Арктическият лед и климатът на северното полукълбо
М.Г. Деев, д.ф.н. геогр. наук, старши научен сътрудник, Катедра по океанология, Географски факултет, Московски държавен университет „Ломоносов“ М.В. Ломоносов
Морският лед е най-младият елемент от криосферата на Земята. Времето на тяхното съществуване се оценява на около 700 хиляди години. Преди това полярните, океанските и морските басейни са били в режим без лед. Морската ледена покривка първоначално се появява като продукт на определена климатична епоха, но по-късно самата тя се превръща във важна връзка в климатичната система на планетата. Разказва за причините за появата на морски лед в Северното полукълбо, за условията за тяхното съществуване и ролята им във формирането на съвременния климат.
Условия за образуване и съществуване на морски лед
Необходимо условие за образуването на лед на повърхността на всеки резервоар е охлаждането на повърхностния слой вода до температурата на замръзване. Такова охлаждане е възможно навсякъде в райони с отрицателен радиационен баланс, т.е. където притокът на късовълнова слънчева радиация е по-малък от насрещната дълговълнова радиация на земната повърхност1. Пристигането на радиационния баланс преобладава над потока в екваториалните и тропическите зони, а потокът - в полярните райони. Равенството на входящите и изходящите топлинни потоци се наблюдава на около 40-ия паралел на двете полукълба. Следователно в райони, разположени над 40-ия паралел, по принцип е възможно охлаждане на водата до точката на замръзване, а оттам и образуването на лед.
Наистина, в Северното полукълбо образуването на морски лед се наблюдава ежегодно в Азовско и Аралско море, северната част на Каспийско море и северозападната част на Черно. Но в същото време ледът никога не се образува в разположените районимного на север, а именно в Норвежко море, в по-голямата част от района на Гренландско море и в югозападната част на Баренцово море. Районът, разположен на запад от Свалбард, почти на 80-ия паралел, често се оказва свободен от морски лед. С други думи, не се спазва законът за географската ширина в пространственото разпределение на морския лед. Оттук следва, че самото охлаждане на водната повърхност не е достатъчно за образуването на морски лед.
При понижаване на температурата на водата се получава еквивалентно увеличение на нейната плътност, което причинява конвективно смесване. По-хладната и по-плътна вода потъва и се заменя с по-малко плътна и по-топла вода. В бъдеще всичко ще зависи от това колко топлина се съдържа в активния слой на морето, покрит от конвекция.
В допълнение, процесът на охлаждане на повърхностния слой вода в морето може значително да се забави, ако има хоризонтален топлинен поток, внасяне на топлина от морските течения. Това явление се наблюдава в Северния Атлантик. Топлите води на Северноатлантическото течение се изливат в Северния ледовит океан в широк поток през водите на Гренландско, Норвежко и Баренцово море. Количеството топлина, донесено от водите на това течение, е толкова голямо, че практически изключва възможността за образуване на лед над по-голямата част от площта на тези морета.
Изброените по-горе зони на замръзване на южните морета на България имат поне две характеристики, които ги отличават от океанските води. На първо място, отбелязваме, че замръзват само плитки водни площи. Най-плиткото от моретата е Азовско море, където най-голямата дълбочина е 13 м, следователно топлинният резерв на неговите води е малък и с настъпването на есенното охлаждане бързо се изразходва за нагряване на атмосферния въздух над морето. Основната характеристикана южните морета на България в процеса на образуване на лед се крие в ниската соленост на водите им.
В общата хидрология съществува понятието температура с най-голяма плътност. Сладката вода има най-висока плътност при 4°C. Водата на сладководен резервоар, охладена до тази марка, потъва в долните слоеве и постепенно запълва целия басейн. Конвективното смесване спира, като в същото време рязко намалява топлинният поток от дълбочината към повърхността, където при продължаващо охлаждане бързо се създават условия за започване на образуването на лед.
С увеличаване на солеността температурата на най-високата плътност постепенно се приближава до нулата и когато солеността достигне 24,7‰, тя се сравнява с температурата на замръзване, която при тази соленост е –1,3°C. В морета със соленост под посочената стойност (водите им се наричат бракични), конвекцията протича като сладководно тяло, във всички останали, чиито води са в пълния смисъл на соленото море, есенно-зимната конвекция ще продължи, докато цялата вода се охлади до температура на замръзване. Следователно в Норвежко море дълбоката конвекция и значителният топлинен резерв не позволяват да започне процесът на образуване на морски лед.
Фактът, че охлаждането до замръзване отнема много време, се обяснява с много високия топлинен капацитет на водата. За да падне температурата с един градус, всеки грам вода трябва да отдели 4,2 J топлина. Освен това, за да се създадат условия, достатъчни за започване на кристализация, всеки грам вода трябва да отдели още 334 J топлина - това е топлината на кристализация.
В соленото море конвекцията не спира дори след началото на образуването на лед. Когато се появи морски лед, по-голямата част от солите се изместват от него и под формата на капки концентрирана саламура се потапят във вода, увеличавайки нейниясоленост и оттам плътност. Процесът на навлизане на сол в подледения воден слой спира само при много ниски температури на леда, когато клетките с останалата саламура са изолирани една от друга и от водата чрез междинни слоеве от пресен лед. Така в дълбокия океан, който има колосален запас от топлина, процесът на образуване на лед е изключително труден, ако не и невъзможен.
В Северния ледовит океан образуването и съществуването на лед се дължи на наличието на тънък приповърхностен обезсолен воден слой, под който има рязко увеличаване на солеността с дълбочина, така нареченият слой за скок на солеността или халоклин. По този начин дълбочината на конвективното смесване е ограничена от дебелината на приповърхностния пресен слой, в повечето случаи с дебелина от 50 до 100 m. Халоклинът образува съответен скок на плътност, което предотвратява топлообмена между дълбоките води на океана и водите на близкия до повърхността освежен слой. Следователно може да се каже, че в Арктическия басейн процесът на образуване на лед протича по същия начин, както в плиткото море.
Кратка история на съвременния климат
Климатът, както е известно, се формира под въздействието на комбинация от много климатообразуващи фактори, най-важните от които са яркостта на Слънцето и разстоянието до него, ексцентричността на земната орбита, положението на земната ос в пространството и ъгловата скорост на въртене на Земята, географското разпределение на континентите и океаните, височината на сушата над морското равнище, общата циркулация на атмосферата и океана. Освен това температурните условия на земната повърхност зависят от масата на атмосферата, обема на океанските води и албедото на земната повърхност. Изключително важен фактор за стабилизирането на климата трябва да се счита Световният океан, чието непрекъснато съществуванепотвърдено за период от повече от три милиарда години.
Температурата на повърхността на Земята през последните три милиарда години не е претърпяла толкова силни промени, които биха могли да навредят на съществуването на земни форми на живот. Във всеки случай средно Земята винаги е имала температурни условия, които задоволяват запазването на големи обеми течна вода. Водите на Световния океан никога не са се изпарявали напълно и са се превръщали в лед. Периодично възникващи на различни етапи от историята на Земята, големите ледени покривки очевидно се появяват само в случаите, когато даден континент се оказва в циркумполярния регион, какъвто е случаят днес в Антарктида и Гренландия (може да се счита и за малък континент).
Разположението на континентите и океаните, доста близко до съвременното, е установено в началото на кайнозойската ера (преди около 67 милиона години). В кайнозоя климатът на Земята е бил най-топлият в еоценската епоха, преди около 55 милиона години. Средната годишна температура на въздуха в Европа по това време е била над 22 °C (имайте предвид, че в момента средната температура на въздуха на повърхността на Земята е около 15 °C). Според палеоокеанологичните данни температурата на дълбоките води в екваториалния пояс на Тихия океан е била 14°C. Температурата на водата на океаните в долните слоеве на ниските географски ширини съответства на температурата на повърхностните води на полярните басейни. Тоест термичният режим на северния океан, който днес наричаме Северен ледовит океан, в средата на еоцена напълно изключваше възможността там да се образува морски лед.
От средата на еоцена започва много бавно, но почти непрекъснато понижение на температурата, което продължава до началото на кватернера. Обяснението на причините за кайнозойското охлаждане на климата все още е на ниво многобройни и често противоречивихипотези, следователно този въпрос не се разглежда тук, тъй като все още не е напълно разработен.
Характеристика на кайнозойското охлаждане на климата беше пространствената неравномерност на охлаждането. Циркумполярните региони губеха топлина много по-бързо от екваториалните. Така средната годишна температура на въздуха в екваториалната зона се понижи с 3 °C, а в ширината 70-80 °C на северното полукълбо с 26 °C. Контрастите между летния и зимния сезон станаха особено остри.
Най-тежкото охлаждане беше Антарктика, която по това време заемаше позицията си в южния циркумполярен регион. Признаци на листово заледяване на този континент се появяват не по-късно от 20 милиона години, но във форма, близка до съвременната, ледената покривка на Антарктика се формира около