобалното затоплување и, исто така, зошто циркулацијата на Вокер станува посилна во есен и зима, бидејќи ова се годишните времиња кога подемот е најсилен. Од друга страна, затоплувањето во Атлантскиот Океан и генерално промените во температурните градиенти меѓу океаните може да играат улога.
4.2.1 Проектирани идни промени
Климатските модели обично прикажуваат промена слична на Ел Нињо, тоа е намалување на градиентот SST. Во бројни модели, постои шема зависна од времето со почетно зголемување на градиентот SST („брз одговор“) проследено со слабеење на градиентот („бавен одговор“) особено, но не само во случај на нагло зголемување на концентрациите на стакленички гасови. Ова може да ја одрази намалената јачина на океанскиот динамички термостат со зголемено затоплување и затоплување на надојдената вода, што се случува со задоцнување од неколку децении по затоплувањето на површината и е познато како „океански тунел“. Од друга страна, климатските модели може да ја потценат силата на ефектот на термостатот.
* Според Ан и Им 2014, во океански динамички модел двојно зголемување на концентрациите на јаглерод диоксид првично го лади студениот јазик на источниот Тихи Океан, но дополнителното зголемување на концентрациите на јаглерод диоксид на крајот предизвикува ладењето да престане и студениот јазик да се намалува Нивниот модел не ги зема предвид промените во температурата на термоклина, што би имало тенденција да се случи по повеќе од една деценија глобално затоплување.
* Според Луо ''ет ал.'' 2017 година, океанскиот динамички термостат на крајот е обземен прво со слабеење на трговските ветрови и зголемена стратификација на океаните што го намалува снабдувањето со ладна вода во зоните на издигнување, и второ со пристигнувањето на потоплите суптропски води таму. Во нивниот модел, транзицијата трае околу една деценија.
* Според Хеде, Федоров и Бурлс 2020 година, поголемото затоплување на климата надвор од тропските предели отколку внатре во нив, на крајот предизвикува затоплување на водата што пристигнува во областите на издигнување и слабеење на океанските струи што ја транспортираат. Ова го негира ефектот на термостатот по околу две децении во случај на нагло зголемување на концентрациите на стакленички гасови, и по околу половина до еден век кога концентрациите на стакленички гасови се зголемуваат побавно.
* Со понатамошно затоплување на подповршинскиот океан, јачината на океанскиот динамички термостат се очекува да опадне, бидејќи намалената стратификација значи дека моментумот е помалку концентриран во површинскиот слој и на тој начин се намалува издигнувањето.
* Според Хеде и Федоров 2021 година, во некои климатски модели механизмот на термостатот првично преовладува над другите механизми и предизвикува ладење на суптропскиот и централниот Тихи Океан. На крајот, повеќето модели се спојуваат во шема на екваторско затоплување.
5 Други контексти
Терминот „океански динамички термостат“ исто така се користи во малку различни контексти:
* Интеракцијата помеѓу слабеењето на Вокеровата циркулација и екваторското подножје. Поточно, послабите источни ветрови во Тихиот Океан го намалуваат сопирањето на Подната струја, со што го забрзуваат. Овој процес доминира во однос на намалувањето на противпротокот кон исток на Потиската струја. Така, послабата циркулација на Вокер може да го зголеми протокот на подножјето и на тој начин да се издигне во источниот Тихи Океан, ладејќи го. Споените модели на општа циркулација често не го прикажуваат правилно овој одговор на градиентите под струја и SST; првото може да биде причина за широко распространето потценување на градиентите на SST во овие модели.
* Посилните ветрови предизвикуваат испарувачко ладење на тропските SST.
* Според Хеде, Федоров и Бурлс 2020, како одговор на наглото зголемување на концентрациите на стакленички гасови слабите средни климатолошки ветрови дозволуваат Индискиот Океан да се загрее повеќе од Тихиот Океан. Ова има тенденција да предизвика посилни источни ветрови над Тихиот Океан, што дополнително го намалува затоплувањето во Тихиот Океан. За разлика од океанскиот динамички термостат, сепак овој ефект на ладење е концентриран во централно-источниот Тихи Океан, додека западните ветрови предизвикани од загревањето над Јужна Америка предизвикуваат затоплување на источниот Тихи Океан.
6 Наводи