Table of Contents

Динамические силы, стоящие за изменением уровня моря

Уровни моря не являются статическими. Они постоянно меняются в ответ на сложное взаимодействие физических сил, от гравитационного притяжения Луны до температуры глубокого океана. В то время как большое внимание общественности сосредоточено на долгосрочном повышении, связанном с изменением климата, ежедневные и годовые изменения уровня моря в значительной степени обусловлены океанскими течениями и климатическими моделями. Понимание этих динамических сил имеет важное значение для прогнозирования региональных воздействий, проектирования прибрежной инфраструктуры и планирования на будущее. В этой статье рассматривается, как течения и климат модулируют уровни моря, отделяя краткосрочную изменчивость от долгосрочных тенденций.

Уровень моря измеряется двумя основными способами: абсолютным уровнем моря, который измеряет высоту поверхности океана относительно центра Земли, и относительным уровнем моря, который измеряет высоту поверхности океана относительно суши.На оба измерения влияют течения и климат, но относительный уровень моря особенно важен для прибрежных сообществ, поскольку он определяет фактическую линию воды вдоль берегов.

Физика уровня моря: тепловое расширение и массовое сложение

Прежде чем исследовать роль течений и климатических моделей, полезно понять два фундаментальных механизма, которые изменяют уровень моря. Первый - тепловое расширение: по мере нагревания морской воды она расширяется и занимает больше объема, повышая уровень моря. Второй - массовое добавление: когда вода из ледников, ледяных щитов или наземного хранения поступает в океан, общая масса океанской воды увеличивается, повышая уровень моря. Эти два механизма составляют более 90% наблюдаемого глобального среднего повышения уровня моря за последнее столетие, согласно Шестому отчету об оценке МГЭИК .

Тепловое расширение быстро реагирует на изменения температуры океана, на которые влияют течения, переносящие тепло по планете. Массовое сложение, между тем, зависит от баланса массы ледников и ледников, который регулируется климатическими условиями в более длительных временных рамках. Океанские течения играют критическую роль в обоих механизмах за счет перераспределения тепла и влияния на региональные температуры.

Океанские течения: Конвейерный пояс тепла и воды

Океанские течения — это крупномасштабные движения воды, циркулирующей через мировые океаны. Они обусловлены ветром, вращением Земли, различиями в плотности воды (термохалинной циркуляции) и форме океанских бассейнов. Эти течения переносят огромное количество тепла и воды из одного региона в другой, создавая региональные колебания уровня моря до нескольких футов.

Как токи создают градиенты уровня моря

В Северном полушарии эффект Кориолиса отклоняет движущуюся воду вправо от направления движения. Это отклонение заставляет воду накапливаться на правой стороне течения, создавая наклон в поверхности моря. Например, Гольфстрим, который течет на север вдоль восточного побережья Соединенных Штатов, толкает воду к континентальному шельфу, в результате чего уровень моря примерно на один метр выше вдоль побережья США по сравнению с морской стороной течения. Это явление, известное как динамическая топография , является прямым следствием текущего перераспределения воды.

Теплые течения обычно производят более высокие уровни моря, потому что теплая вода менее плотная и занимает больше объема. Холодные течения, наоборот, связаны с более низкими уровнями моря. Куросио течение в западной части Тихого океана является еще одним примером, когда теплая вода создает выраженный уровень моря высоко, в то время как Калифорнийский поток, холодный ток, протекающий на юг вдоль западного побережья США, способствует относительно более низким уровням моря в этом регионе. Эти региональные различия могут быть такими же большими, как глобальное среднее повышение уровня моря, ожидаемое в течение нескольких десятилетий.

Роль западных пограничных течений

Западные пограничные течения — такие как Гольфстрим, Куросио, Агулхас и Бразилиа — это быстрые, узкие и глубокие течения, которые транспортируют теплую воду в сторону полюса. Они являются одними из самых мощных течений в океане и оказывают непропорционально большое влияние на уровень моря. Поскольку эти течения усиливают или смещают положение, они могут изменять уровень прибрежного моря на десятки сантиметров. Исследования показывают, что изменения в силе и положении Гольфстрима, возможно, способствовали ускоренному повышению уровня моря вдоль северо-восточных Соединенных Штатов и частей Европы за последние несколько десятилетий. Для более подробной информации об этих динамиках ресурс NOAA Ocean Currents предоставляет отличный обзор.

Термохалиновая циркуляция и эффекты глубокого океана

Помимо поверхностных течений, глобальная термохалинная циркуляция, часто называемая глобальным конвейерным поясом океана, перемещает глубокие водные массы через океанские бассейны. Эта циркуляция обусловлена различиями в температуре и солености, которые влияют на плотность воды. Изменения в глубоководном образовании, такие как те, на которые влияет таяние льда в Северной Атлантике, могут замедлить или изменить эту циркуляцию, что приводит к значительным региональным изменениям уровня моря. Например, замедление Атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции (AMOC), может привести к повышению уровня моря вдоль восточного побережья США при потенциальном снижении уровня моря в частях Северной Атлантики.

Климатические модели и их краткосрочное влияние на уровень моря

В то время как океанские течения создают устойчивые региональные градиенты уровня моря, климатические модели вносят изменчивость на сезонных и десятилетних временных масштабах. Эти модели, которые включают взаимодействие между атмосферой и океаном, могут временно повышать или понижать уровень моря в конкретных регионах путем перераспределения тепла и воды.

Эль-Ниньо-Южное колебание (ENSO)

Эль-Ниньо-Южное колебание является наиболее известной климатической моделью, влияющей на глобальные уровни моря. Во время Эль-Ниньо торговые ветры ослабевают в тропической части Тихого океана, позволяя теплой воде смещаться на восток к побережью Южной Америки. Это перераспределение теплой воды вызывает повышение уровня моря в восточной части Тихого океана (до 30 сантиметров в некоторых районах) и падение в западной части Тихого океана. Во время событий Ла-Нинья происходит обратное, когда теплая вода накапливается в западной части Тихого океана и уровень моря падает на востоке. Эти изменения являются временными, но могут оказать значительное влияние на прибрежные наводнения, эрозию и экосистемы.

Цикл ENSO также влияет на глобальный средний уровень моря меньшим, но измеримым образом. В течение лет Эль-Ниньо больше осадков выпадает над океаном, а не над сушей, временно способствуя незначительному повышению глобального уровня моря, в то время как годы Ла-Нинья видят небольшое падение. Этот эффект на порядок нескольких миллиметров, но иллюстрирует, как климатические модели модулируют глобальный водный цикл.

Тихоокеанское десятилетнее колебание (PDO) и Североатлантическое колебание (NAO)

Долгосрочные климатические модели, такие как Тихоокеанское десятилетнее колебание и Североатлантическое колебание, также влияют на уровень моря. PDO, который сдвигается между теплыми и прохладными фазами в течение 20–30 лет, может изменить силу и положение течения Куросио и других тихоокеанских течений, приводя к многодекадным изменениям уровня моря вдоль побережий Северной Америки и Азии. Аналогичным образом, NAO влияет на ветровые модели и штормовые пути через Северную Атлантику, влияя на силу Гольфстрима и распределение воды вдоль европейских и североамериканских побережий. Эти модели могут либо усиливать, либо компенсировать фоновую тенденцию повышения уровня моря, что делает региональные прогнозы особенно сложными.

Региональная изменчивость уровня моря: более близкий взгляд

Взаимодействие между климатическими моделями и океанскими течениями создает различные региональные «горячие точки» уровня моря. Например, западная часть Тихого океана испытала одни из самых высоких темпов повышения уровня моря в последние десятилетия, отчасти обусловленные усилением торговых ветров в рамках определенной фазы PDO и ENSO. Напротив, в некоторых частях восточной части Тихого океана наблюдались относительно более медленные темпы роста. Вдоль Атлантического побережья США изменения Гольфстрима, связанные с NAO и AMOC, способствовали темпам повышения уровня моря, которые в три-четыре раза превышают среднемировой показатель в некоторых районах, таких как Норфолк, Вирджиния и регион Чесапикского залива.

Эти региональные различия подчеркивают важность понимания местной динамики. Глобальное повышение среднего уровня моря на несколько миллиметров в год может привести к очень различным местным реалиям в зависимости от влияния течений и климатических моделей.

Долгосрочное изменение климата и ускорение повышения уровня моря

На изменчивость, вызванную течениями и климатическими моделями, накладывается долгосрочная тенденция глобального повышения уровня моря, обусловленная антропогенным изменением климата. С начала двадцатого века глобальный средний уровень моря поднялся примерно на 21-24 сантиметра (8-9 дюймов), причем темпы роста ускоряются в последние десятилетия. Основными факторами являются тепловое расширение и таяние ледников и ледяных щитов, которые усиливаются по мере повышения глобальной температуры.

Динамика ледяного покрова и текущие взаимодействия

Гренландский и антарктический ледяные щиты содержат достаточное количество замерзшей воды, чтобы поднять глобальный уровень моря на десятки метров. В то время как их полное таяние заняло бы столетия, их вклад в повышение уровня моря уже значителен и ускоряется. Океанские течения играют критическую роль в этом процессе, транспортируя теплую воду на края ледяных щитов. В Западной Антарктиде, например, теплые циркумполярные глубокие водные потоки на континентальный шельф и под шельфовые ледники, тают их снизу. Этот процесс может дестабилизировать шельфовые ледники, позволяя внутренним ледникам быстрее втекать в океан. Скорость потери льда из Гренландии и Антарктиды в настоящее время тесно связана с поведением океанских течений, что делает взаимодействие между течениями и климатом центральной проблемой для прогнозов уровня моря.

Тепловое расширение: Потепление океана

Океан поглотил более 90% избыточного тепла, захваченного парниковыми газами. В результате океан значительно прогрелся, что привело к тепловому расширению, которое способствует примерно одной трети - половине наблюдаемого глобального повышения уровня моря. Течения распределяют это тепло неравномерно, а это означает, что некоторые регионы испытывают большее тепловое расширение, чем другие. Например, субтропические круги особенно быстро нагревались в последние десятилетия, способствуя повышению уровня моря выше среднего в этих регионах. Портал уровня моря НАСА предоставляет подробные данные и визуализации по тепловому расширению и его региональному распределению.

Ускорение региональных горячих точек

Поскольку океанские течения и климатические модели модулируют распределение тепла и воды, изменение климата не должно повышать уровень моря равномерно. В некоторых регионах темпы роста будут существенно выше, чем в среднем по миру, в то время как в других могут наблюдаться темпы роста, которые ниже или даже отрицательны. Эти региональные «горячие точки» часто расположены там, где меняются текущие системы или где климатические модели усиливают фоновую тенденцию. Прибрежные сообщества в этих горячих точках столкнутся с самыми непосредственными проблемами от повышения уровня моря, включая усиление наводнений, эрозии и вторжения соленой воды в пресноводные запасы.

Мониторинг и прогнозирование уровня моря: инструменты и методы

Точные измерения и прогнозирование изменений уровня моря требуют сочетания спутниковых наблюдений, датчиков приливов и моделей океана. Спутниковая альтиметрия, начиная с миссии TOPEX/Poseidon в 1992 году и продолжаясь с серией Джейсона и Sentinel-6 Майкла Фрейлиха, обеспечивает глобальное покрытие высоты поверхности моря с точностью лучше, чем несколько сантиметров. Эти данные позволяют ученым отслеживать изменения океанских течений, контролировать тепловое расширение и с высокой точностью обнаруживать региональные тенденции уровня моря.

Приливные датчики обеспечивают долгосрочные записи относительного уровня моря в конкретных прибрежных местах, некоторые из которых датируются более чем столетием. Эти записи необходимы для понимания того, как уровень моря изменился в ответ на прошлые климатические модели и для проверки спутниковых измерений. В сочетании с океанографическими данными от поплавков Argo - массива автономных инструментов, которые измеряют температуру и соленость во всем глобальном океане - ученые теперь могут распутать вклад теплового расширения, массового сложения и текущего перераспределения в наблюдаемые изменения уровня моря.

Моделирование будущего

Климатические модели используются для прогнозирования будущих изменений уровня моря в соответствии с различными сценариями выбросов парниковых газов. Эти модели имитируют океанские течения, динамику ледяного покрова и климатические модели, позволяя исследователям оценивать как глобальное среднее повышение уровня моря, так и региональные изменения. Модели последнего поколения, используемые в Шестом оценочном докладе МГЭИК, прогнозируют глобальное среднее повышение уровня моря на 0,3-1,0 метра к 2100 году в сценариях с низким и высоким уровнем выбросов соответственно. Однако региональные прогнозы остаются более неопределенными из-за сложности текущего и климатического взаимодействия.

Улучшение региональных прогнозов является одним из приоритетных направлений планирования адаптации. Менеджеры прибрежных районов должны знать не только то, насколько уровень моря будет расти в глобальном масштабе, но и то, как он будет меняться вдоль их конкретной береговой линии. Достижения в моделировании с высоким разрешением и лучшее понимание обратной связи с текущим климатом постепенно снижают эту неопределенность. Например, ресурсы NOAA Climate.gov на уровне моря предлагают инструменты для изучения региональных прогнозов и исторических данных.

Готовимся к будущему меняющихся морей

Взаимодействие океанских течений, климатических моделей и уровня моря является сложным, но его последствия очевидны. Прибрежные сообщества во всем мире уже испытывают последствия повышения уровня моря, от увеличения приливных наводнений до более сильных штормовых нагонов. Понимание роли течений и климата в модуляции уровня моря имеет важное значение для разработки эффективных стратегий адаптации.

Например, в регионах, где повышение уровня моря ускоряется в результате текущих сдвигов, таких как среднеатлантическое побережье США, планирование инфраструктуры должно учитывать потенциально более высокие темпы роста, чем в среднем по миру. Напротив, в регионах, где течения и климатические модели в настоящее время подавляют повышение уровня моря, может произойти внезапное ускорение, если эти модели сместятся. Поэтому гибкие и адаптивные подходы к планированию, которые включают в себя ряд возможных вариантов будущего, имеют решающее значение.

Инвестиции в береговую оборону, такие как морские стены, барьеры для резких скачков и природные решения, такие как восстановление водно-болотных угодий и сохранение мангровых зарослей, могут помочь смягчить последствия повышения уровня моря. Однако эти меры должны быть разработаны с учетом местных условий, включая влияние течений и климатических моделей на риск наводнений. Во многих случаях сочетание структурной обороны с улучшенным планированием землепользования и системами раннего предупреждения обеспечивает наиболее экономически эффективный подход.

Международное сотрудничество также имеет жизненно важное значение. Повышение уровня моря является глобальным явлением, которое требует скоординированного мониторинга, исследований и политических мер. Такие организации, как Глобальная система наблюдения за уровнем моря (ГЛОСС), Всемирная программа исследований климата (ВКРП) и Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК), играют центральную роль в продвижении научного понимания и информировании лиц, принимающих решения.

Заключение

Уровень моря — это не единственное число, которое равномерно поднимается по всему земному шару. Это динамическое региональное явление, формируемое постоянным движением океанских течений и изменчивостью климатических моделей. Эти силы создают естественные колебания уровня моря, которые могут быть такими же большими, как долгосрочная тенденция, обусловленная изменением климата, и они определяют, где последствия повышения уровня моря будут ощущаться наиболее остро.

Океанские течения перераспределяют тепло и воду, создавая устойчивые региональные различия в уровне моря. Климатические модели, такие как ENSO, PDO и NAO, вносят изменчивость на сезонных и десятилетних временных масштабах, иногда усиливая, а иногда маскируя основную тенденцию глобального повышения уровня моря. По мере ускорения изменения климата взаимодействие между этими естественными процессами и антропогенным потеплением будет определять темпы и характер изменения уровня моря в ближайшие десятилетия.

Улучшая наше понимание того, как течения и климат модулируют уровень моря, и инвестируя в мониторинг, моделирование и адаптивное планирование, мы можем лучше подготовить прибрежные сообщества к предстоящим изменениям. Океан является мощной и динамичной системой, и уважение его сложности является первым шагом к построению устойчивого будущего.