Table of Contents

Почему соленость океана имеет большее значение, чем вы думаете

Солёность океана является фундаментальным параметром системы Земли, который напрямую влияет на динамику климата, морскую экологию и глобальные водные циклы. В то время как часто упускается из виду в общественных дискуссиях об изменении климата, солёность выступает в качестве основного двигателя океанической циркуляции и помогает регулировать распределение тепла по планете. Понимание того, как концентрации соли меняются и изменяются с течением времени, имеет важное значение для прогнозирования будущих климатических условий, управления рыболовством и защиты прибрежных сообществ. В этой статье исследуются механизмы, которые контролируют солёность океана, его критическую роль в регулировании климата и последствия продолжающихся сдвигов, вызванных потеплением мира.

Что такое соленость океана?

Соленость океана относится к общей концентрации растворенных солей в морской воде. Доминирующей солью является хлорид натрия (NaCl), на долю которого приходится около 85% растворенных твердых веществ, но морская вода также содержит значительное количество ионов магния, кальция, калия и сульфата. Соленость чаще всего выражается в практических единицах солености (PSU) или частях на тысячу (ppt), при этом среднее глобальное значение составляет около 35 ppt. Это значение удивительно стабильно в течение длительного времени, но оно демонстрирует значительную региональную изменчивость, которая имеет решающее значение для физики и биологии океана.

Соленость не является статическим свойством. Она изменяется в ответ на баланс между входами и выходами пресной воды на поверхности океана. Испарение удаляет чистую воду, оставляя соли позади и повышая соленость. Осадки, стоки рек и таяние льда добавляют пресную воду, снижая соленость. Это взаимодействие создает четкие модели солености по всему миру, от очень соленых субтропических кругов до более пресных вод вблизи полярных регионов и устьев рек. Измерение солености точно требует либо выборки на месте с помощью приборов, таких как профили с глубиной проводимости-температурой (CTD) профилировщики или спутниковое дистанционное зондирование, которое обнаруживает изменения в микроволновых выбросах с поверхности моря.

Факторы, которые приводят к вариациям солености

Несколько взаимосвязанных процессов определяют распределение соли в Мировом океане. Понимание этих факторов является ключом к интерпретации наблюдаемых изменений и прогнозированию будущих тенденций.

Испарение и осадки

Чистый баланс между испарением и осадками является доминирующим контролем за соленостью поверхности. В субтропических регионах, где солнечное отопление интенсивно и атмосферная циркуляция способствует сухим условиям, испарение значительно превышает осадки. Это создает крупномасштабные максимумы солености, такие как в субтропическом круговороте Северной Атлантики, где соленость может превышать 37 ppt. И наоборот, зона межтропической конвергенции и районы высоких широт получают обильные осадки, разбавляя поверхностные воды и производя минимум солености ниже 33 ppt. Эти контрасты приводят к различиям плотности, которые инициируют и поддерживают океанские течения.

Поток рек и сброс грунтовых вод

Континентальный стоок доставляет пресную воду в прибрежные океаны, значительно снижая соленость в устьях и шельфовых морях. Крупные речные системы, такие как Амазонка, Конго и Ганга-Брахмапутра, создают огромные шлейфы воды низкой солености, которые простираются на сотни километров от берега. Сброс подземных вод также способствует пресной воде, хотя его влияние более локализовано. Изменения речного потока из-за строительства плотины, орошения или изменения моделей осадков могут непосредственно влиять на режимы солености прибрежных районов, что имеет последствия для местных экосистем и рыболовства.

Формирование морского льда и его таяние

В полярных регионах сезонный цикл роста и таяния морского льда оказывает мощное влияние на соленость. При замерзании морской воды большая часть соли выбрасывается из кристаллов льда и концентрируется в подстилающей воде, процесс, называемый отторжением рассола. Это производит холодную, плотную, высокосоленую воду, которая тонет и помогает вести глубокую океаническую циркуляцию. При таянии морского льда летом он выделяет пресную воду, снижая засоленность поверхности и стабилизируя водную колонну. Чистый эффект этих процессов чувствителен к изменению климата, так как потепление уменьшает протяженность льда и изменяет сроки таяния.

Океанские течения и смешивание

Адвекция океанскими течениями перераспределяет соленость от областей чистого испарения к областям чистого осадка. Гольфстрим, например, переносит теплую, соленую воду из субтропического Североатлантического в Северные моря, где он влияет на глубоководное образование. Турбулентное смешивание, приводимое в движение ветрами, приливами и вихрями, также сглаживает градиенты солености с течением времени. Совместное действие циркуляции и смешивания определяет трехмерное распределение соли в океане, которое является центральным для климатической системы планеты.

Главная роль солености в регулировании климата

Соленость — это не просто пассивный индикатор; она активно участвует в климатической системе, контролируя плотность морской воды и, следовательно, приводя в движение термохалинную циркуляцию. Плотность зависит как от температуры, так и от солености, но соленость играет особенно важную роль в высоких широтах, где разница температур невелика. Изменение солености всего 0,1 п.п. может изменить плотность достаточно, чтобы повлиять на конвективное смешивание и глубоководное образование, с глобальными последствиями.

Глобальный конвейерный пояс

Термохалинная циркуляция, часто описываемая как глобальный конвейерный пояс, представляет собой медленную, глубоководную циркуляцию, которая соединяет все основные океанские бассейны. Она переносит огромное количество тепла, углерода и питательных веществ вокруг планеты. Циркуляция обусловлена погружением плотной воды в высоких широтах, особенно в Северной Атлантике и вокруг Антарктиды. Эта плотная вода образуется при охлаждении и отторжении рассола, увеличивая плотность достаточно для того, чтобы поверхностные воды опускались на большие глубины. Получающиеся глубокие водные массы распространяются в экваторе, вверх по течению в других регионах и в конечном итоге возвращаются на поверхность. Соленость является критическим ингредиентом в этом процессе, потому что она определяет, сколько охлаждения необходимо для запуска погружения. Если поверхностные воды слишком свежи и плавучи, конвекция может прекратиться, как это произошло во время прошлых ледниковых событий.

Тепловой транспорт и региональный климат

Термохалинная циркуляция перераспределяет тепло от тропиков к полюсам, смягчая климат многих регионов. Североатлантический сектор особенно чувствителен к изменениям солености, поскольку образование глубоководных там выделяет огромное количество тепла в атмосферу. Это тепло сохраняет северо-западную Европу на несколько градусов теплее, чем она была бы в этой широте. Если соленость уменьшается из-за увеличения осадков или поступления талой воды, глубоководное образование может ослабевать, уменьшая транспортировку тепла на север и потенциально охлаждая части Европы. Такой сценарий наблюдался в климатических моделях моделирования и выводился из палеоклиматических записей, хотя риск для текущего века остается дискуссионным.

Хранение углерода и окисление океана

Соленость также влияет на способность океана поглощать углекислый газ из атмосферы. Растворимость CO2 в морской воде зависит от температуры и солености, при этом более холодные, соленые воды способны удерживать больше растворенного неорганического углерода. Глубокое водное образование переносит этот углерод в океанскую глубину, где он может оставаться на протяжении веков и тысячелетий. Изменения солености и циркуляции поэтому влияют на эффективность биологических и растворимых насосов, регулирующих уровень CO2 в атмосфере. Кроме того, градиенты солености влияют на распределение морских организмов, образующих карбонат кальция оболочки, которые чувствительны к подкислению, сопровождающему поглощение CO2.

Региональные модели изменения солености

Наблюдения последних нескольких десятилетий показывают четкую картину изменения солености, которая согласуется с усиливающимся глобальным водным циклом. Соленые регионы субтропических океанов становятся более солеными, в то время как свежие регионы высоких широт и тропиков становятся более свежими. Это усиление существующих контрастов - именно то, что климатические модели предсказывают для более теплого мира, где более теплый воздух может удерживать больше влаги, что приводит к более сильному испарению из регионов источника и более тяжелым осадкам в других местах.

Атлантический бассейн

В последние десятилетия в Северной Атлантике произошли значительные изменения солености. Подполярный круговорот стал более свежим, особенно в море Лабрадора, из-за увеличения осадков и таяния льда. Это освежение имеет потенциал для уменьшения глубоководного образования и ослабления Атлантического меридионального опрокидывания (AMOC). Между тем субтропическая Северная Атлантика стала более соленой, что отражает усиленное испарение. Наблюдения из массива поплавков Argo показывают, что эти тенденции ускоряются, что влияет на изменчивость климата в десятилетние сроки.

Тихий и Индийский океаны

Тропическая часть Тихого океана демонстрирует сильный контраст солености между свежим западным теплым бассейном и более соленой восточной экваториальной зоной апвеллинга. События Эль-Ниньо нарушают эту картину, изменяя осадки и океанические течения, вызывая аномалии солености, которые можно отслеживать как предикторы изменчивости климата. В Индийском океане изменения солености связаны с силой муссона и притоком пресной воды из крупных рек. Бенгальский залив, в частности, получает огромный приток пресной воды, создавая сильно стратифицированный верхний океан, который модулирует интенсивность циклона и биологическую продуктивность.

Южный океан и Арктика

Южный океан является критическим регионом для глобальной солености и климата, поскольку он является основным местом глубоководного образования вокруг Антарктиды. Здесь отторжение рассола при производстве морского льда создает плотную воду, которая тонет и питает абиссальный океан. Потепление и увеличение поступления пресной воды из тающих шельфовых ледников освежают поверхностный слой, потенциально уменьшая образование Антарктической низменной воды. В Арктике потеря морского льда и увеличение речного стока вызывают повсеместное освежение, что влияет на стратификацию Северного океана и экспорт пресной воды в Северную Атлантику через пролив Фрам и Канадский архипелаг.

Влияние изменений солености на морскую жизнь

Морские организмы эволюционировали, чтобы функционировать в определенных диапазонах солености, и многие чувствительны даже к скромным изменениям.Соленость влияет на осморегуляцию, плавучесть, размножение и развитие личинок. Когда соленость отклоняется от оптимальных уровней, организмы испытывают физиологический стресс, который может уменьшить рост, увеличить смертность и изменить состав сообщества.

Коралловые рифы и прибрежные экосистемы

Коралловые рифы относятся к числу наиболее чувствительных экосистем к стрессу солености. Кораллы и их симбиотические водоросли имеют узкую толерантность к изменению солености, а длительное воздействие низкой солености может вызвать отбеливание и гибель. Особенно уязвимы рифы вблизи устьев рек или в регионах с сильными осадками. Мангровые леса и луга морской травы также имеют специфические требования к солености, а изменения в поступлениях пресной воды могут сместить зонирование этих мест обитания. Например, снижение речного стока в засушливые годы может позволить солеустойчивым видам посягать на верхние эстуариевые районы, вытесняя пресноводные сообщества.

Рыба и рыболовство

Многие коммерчески важные виды рыб имеют различные предпочтения солености для нереста, питомника и кормления. На треску, сельдь и лосося влияют градиенты солености на ранних этапах их жизни. В Северном море изменения солености были связаны с изменениями в распределении рыбных запасов, поскольку виды перемещаются для отслеживания их оптимальной среды обитания. Для зависящих от эстуариев видов, таких как креветки и менхаден, соленость определяет их доступ к питомникам и их воздействие на хищников. По мере изменения солености модели меняются с изменением климата, менеджеры рыболовства должны адаптировать свои стратегии для учета изменения распределения видов и производительности.

Планктон и морская пищевая сеть

Фитопланктон, основа морской пищевой сети, чувствителен к солености, поскольку влияет на их осмотическое равновесие и поглощение питательных веществ. Разные виды имеют разную оптимуму солености, поэтому изменения региональной солености могут изменять состав сообщества фитопланктона и сроки цветения. Это оказывает каскадное воздействие на зоопланктон, личинки рыб и более высокие трофические уровни. В Арктике освежление поверхностного океана сопровождается усилением стратификации, что может уменьшить поступление питательных веществ из более глубоких вод и ограничить первичное производство. И наоборот, в некоторых субтропических регионах повышенная соленость может усилить контраст плотности, который улавливает питательные вещества в глубоком океане.

Мониторинг солености океана: инструменты и технологии

Точные, устойчивые наблюдения за соленостью океана имеют важное значение для обнаружения климатических сигналов, проверки моделей и информирования политики. За последние два десятилетия были достигнуты значительные успехи в наблюдательном потенциале, обусловленные международными программами и новыми технологиями.

Археологический аркадный массив Argo Float Array

Программа Argo, начавшаяся в начале 2000-х годов, произвела революцию в нашей способности измерять температуру и соленость по всему глобальному океану. Argo плавает на глубине, периодически поднимаясь на поверхность для измерения проводимости (что дает соленость), температуры и давления. В настоящее время активны более 3800 поплавков, обеспечивая профили с верхних 2000 метров каждые 10 дней. Этот набор данных позволил ученым картировать тенденции солености с беспрецедентным разрешением и обнаруживать усиление водного цикла. Данные Argo свободно доступны и лежат в основе нашего нынешнего понимания изменчивости климата океана.

Спутниковое дистанционное зондирование

Две спутниковые миссии расширили измерения солености до глобального масштаба: миссия Европейского космического агентства по влажности почвы и солености океана (SMOS), запущенная в 2009 году, и миссия НАСА Aquarius / SAC-D, которая работала с 2011 по 2015 год. Эти спутники измеряют температуру яркости поверхности моря на микроволновых частотах L-диапазона, которая чувствительна к солености. Хотя пространственное разрешение является грубым (около 50-150 км) и поиски являются сложными вблизи берегов и в холодных водах, спутниковые данные обеспечивают ценный охват отдаленных регионов и дополняют измерения на месте. Предстоящая миссия NASA / CNES поверхностные воды и океаническая топография (SWOT) также будет косвенно способствовать, предоставляя данные высокого разрешения о высоте поверхности моря и течениях.

Автономные автомобили и планеры

Автономные подводные аппараты (АУВ) и океанские планеры все чаще используются для измерения солености в конкретных регионах, представляющих интерес, таких как прибрежные зоны апвеллинга, ледяные края и проливы. Эти платформы могут работать в течение нескольких недель или месяцев, обеспечивая трансекты высокого разрешения, которые разрешают фронтальные особенности и вихри. Планеры особенно полезны для мониторинга солености в полярных океанах, где ледяной покров ограничивает доступ для кораблей и спутников. Данные, которые они собирают, помогают проверять спутниковые продукты и улучшать представление солености в численных моделях.

Будущие направления в исследованиях солености

Несмотря на значительный прогресс, остаются важные вопросы о роли солености в климатической системе и о том, как она будет реагировать на продолжающееся потепление. На ближайшее десятилетие выделяется несколько приоритетов исследований.

Глубокая соленость океана и хранение тепла

Большинство наблюдений за соленостью сосредоточено в верхнем океане. Глубокий океан ниже 2000 метров остается плохо отобранным, но это огромный резервуар соли и тепла. Понимание обмена соли между верхним и глубоким океаном имеет решающее значение для закрытия глобального водного бюджета и прогнозирования долгосрочного изменения климата. Для устранения этого разрыва используются новые глубокие плавучие воды Argo, которые могут достигать 6000 метров.

Солёность и экстремальные события

Связь между соленостью и экстремальными погодными явлениями, такими как ураганы, засухи и наводнения, является новой областью исследований. Соленость стратифицирует верхний океан и влияет на глубину смешанного слоя, что влияет на потенциальную интенсивность тропических циклонов. Пресноводные шлейфы из крупных рек могут ослабить интенсивность циклона, в то время как солевые барьерные слои могут усилить ее. По мере изменения климата частота и интенсивность этих событий, понимание роли солености станет более важным.

Модернизация моделей

Климатические модели продолжают улучшать свое представление об океанских процессах, но сохраняются предубеждения в моделях солености. Многие модели моделируют среднее состояние и изменчивость солености с ограниченной точностью, особенно в тропиках и высоких широтах. Снижение этих предубеждений имеет важное значение для надежных прогнозов будущего климата, повышения уровня моря и изменения экосистем. Усвоение данных, которые принимают наблюдения за соленостью от Argo и спутников, помогает исправить дрейф моделей и улучшить краткосрочные прогнозы.

Заключение

Соленость океана — это гораздо больше, чем просто мера содержания соли. Это динамичный, активный компонент системы Земли, который формирует океанские течения, регулирует теплообмен и влияет на биологию моря. Продолжающееся усиление глобального водного цикла, обусловленное потеплением климата, оставляет четкий отпечаток в отчетах о солености океана. Эти изменения имеют глубокие последствия для стабильности циркуляции термохалинов, здоровья морских экосистем и средств к существованию людей, которые зависят от океана. Устойчивые инвестиции в системы наблюдения, такие как Argo и спутниковые миссии, необходимы для отслеживания этих изменений и для улучшения моделей, которые направляют нашу реакцию на изменение климата. Понимание солености не является факультативным — это необходимое условие для управления будущим планеты.