Понимание механики восходящих морей

Повышение уровня моря стоит как один из определяющих экологических сдвигов XXI века. Оно происходит не изолированно. Сеть физических и климатических сил действует сообща для подъема, понижения и изменения прибрежных вод по всей планете. Океанские течения перемещают тепло и водную массу между регионами. Изменение климата изменяет температуру и состав атмосферы и океанов. Береговые линии испытывают последствия этих изменений, а также влияют на то, как вода ведет себя вдоль берега. Изучение этих взаимосвязанных факторов показывает, почему повышение уровня моря варьируется от одного места к другому, и почему некоторые прибрежные зоны сталкиваются с более непосредственным риском, чем другие.

Глобальный океанский конвейерный пояс

Океанские течения функционируют как планетарная система кровообращения. Они переносят теплую воду с экватора к полюсам и возвращают более прохладную воду в тропики. Эта циркуляция, часто описываемая как термохалинная циркуляция или глобальный океанский конвейерный пояс, перераспределяет огромное количество тепла и соли через океанские бассейны. Изменения в этой системе оказывают ощутимое влияние на уровень моря.

Когда течения смещают свои пути или замедляются, вода накапливается в некоторых районах и оттекает от других. Ведущие климатологи заметили, что Атлантическая меридиональная циркуляция (AMOC), ключевой компонент глобальной конвейерной ленты, ослабла за последние несколько десятилетий. Более медленный AMOC может вызвать более высокие уровни моря вдоль северо-восточного побережья Северной Америки, потому что меньше воды тянут на юг. Между тем, части Европы могут испытывать временную умеренность повышения уровня моря, поскольку вода перераспределяется по-разному.

Гольфстрим является наглядным примером этой динамики. Теплая вода движется на север вдоль восточного побережья Соединенных Штатов, прежде чем повернуть в сторону Европы. Если Гольфстрим замедляется или становится более переменчивым, прибрежные города от Майами до Бостона могут увидеть ускоренное повышение уровня моря независимо от среднего мирового уровня. Течения не просто несут воду; они формируют там, где эта вода накапливается.

Региональные модели накопления

Данные спутниковой альтиметрии за последние три десятилетия показывают, что повышение уровня моря не является однородным. В некоторых регионах, таких как западная часть Тихого океана и Северная Атлантика, темпы роста в два-три раза превышают среднемировой показатель. В других, включая части Южного океана, наблюдалось более медленное увеличение или даже временное снижение. Эти региональные различия обусловлены в основном перераспределением водной массы через изменяющиеся текущие системы.

Эль-Ниньо-Южное колебание (ENSO) также играет роль в краткосрочной изменчивости уровня моря.] Во время сильных Эль-Ниньо теплые воды смещаются на восток через Тихий океан, временно повышая уровень моря вдоль западного побережья Америк. События Ла-Нинья производят противоположный эффект. Эти колебания накладывают долгосрочную тенденцию роста морей, создавая периоды ускоренного риска с последующей относительной стабильностью. Понимание этих закономерностей помогает прибрежным планировщикам готовиться к периодам, когда повышение уровня моря ускоряется неожиданно.

Изменение климата как главный двигатель

Изменение климата, вызванное деятельностью человека, повысило среднюю глобальную температуру примерно на 1,2°C выше доиндустриальных уровней. Это потепление напрямую ускоряет повышение уровня моря с помощью двух основных механизмов: термическое расширение и плавление наземного льда .

Тепловое расширение происходит потому, что вода расширяется по мере нагревания. Мировые океаны поглощают более 90 процентов избыточного тепла, захваченного парниковыми газами. По мере того, как верхние слои океана нагреваются, они занимают больше объема. Только тепловое расширение способствовало примерно одной трети к половине наблюдаемого глобального повышения уровня моря за последние несколько десятилетий. Более глубокие слои океана теперь также нагреваются, а это означает, что тепловое расширение будет продолжаться в течение веков, даже если температура поверхности стабилизируется.

Второй основной фактор — таяние ледников и ледников. Гренландский и антарктический ледяные щиты содержат достаточное количество замерзшей воды, чтобы поднять глобальный уровень моря примерно на 65 метров, если бы они полностью таили. В то время как полное таяние заняло бы тысячелетия, оба ледяных щита теряют массу с ускоряющейся скоростью. Потеря льда из Гренландии и Антарктиды более чем удвоилась с начала 2000-х годов. Ледники за пределами ледников, найденные в горных хребтах по всему миру, также быстро отступают и способствуют повышению уровня моря.

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) внес значительный вклад в мониторинг этих изменений посредством спутниковых миссий, таких как GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment). Эти миссии измеряют изменения массы льда и массы океана с замечательной точностью. Для более подробных выводов исследователи регулярно консультируются с данными портала изменения уровня моря NASA , который обеспечивает открытый доступ к спутниковым измерениям и прогнозам.

Динамика ледяного покрова и обратная связь

Поведение антарктического ледяного покрова представляет собой одну из самых больших неопределенностей в прогнозах уровня моря. Ледяной покров опирается на породу, которая во многих районах находится ниже уровня моря. Теплые океанские течения могут растопить нижнюю часть плавучих шельфовых ледников, которые действуют как опорные пункты, сдерживающие внутренний лед. Когда шельфовые ледники тоньше или разрушаются, внутренний лед быстрее впадает в океан, повышая уровень моря.

Ученые называют этот процесс нестабильностью морского ледяного покрова. Он уже наблюдался в регионе Амундсенского моря Западной Антарктиды, где ледники, такие как Туэйтс и Пайн-Айленд, быстро отступают. Как только этот процесс начинается, он может стать самоподдерживающимся, потому что более глубокая, более теплая вода достигает ледяного фронта, когда ледник отступает в более глубокий бассейн. Результатом является петля обратной связи, которая ускоряет потерю льда с течением времени.

Гренландия представляет собой другой набор динамики. Поверхностное таяние там резко возросло в летние месяцы. Мельтвотер протекает через расщелины и мулены к основанию ледяного покрова, смазывая ложе и ускоряя движение ледников к побережью. Потемнение ледяной поверхности из-за пыли и водорослей уменьшает альбедо, в результате чего поглощается больше солнечной энергии и усиливается плавление. Эти механизмы обратной связи напрямую связаны с изменениями в атмосферных циркуляционных структурах, которые приносят теплый воздух на север.

Уязвимость береговой линии и морфология

Не все побережья реагируют на повышение уровня моря одинаково. Физический характер береговой линии определяет, как она взаимодействует с поднимающейся водой. Некоторые береговые линии испытывают эрозию и отступление, в то время как другие накапливают осадочные породы и идут в ногу с повышением уровня моря. Понимание этих различий имеет важное значение для эффективного управления прибрежными районами.

Геология играет основополагающую роль. Жесткие береговые линии, такие как те, которые находятся вдоль большей части Тихоокеанского Северо-Запада, сопротивляются эрозии, но не обеспечивают естественные буферы против наводнений. Мягкие береговые линии осадков, распространенные в Мексиканском заливе и Атлантической прибрежной равнине, разрушаются легче. Когда уровень моря поднимается, эти побережья имеют тенденцию отступать внутрь, поскольку волны и течения удаляют осадочные породы с пляжей и блефов.

Поставки осадков также определяют, как реагирует береговая линия. Реки доставляют осадочные породы на побережье, пополняя пляжи и строя дельты. Дамбы и отводы рек сократили доставку осадочных пород во многие прибрежные зоны, оставляя их более уязвимыми. Дельта реки Миссисипи, например, потеряла тысячи квадратных километров земли, потому что повышение уровня моря и оседание опережают осаждение осадочных пород. Программа геологической службы США по прибрежным и морским опасностям и ресурсам широко документировала эти тенденции вдоль побережья Мексиканского залива.

Низколежащие регионы с наибольшим риском

Наиболее уязвимыми береговыми линиями являются дельты рек, барьерные острова и атоллы. Эти низменные среды часто располагаются менее чем на метр выше линии прилива. Даже скромное повышение уровня моря напрямую приводит к более частым наводнениям и постоянному затоплению.

Бангладеш, Дельта Меконга и Дельта Нила относятся к числу регионов, сталкивающихся с наибольшими рисками. Эти районы поддерживают плотное население, продуктивное сельское хозяйство и жизненно важную инфраструктуру. Только в Бангладеш десятки миллионов людей живут в прибрежной зоне. Повышение уровня моря увеличивает охват штормовых нагонов, толкает соленую воду в грунтовые воды и почву и снижает доступность пресной воды для питья и орошения.

Малые островные государства сталкиваются с экзистенциальной проблемой. Такие страны, как Кирибати, Тувалу и Мальдивы, имеют большие участки своей территории, расположенные менее чем в двух метрах над уровнем моря. Для этих стран повышение уровня моря угрожает не только инфраструктуре, но и национальному суверенитету. Некоторые начали планировать управляемый отступление или искать международные соглашения для обеспечения прав переселения для своего населения.

Факторы, влияющие на прибрежные зоны

Повышение уровня моря не происходит само по себе. Несколько дополнительных факторов усугубляют его последствия вдоль береговых линий.

Субсайданс и движение земли

Важную роль в относительном повышении уровня моря играет естественное и антропогенное оседание. Относительный уровень моря относится к изменению уровня воды, измеренному по отношению к поверхности суши. Если земля опускается, эффект такой же, как если бы море поднялось. Во многих прибрежных городах добыча подземных вод, добыча нефти и газа и уплотнение дельтаических отложений приводят к тому, что земля опускается быстрее, чем уровень моря поднимается во всем мире.

В Джакарте, Индонезия, наблюдается резкое снижение уровня оседания до 10-15 сантиметров в год в некоторых районах, что обусловлено в основном чрезмерным перекачиванием грунтовых вод. Это превратило умеренное повышение уровня моря в кризис частых наводнений и потери земель. Правительство Индонезии объявило о планах переместить столицу в Борнео, отчасти из-за общей угрозы подъема морей и затопления земли.

Аналогичным образом, часть побережья Мексиканского залива США, включая Новый Орлеан и Хьюстон, тонет из-за добычи углеводородов и уплотнения осадочных пород. Когда к глобальному повышению уровня моря добавляется местное оседание, скорость относительного повышения уровня моря может превышать 10 миллиметров в год, что в несколько раз превышает среднемировой показатель.

Усиление штормового всплеска

Более высокие уровни моря обеспечивают более высокий базовый уровень для штормовых нагонов. Ураганы, тайфуны и внетропические циклоны толкают воду к побережью, когда они выходят на берег. Штормовой нагон в пять метров, который прибывает на вершине уровня моря, который на 30 сантиметров выше, чем столетие назад, затопит районы, которые были бы сухими в более ранних условиях.

Супершторм Сэнди в 2012 году и ураган Харви в 2017 году продемонстрировали, как повышенный базовый уровень моря может усилить ущерб. В обоих случаях рекордные штормовые нагоны затопленных районов, которые никогда не затоплялись раньше. Исследователи Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) разработали модели затопления, которые включают прогнозы повышения уровня моря для улучшения прогнозирования штормовых нагонов и планирования чрезвычайных ситуаций. Отделение штормового нагона NOAA предоставляет подробные карты и данные, которые помогают прибрежным сообществам подготовиться к этим сложным событиям.

Вторжение соленой воды

По мере повышения уровня моря соленая вода продвигается дальше вверх по течению в реки и эстуарии и глубже в прибрежные водоносные горизонты. Это вторжение соленой воды угрожает поставкам пресной воды для сельского хозяйства, питьевой воды и промышленного использования. В бассейне реки Делавэр соленая вода мигрировала вверх по течению за последние несколько десятилетий, требуя корректировки операций по водозабору Филадельфии. В прибрежных сельскохозяйственных регионах, таких как дельта Сакраменто-Сан-Хоакин в Калифорнии, вторжение соленой воды снижает урожайность и заставляет сдвиги в сельскохозяйственных практиках.

Процесс постепенный, но кумулятивный. Как только соленая вода загрязняет прибрежный водоносный горизонт, обратить вспять ущерб сложно и дорого. Управляемая пополнение водоносного горизонта и улучшенное управление пресной водой могут помочь смягчить проблему, но растущие моря будут продолжать продвигать интерфейс между пресной и соленой водой на суше.

Прогнозы и неопределенность

Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) обеспечивает основную основу для понимания будущего повышения уровня моря. Шестой оценочный доклад, опубликованный в 2021 году и обновленный в 2023 году, прогнозирует глобальное среднее повышение уровня моря на 0,3-1,0 метра к 2100 году при различных сценариях выбросов. Эти прогнозы учитывают тепловое расширение, таяние ледников и вклад ледяного покрова, но они несут значительную неопределенность в отношении поведения антарктического ледяного покрова.

Некоторые исследования показывают, что быстрый обвал участков Западно-Антарктического ледяного щита может подтолкнуть повышение уровня моря выше двух метров к концу этого столетия. Хотя это представляет собой маловероятный сценарий с высоким воздействием, его нельзя игнорировать, учитывая наблюдательные доказательства ускорения потери льда. Разница между 0,5 метра и 2,0 метра глобального повышения уровня моря огромна для прибрежного планирования. Первый может управляться путем адаптации во многих местах; второй потребует крупномасштабного отступления от прибрежных зон во всем мире.

После 2100 года прогноз становится еще более зависимым от выбросов. В сценариях с высоким уровнем выбросов уровень моря, по прогнозам, вырастет на несколько метров к 2300 году. В сценариях с низким уровнем выбросов, согласующихся с целями Парижского соглашения, темпы роста могут значительно замедлиться, хотя века продолжающегося роста остаются запертыми из-за инерции климатической системы.

Адаптация вдоль побережья

Прибрежные популяции и правительства не являются пассивными участниками процесса повышения уровня моря. Стратегии адаптации варьируются от инженерных решений до экосистемных подходов к управляемому отступлению.

Жесткая инфраструктура

Морские стены, дамбы, барьеры штормового нагона и дамбы были развернуты во многих частях мира для защиты прибрежных сообществ.Нидерланды построили одну из самых обширных систем береговой обороны в мире, включая Дельта-Уоркс, ряд плотин, шлюзов, шлюзов и барьеров, предназначенных для защиты низменного дельта-региона.Система стала моделью для других стран, сталкивающихся с аналогичными угрозами.

В США Инженерный корпус армии США разработал многомиллиардный план по строительству системы барьеров штормового нагона вокруг Нью-Йорка и северного Нью-Джерси. New York-New Jersey Harbor and Tributaries Study рассматривает варианты защиты региона от комбинированных последствий повышения уровня моря и штормового нагона. Эти проекты требуют огромных капитальных вложений и долгосрочных обязательств по техническому обслуживанию.

Однако жесткая инфраструктура имеет ограничения. Морские стены могут ускорить эрозию на прилегающих пляжах, отражая энергию волн. Неподвижные барьеры могут устареть, если уровень моря превысит параметры проектирования. Поддержание этих систем в течение десятилетий требует устойчивой политической воли и финансовых ресурсов.

Природные решения

Все больше доказательств подтверждает использование природных экосистем в качестве буферов против повышения уровня моря. Водно-болотные угодья, мангровые заросли, рифы морских трав и устричные рифы могут поглощать энергию волн, улавливать осадки и идти в ногу с постепенным повышением уровня моря, если им предоставляется достаточно места для миграции внутри страны. Эти экосистемы обеспечивают дополнительные преимущества, включая среду обитания для рыболовства, поглощение углерода и улучшение качества воды.

Прибрежные управляющие приступили к реализации проектов, сочетающих инженерные и природные подходы. Живые береговые линии используют местные растения и сооружения, такие как бревна и мешки с раковинами устриц, для стабилизации побережья при сохранении экологической функции. Восстановление дюн и питание пляжей пополняют песок, который в противном случае был бы потерян для эрозии, поддерживая естественный барьер против волнового действия и штормового нагона.

Успех решений на основе природы зависит от наличия свободного пространства. В густонаселенных прибрежных районах миграция наземных водно-болотных угодий и мангровых зарослей блокируется зданиями и дорогами. В этих случаях для изменения внутренних экосистем может потребоваться устранение прибрежных барьеров или создание переходных зон. Программа сохранения природы Программа устойчивости прибрежных районов предоставляет инструменты и тематические исследования для интеграции адаптации на основе экосистем в планирование прибрежных районов.

Управляемый Retreat

В некоторых местах наиболее реалистичным ответом на повышение уровня моря является стратегическое переселение. Управляемое отступление предполагает перемещение людей, зданий и инфраструктуры из наиболее уязвимых прибрежных зон до того, как они станут непригодными для жизни. Такой подход позволяет избежать растущих затрат на многократное восстановление после наводнений и штормов.

Примеры управляемого отступления появляются по всему миру. В США Федеральное агентство по чрезвычайным ситуациям (FEMA) финансировало выкупы затопленных объектов недвижимости в таких местах, как Статен-Айленд, Нью-Йорк и округ Харрис, Техас. В Великобритании концепция “прибрежная перестройка” была реализована в районах, где поддержание морской обороны больше не является экономически жизнеспособным. Перестройка побережья на Medmerry Managed Realignment Site в Западном Суссексе создала новую приливную среду обитания, одновременно улучшив защиту от наводнений для внутренних сообществ.

Управляемое отступление вызывает сложные вопросы о равенстве, правах собственности и идентичности сообщества. Сообщества с низким доходом и цветные сообщества часто сталкиваются с наибольшими рисками наводнений и имеют наименьшее количество ресурсов для переселения. Справедливое и эффективное отступление требует прозрачных процессов планирования, финансовой поддержки пострадавших жителей и долгосрочной координации на всех уровнях правительства.

Связанное будущее береговых линий

Повышение уровня моря невозможно понять, если рассматривать какой-либо один фактор в изоляции. Океанские течения определяют, где накапливается вода. Изменение климата приводит к потеплению и таянию льда, которые увеличивают объем океана. Морфология береговой линии формирует взаимодействие восходящих вод с сушей. Эти элементы работают вместе, чтобы создать модели риска и уязвимости, с которыми прибрежные сообщества сталкиваются сегодня и столкнутся в ближайшие десятилетия.

Доказательства, собранные такими агентствами, как НАСА, NOAA и USGS, обеспечивают основу для информированных действий. Спутниковые измерения, данные датчиков приливов и климатические модели сходятся на четкой траектории: уровень моря будет продолжать расти до тех пор, пока глобальные температуры остаются повышенными. Скорость и конечная величина этого роста зависят от решений, принятых сейчас о выбросах, землепользовании и инвестициях в адаптивную инфраструктуру.

Прибрежные страны должны подготовиться к целому ряду возможных вариантов будущего. Инвестиции в мониторинг и исследования по-прежнему имеют важное значение для снижения неопределенности и руководства планированием. Не менее важно признание того, что физические процессы, соединяющие течения, климат и береговые линии, не являются теоретическими концепциями. Они измеримы, наблюдаемы и непосредственно связаны с безопасностью и устойчивостью прибрежных регионов во всем мире. Задача состоит в том, чтобы перевести научное понимание в адаптивные действия, прежде чем возможности для эффективного реагирования сузятся еще больше.