Льды Арктики и климат Северного полушария
М.Г. Деев, канд. геогр. наук, старший научный сотрудник кафедры океанологии географического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова
Морские льды — самый молодой элемент криосферы Земли. Время их существования оценивается примерно в 700 тысяч лет. До этого полярные, океанские и морские бассейны пребывали в безледном режиме. Морской ледяной покров первоначально появился как продукт определенной климатической эпохи, но впоследствии сам стал важным звеном климатической системы планеты. Здесь рассказано о причинах появления морских льдов Северного полушария, об условиях их существования и роли в формировании современного климата.
Условия образования и существования морских льдов
Необходимое условие для образования льда на поверхности любого водоема — охлаждение поверхностного слоя воды до температуры замерзания. Подобное охлаждение возможно всюду в областях с отрицательным радиационным балансом, то есть там, где поступление коротковолновой солнечной радиации меньше, чем встречное длинноволновое излучение земной поверхности1. Приход радиационного баланса преобладает над расходом в экваториальном и тропических поясах, а расход — в полярных районах. Равенство приходящего и уходящего потоков тепла наблюдается около 40-х параллелей обоих полушарий. Следовательно, в областях, расположенных выше 40-х параллелей, в принципе возможно охлаждение воды до температуры замерзания, а значит, и образование льда.
Действительно, в Северном полушарии ежегодно наблюдается образование морского льда в Азовском, Аральском морях, северной части Каспийского, северо-западной части Черного. Но в то же время льды никогда не образуются в районах, расположенных значительно севернее, а именно в Норвежском море, на большей части площади Гренландского и в юго-западной части Баренцева морей. Часто оказывается свободным от морских льдов район, расположенный к западу от Шпицбергена, почти на 80-й параллели. Иными словами, закон широтной зональности в пространственном распространении морских льдов не соблюдается. Отсюда, следует, что одного только охлаждения поверхности воды для образования морских льдов недостаточно.
При понижении температуры воды происходит эквивалентное увеличение ее плотности, которое вызывает конвективное перемешивание. Охлажденная и более плотная вода погружается, а на смену ей всплывает менее плотная и более теплая. В дальнейшем все будет зависеть от того, сколько тепла содержится в деятельном слое моря, охваченном конвекцией.
Помимо этого процесс охлаждения поверхностного слоя воды в море может быть значительно замедлен, если существует горизонтальный поток тепла, привнос тепла морскими течениями. Такое явление наблюдается в Северной Атлантике. Теплые воды Северо-Атлантического течения широким потоком вливаются в Северный Ледовитый океан через акватории Гренландского, Норвежского и Баренцева морей. Количество тепла, приносимого водами этого течения, так велико, что практически исключает возможность образования льда на большей части площади этих морей.
Перечисленные выше замерзающие акватории южных морей России имеют по меньшей мере две особенности, отличающие их от океанских вод. Прежде всего заметим, что замерзают только мелководные акватории. Самое мелкое из морей — Азовское, где наибольшая глубина составляет 13 м, следовательно, теплозапас его вод невелик и с началом осеннего выхолаживания быстро расходуется на нагревание атмосферного воздуха над морем. Главная же особенность южных морей России в процессе льдообразования заключается в низкой солености их вод.
В общей гидрологии существует понятие температуры наибольшей плотности. Пресная вода имеет наибольшую плотность при температуре 4 °С. Вода пресноводного водоема, охлажденная до этой отметки, погружается в придонные слои и постепенно заполняет всю котловину. Конвективное перемешивание прекращается, одновременно резко сокращается поток тепла из глубин к поверхности, где при продолжающемся охлаждении быстро создаются условия для начала льдообразования.
По мере увеличения солености температура наибольшей плотности постепенно приближается к нулю и при достижении значения солености 24, 7‰ сравнивается с температурой замерзания, которая при этой солености равна –1, 3°С. В морях с соленостью ниже указанной величины (их воды называют солоноватыми) конвекция протекает по типу пресного водоема, во всех остальных, чьи воды в полном смысле соленые морские, осенне-зимняя конвекция будет продолжаться до тех пор, пока вся вода не охладится до температуры замерзания. В частности, поэтому в Норвежском море глубокая конвекция и значительный теплозапас не позволяют начаться процессу образования морского льда.
То, что охлаждение до температуры замерзания идет долго, объясняется очень высокой теплоемкостью воды. Чтобы температура понизилась на один градус, каждый грамм воды должен выделить 4, 2 Дж тепла. Кроме того, чтобы создать условия, достаточные для начала кристаллизации, каждый грамм воды должен выделить еще 334 Дж тепла — это теплота кристаллизации.
В соленом море конвекция не прекращается и после начала льдообразования. При появлении морского льда большая часть солей вытесняется из него и в виде капель концентрированного рассола погружается в воду, повышая ее соленость, а следовательно, и плотность. Процесс поступления солей в подледный слой воды прекращается только при очень низких температурах льда, когда ячейки с оставшимся рассолом оказываются изолированными одна от другой и от воды прослойками пресного льда. Таким образом, в глубоком океане, обладающем колоссальным запасом тепла, процесс льдообразования чрезвычайно затруднен, если вообще возможен.
В Северном Ледовитом океане образование и существование льда обусловлено наличием тонкого приповерхностного распресненного слоя воды, под которым наблюдается резкое увеличение солености с глубиной, так называемый слой скачка солености, или галоклин. Глубина конвективного перемешивания тем самым ограничивается толщиной приповерхностного распресненного слоя, в большинстве случаев от 50 до 100 м толщиной. Галоклин формирует соответствующий скачок плотности, который препятствует теплообмену глубинных вод океана с водами приповерхностного распресненного слоя. Поэтому можно сказать, что в Арктическом бассейне процесс льдообразования происходит так же, как в мелком море.