Table of Contents

Океан не просто фон для погоды; он является активным участником климатической системы Земли, поглощая огромное количество солнечной энергии, сохраняя тепло и приводя в движение атмосферную циркуляцию. Погодные модели - ежедневные изменения температуры, ветра, осадков и давления - постоянно формируют физическую и биологическую ткань морской среды. И наоборот, океанические условия возвращаются в погодные системы в сроки от часов до десятилетий. Понимание этого двустороннего взаимодействия имеет важное значение для прогнозирования всего, от интенсивности ураганов до обрушения рыбных запасов, и для разработки эффективных мер по сохранению в эпоху быстрого изменения климата.

Каждое погодное событие оставляет след в океане. Один шторм может смешивать поверхностные воды, производить питательные вещества и транспортировать личинок на сотни километров. В течение более длительных периодов сдвиги в преобладающих режимах ветров или осадков могут реорганизовать целые экосистемы, изменяя, какие виды процветают и где они находятся. Поскольку деятельность человека продолжает изменять атмосферу - за счет выбросов парниковых газов, изменений в землепользовании и выбросов загрязняющих веществ - связи между погодой и здоровьем океана становятся еще более важными для расшифровки.

Роль погодных моделей в экосистемах океана

Погодные условия обеспечивают контроль над океаническими экосистемами с помощью нескольких основных механизмов: термического воздействия, ввода пресной воды и смешивания, приводимого в действие ветром. Каждый механизм влияет на морскую жизнь в различных масштабах, от микроскопического фитопланктона до мигрирующих китов.

Температура поверхности моря и температура воздуха

Температура воздуха устанавливает исходный уровень температуры поверхности моря (SST), особенно в мелководных прибрежных районах и полузамкнутых морях. Даже увеличение среднего SST на 1 ° C может нарушить сроки нереста у рыб, кораллов и моллюсков. Многие морские организмы имеют узкие термические допуски; когда температуры превышают эти пределы, они должны перейти в более прохладные воды или столкнуться со смертностью. Например, тепловодные виды, такие как скумбрия и сардины, расширили свои ареалы в последние десятилетия, в то время как холодно адаптированные виды, такие как треска, сократились. Эти сдвиги каскад через пищевые сети, иногда приводя к несоответствиям между наличием хищника и добычи.

Градиенты осадков и солености

Осадки и контроль за соленостью поверхности речных стоков, что в свою очередь влияет на стратификацию плотности и вертикальное смешивание. В эстуариях и прибрежных зонах сильные осадки могут снижать соленость настолько быстро, что стенохалиновые организмы — виды, которые не могут переносить широкие колебания солености — испытывают осмотическое напряжение или умирают. И наоборот, длительная засуха в водосборных бассейнах снижает вход пресной воды, позволяя проникновению соленой воды, которое изменяет болотные и мангровые экосистемы. Градиенты солености также приводят к циркуляции эстуариев, что помогает транспортировать питательные вещества, отложения и личинки между реками и открытым океаном. Изменения в моделях осадков, связанных с изменчивостью климата (например, Эль-Ниньо-Южное колебание [FLT: 1]], поэтому могут изменить целые прибрежные экосистемы.

Ветровые модели и океанские течения

Ветер является основным двигателем поверхностных океанских течений. Крупные ветровые пояса — торговые ветры, Вестерли и полярные Пасхали — проталкивают водные массы по всем океанским бассейнам, перевозя тепло, питательные вещества и планктонные организмы. Обилие водоемов, такое как системы Калифорнийского и Бенгельского течений, возникает там, где постоянные прибрежные ветры выталкивают поверхностные воды на шельф, вытягивая холодную, богатую питательными веществами воду с глубины. Эти районы поддерживают одни из самых продуктивных в мире рыболовных промыслов. Турбулентность, вызванная ветром, также смешивает верхний океан, принося более глубокие питательные вещества на поверхность и расширяя охват солнечного света для фотосинтеза. Когда ветровые модели меняются — как во время многолетних климатических колебаний, таких как Тихоокеанское десятилетнее колебание — производительность целых морских регионов может резко измениться.

Влияние погодных моделей на морскую жизнь

Реакция морских организмов на изменения, обусловленные погодой, сложна, часто опосредована специфическими для вида адаптациями и архитектурой местных пищевых сетей. Здесь мы рассмотрим несколько ключевых групп и то, как они влияют.

Коралловые рифы

Коралловые рифы являются одними из наиболее чувствительных экосистем к экстремальным погодным условиям. Повышенные SST - часто в спокойные солнечные периоды, связанные с погодными системами высокого давления - вызывают обесцвечивание кораллов, где симбиотические водоросли (zooxanthellae), которые обеспечивают кораллы большей частью их энергии, вытесняются. Длительное обесцвечивание приводит к гибели кораллов и деградации рифов. Глобальное обесцвечивание 2015-2016 годов, вызванное сильным Эль-Ниньо, наложенным на долгосрочное потепление, повреждает более 30% рифов мира. Кроме того, мощные штормы могут физически разрушать кораллы, в то время как чрезмерный сток пресной воды из проливных дождей может снизить соленость и убить кораллы в прибрежных зонах. Недавние исследования показывают, что некоторые кораллы могут акклиматизироваться к более высоким температурам с течением времени, но темпы текущего потепления могут опережать эту способность.

Рыбные популяции

Жизненные циклы рыб тесно связаны с океанографическими условиями. Нерест часто происходит при определенных температурных окнах; подростки полагаются на течения, чтобы достичь мест обитания питомников; и взрослые мигрируют после тепловых градиентов или наличия добычи. Погодные модели, которые изменяют SST, уровень кислорода или силу пограничных течений (например, Гольфстрим или Куросио) могут производить бумы или спады в рыбных запасах. Например, набор перуанской анчоусы - крупнейшего в мире одновидового рыболовства - тесно связан с теплыми фазами Эль-Ниньо, которые уменьшают подъем и производительность, приводя к снижению запасов. И наоборот, условия Ла-Нинья часто приносят более прохладную, более продуктивную воду и более крупные уловы анчоусов. Менеджеры рыболовства все чаще включают сезонные и десятилетние прогнозы погоды, чтобы установить ограничения на вылов и избежать чрезмерного вылова.

Планктон Блумс

Фитопланктон, микроскопические растения в основании морской пищевой сети, зависят от солнечного света и питательных веществ. Погодные условия, которые усиливают вертикальное смешивание (например, штормы, которые перемешивают водную колонну), часто вызывают цветение, поднимая питательные вещества к освещенному солнцем поверхностному слою. И наоборот, спокойные, стратифицированные условия могут подавлять переработку питательных веществ и уменьшать первичное производство. В прибрежных районах сильные осадки могут доставлять питательные вещества наземного происхождения (азот, фосфор), которые стимулируют вредные цветения водорослей (HAB), такие как красные приливы, производимые Карения бревис . Эти цветения могут убивать рыб и морских млекопитающих, загрязнять моллюсков и вызывать респираторные расстройства у людей. Частота и тяжесть HAB увеличились во многих регионах, частично из-за изменения режимов осадков, связанных с изменением климата.

Морские млекопитающие и морские черепахи

Крупные морские позвоночные также реагируют на изменения, вызванные погодой. Серые киты, которые питаются в Беринговом море, зависят от цветения на краю льда; более раннее таяние льда из-за теплой погоды может снизить доступность пищи и заставить китов переключаться на добычу или мигрировать позже. Морские черепахи, которые являются эктотермическими, имеют сезоны гнездования, которые коррелируют с температурой пляжа; более теплый песок производит больше самок, в то время как экстремальная жара может убить эмбрионы. Штормы могут разрушать гнездовые пляжи и смывать яйца. Кроме того, изменения океанских течений - управляемые ветрами - могут повлиять на дрейф птенцов и доступность медуз, основного источника пищи для черепах-кожаников.

Изменение климата и его влияние на погодные условия

Антропогенное изменение климата изменяет фундаментальные погодные условия, что приводит к каскадным последствиям для океанических экосистем. В следующих подразделах освещаются ключевые изменения и их последствия.

Повышенная интенсивность и частота штормов

Более теплые океанские воды обеспечивают более скрытую тепловую энергию тропическим циклонам, увеличивая их максимальные устойчивые ветры и общее количество осадков. Ураган Майкл (2018) и циклон Идай (2019) являются примерами штормов, которые быстро усиливаются из-за необычно теплых SSTs. Такие штормы могут изменить прибрежные среды обитания в течение нескольких часов: они выкорчевывают русла морской травы, щелкают коралловые головы и вводят осадок в устья. Физический ущерб часто усугубляется притоком пресной воды от штормового нагона и осадков, что снижает соленость и стрессы бентических сообществ. В долгосрочной перспективе более частые интенсивные штормы могут помешать экосистемам восстановиться до их состояния до беспокойства, что приводит к сдвигам режима (например, от коралловых доминируют водоросли доминируют рифы).

Подкисление океана

Погодные модели, влияющие на концентрацию CO2 в атмосфере, такие как длительные спокойные периоды, которые уменьшают газообмен, могут усугубить подкисление океана локально. Однако основным драйвером является глобальное увеличение атмосферного CO2, который поглощается океаном, образуя углекислую кислоту. Это снижает рН и снижает доступность ионов карбоната, необходимых для кальцинирования организмов (кораллы, моллюски, некоторый планктон) для создания раковин и скелетов. Подкисление океана взаимодействует с температурным стрессом: эксперименты показывают, что высокое содержание CO2 снижает термическую толерантность многих организмов, делая их более уязвимыми к тепловым волнам. Моделирование предполагает, что к 2100 году более 50% арктического океана может стать коррозионной для арагонита, формы карбоната кальция, используемой птероподами, которые являются ключевой добычей лосося и сельди. Более подробную информацию см. IPCC AR6 Chapter 3.

Сдвиги океанских течений

Глобальное потепление изменяет температурные градиенты между экватором и полюсами, что в свою очередь влияет на силу и положение основных океанских течений. Атлантическая меридиональная опрокидная циркуляция (AMOC), которая несет теплую воду на север и холодную воду на юг, замедлилась примерно на 15% с середины 20-го века. Более слабый AMOC может уменьшить поставки питательных веществ в Северную Атлантику, изменить распределение планктона и рыбы и изменить погодные условия над Европой. Аналогичным образом, Антарктический циркумполярный поток движется в сторону полюса, поскольку усиливаются ветры, потенциально открывая новые места обитания для инвазивных видов при изоляции холодно адаптированных. Эти изменения постепенны, но стойки; их совокупное воздействие на морское биоразнообразие и экосистемные услуги являются основной областью активных исследований.

Повышение уровня моря и береговая эрозия

Термическое расширение морской воды в сочетании с таянием морского льда повышает глобальный уровень моря. Повышение уровня моря усиливается погодными условиями, которые изменяют циркуляцию океана или атмосферное давление. Например, Восточное побережье США испытывает дополнительный подъем уровня моря, когда Гольфстрим замедляется. Более высокие базовые уровни моря означают, что штормовые нагоны достигают дальше внутри страны, погружая мангровые заросли, соляные болота и луга морской травы. Эти прибрежные экосистемы обеспечивают критическую среду обитания для рыб и моллюсков, а также естественные буферы против штормов. Без вертикального наращивания (накопления осадков) многие болота могут утонуть к концу этого века, с глубокими последствиями как для дикой природы, так и для прибрежных сообществ.

Тематические исследования погодных моделей, влияющих на экосистемы океана

Подробные наблюдения со всего мира показывают, как конкретные погодные явления приводят к экологическим изменениям. Ниже приведены три хорошо документированных примера.

Эль-Ниньо и Ла-Нинья в Тихом океане

Эль-Ниньо-Южное колебание климата (ENSO) является наиболее влиятельным изменением климата в год на Земле. Во время Эль-Ниньо ослабленные торговые ветры позволяют теплой воде объединяться в центральной и восточной части Тихого океана, подавляя подъем в центральной и восточной части Тихого океана. Это снижает первичную продуктивность и падает промысел анчовет. Коралловые рифы вокруг Галапагосских островов испытывают широко распространенное обесцвечивание. И наоборот, Ла-Нинья усиливает торговые ветры и усиливает подъем, увеличивая уловы рыбы, но также увеличивая частоту тайфунов в западной части Тихого океана. События ENSO также влияют на погоду в тысячах километров через атмосферные телесоединения - например, Эль-Ниньо часто приносит сильные дожди на западное побережье США и засуху в Австралию. Понимание ENSO позволило ученым предсказать реакцию экосистемы за несколько месяцев вперед, что позволяет активно управлять рыболовством и охраняемыми районами.

Ураганы в Мексиканском заливе

Ураганы могут кардинально изменить экосистемы Мексиканского залива. Когда ураган Катрина (2005) ударил, он смешал водную колонну, временно охладив температуру поверхности и повысив производительность. Однако он также повторно приостановил отложения и загрязнители, вызывая гипоксию (низкий уровень кислорода) в донных водах, которые убивали рыбу и беспозвоночных. Совсем недавно ураган Харви (2017) выпустил рекордные осадки над Хьюстоном, вымывая миллиарды галлонов пресной воды и загрязняющих веществ в заливе Галвестон, вызывая массовое вымирание устриц и токсичное цветение водорослей. Восстановление пострадавших мест обитания может занять годы, и повторное воздействие урагана может сместить экосистемы с лугов морской травы на голые отложения или с устриц рифов на грязи. По мере повышения уровня моря и усиления штормов потенциал для таких сдвигов увеличивается.

Монсуны в Индийском океане

Южноазиатский муссон обеспечивает интенсивные сезонные осадки, которые формируют прибрежные экосистемы от Восточной Африки до Бенгальского залива. Сток муссонов несет огромные нагрузки осадков и питательных веществ, создавая продуктивные кормовые площадки для рыбы, но также вызывая вредные цветения водорослей в закрытых районах, таких как Персидский залив. В Аравийском море муссонные ветры приводят к сильному подъему вдоль побережья Омана и Сомали, поддерживая некоторые из самых продуктивных рыбных промыслов в мире. Однако изменение климата изменяет время и интенсивность муссона: некоторые модели проецируют более сильные муссоны, которые могут повысить уровень засоления и производительность, в то время как другие указывают на более неустойчивые осадки, которые могут вызвать экстремальные условия солености и нарушить циклы нереста. Экологические последствия сложны и специфичны для региона, что делает их приоритетом для будущих исследований.

Усилия по сохранению и будущие направления

Учитывая глубокое влияние погодных условий на экосистемы океана, стратегии сохранения должны учитывать как краткосрочную изменчивость, так и долгосрочные тенденции.

Морские охраняемые районы (МОР)

Хорошо спроектированные сети MPA могут служить убежищами для видов и мест обитания, защищённых от экстремальных погодных условий. Чтобы быть эффективными в условиях изменения климата, MPA должны быть большими, включать репликацию мест обитания по экологическим градиентам и быть связанными личиночными коридорами рассеивания, которые позволяют организмам смещать свои ареалы по мере изменения условий. Например, морской национальный памятник Papahānaumokuākea на Гавайях защищает ряд типов коралловых рифов от мелководья до глубины, обеспечивая убежище для видов, которые могут отбеливаться в других местах. MPA также поддерживают восстановление экосистемы после возмущения, защищая популяции источников. Недавние исследования показывают, что полностью защищенные морские заповедники могут повысить устойчивость к тепловому стрессу и помочь поддерживать биоразнообразие во время тепловых волн.

Сети исследований и мониторинга

Понимание взаимодействия между погодой и океанскими экосистемами требует постоянных наблюдений. Такие сети, как Глобальная система наблюдения за океаном (GOOS) и Интегрированная система наблюдения за океаном (IOOS), предоставляют важные данные о SST, солености, течениях и биологических параметрах. Спутниковое дистанционное зондирование (например, датчики MODIS и VIIRS НАСА) позволяет обнаруживать цветение фитопланктона, тепловые фронты и протяженность морского льда. На месте мониторинг буев, планеров и кораблей измеряет вертикальные профили и химические свойства. Эти данные поступают в модели, которые прогнозируют реакцию экосистем на погодные явления, такие как предупреждения о обесцвечивании кораллов и прогнозы вредного цветения водорослей, позволяя менеджерам принимать превентивные меры.

Участие сообщества и адаптивное управление

Местные общины, включая рыбаков, группы коренных народов и прибрежных жителей, обладают бесценными знаниями о местных погодных условиях и изменениях экосистем. Программы мониторинга участия, в которых члены общин регистрируют температуру воды, уловы рыбы или состояние кораллов, могут дополнять научные данные и способствовать управлению. Адаптивное управление, которое включает корректировку мер по сохранению по мере изменения условий, имеет важное значение в быстро меняющемся климате. Например, руководители рыболовства в настоящее время используют океанографические данные в реальном времени для корректировки квот на вылов, закрывать районы в периоды нереста или перемещать рыболовные угодья. Совместные рамки управления, которые привлекают заинтересованные стороны к принятию решений, могут повысить легитимность и эффективность природоохранных действий.

Политика и международное сотрудничество

Устранение коренных причин изменения климата требует глобальных политических действий, таких как цели Парижского соглашения по сокращению выбросов. Кроме того, международные соглашения, такие как цели Конвенции о биологическом разнообразии на период после 2020 года, направлены на защиту 30% океана к 2030 году. Региональные рыбохозяйственные организации (РРХО) включают прогнозы климата в свои оценки запасов и распределение квот. Усилия по смягчению последствий для местных факторов стресса - чрезмерного вылова рыбы, загрязнения, разрушения среды обитания - могут помочь экосистемам оправиться от погодных потрясений. Синергетический подход, сочетающий сокращение выбросов, устойчивое использование ресурсов и защиту среды обитания, дает наилучшие шансы сохранить жизненно важное взаимодействие между погодой и океаном.

Заключение

Океан и атмосфера запутаны в непрерывной петле обратной связи: погодные условия приводят в движение океанские течения, температуры и соленость, в то время как океан хранит тепло и влагу, которые питают штормы и формируют глобальный климат. Это взаимодействие не статичный фон, а динамическая сила, которая диктует распределение жизни в море. От самого маленького планктона до самых крупных китов, каждый морской организм должен адаптироваться к ритмам погоды и более долгосрочным сдвигам, вызванным изменением климата. По мере того, как штормы усиливаются, течения перестраиваются и подкисление ускоряется, устойчивость океанских экосистем будет зависеть от нашей способности понимать эти связи и действовать соответствующим образом. Расширяя морские охраняемые районы, инвестируя в сети наблюдения, привлекая местные сообщества и преследуя агрессивное смягчение климата, мы можем помочь защитить сложные связи, которые поддерживают жизнь под волнами. Ставки огромны - не только для морского биоразнообразия, но и для миллиардов людей, которые полагаются на здоровые океаны для питания, средств к существованию и регулирования климата.