Дерзкие мысли о климате

Теперь рассмотрим, что последует вместе с падением сильно соленой отдельной капли через среду менее соленой подповерхностной морской воды. Очевидно, что капля согреется и утратит первоначальную концентрацию солей, но при этом насколько-то охладит и увеличит соленость воды, через которую падает сама. Этот тепло- и солевой обмен приведет к увеличению плотности воды, с которой контактирует капля, а, следовательно, и к вовлечению ее к падению ко дну. Насколько значительным будет такое вовлечение можно установить элементарным расчетом изменения температуры и солености окружающей каплю воды. При этом мы не будем стремиться к большой точности расчетов, поскольку пока достаточно получить лишь примерные характеристики теплообмена.

Сложно установить среднюю температуру, с которой капля выпадает изо льда, поскольку последняя определяется многими изменчивыми характеристиками температуры самого льда, уровня слоя, из которого вытекает капля, температурой замерзания рассола, временем, в течение которого совершается его вытекание, и еще целым рядом трудно учитываемых факторов. Наконец, если мы и определим значение этой температуры, то не менее сложно определить объём воды, который может быть вовлечен холодной каплей к опусканию на дно.

В этом смысле, расчет изменений солености, как причины, возбуждающей термохалинную конвекцию, представляется более доступным и интересным. Такой расчет может основываться на вполне очевидных среднестатистических показателях различий солености взаимодействующих масс.

Примем в расчет вполне реальные для Арктического бассейна следующие показатели солености (промилле):

– воды, из которой намерзает лёд – 33

– наибольшая для глубинных вод – 35

– средняя для плавучего льда – 5

Из приведенного сопоставления следует, что при замерзании поверхностных вод каждый объём образующегося льда, капля за каплей, рассоляется в среднем на 28‰. Выпадающие при этом рассолы, как бы это не происходило, способны увеличить соленость с 33‰ до 35‰, то есть всего на 2‰ уже 14 таких же как лёд, объёмов (точнее массы) окружающей воды, вызывая у неё необходимость спускаться ко дну. Насколько велик общий объем такого вовлечения воды в конвекцию увидим далее.

Изменение плотности морской воды в большей мере зависит от изменений солености, чем от изменений температуры. Известно, например, что повышение солености воды на 1‰ увеличивает ее плотность на 0,0008, а понижение температуры на 1 °C увеличивает плотность холодной воды уже примерно в 13 раз меньше. Если температура вытекающих изо льда капель рассола составляет около минус 4 °C (что вполне вероятно), то разница их температур с окружающей водой составляет примерно 2,2 °C. Следовательно, с очень грубым приближением можно принять, что за счет лишь охлаждения капель в термохалинную конвекцию вовлекается всего около 10 % количества воды, а остальная участвует в термохалинной конвекции за счет увеличенной солености капель. Из этого следует, что при ежегодном намерзании или термомеханическом льдообразовании и таянии всего объёма льда в Северном Ледовитом океане (9250 км ³ или 85×10¹¹ т), опустится на дно, уплотнившись рассолами, выпавшими изо льда в виде капель (119140 км³) воды. Еще около 10 % этой величины (11900 км³) вовлечется в глубину за счет охлаждения капель рассола. Следовательно, всего в термохалинную подледную конвекцию на всей акватории Арктического бассейна вовлекается, опускаясь на дно, около 131000 км ³ морской воды. Кроме этого, значительная доля (определить которую затруднительно) крепко соленой атлантической воды опускается на дно лишь от охлаждения, ещё не достигнув кромки льда. Еще больше опускается под фронтом кромки льда, где разность соленостей между поверхностной и глубинными водами оказывается ещё незначительной из-за чего в термохалинную конвекцию вовлекается масса воды. Здесь при разности соленостей воды в 1‰ в термохалинную подледную конвекцию вовлекается масса воды, превышающая массу льда уже в 29 раз. Ориентируясь на встречающиеся данные определений температуры и солености, можно предположить, что у кромки льдов в термохалинную конвекцию вовлекается не менее 25 % всей поступающей из Атлантики воды, то есть около 30000 км³. Таким образом, всего в термохалинную конвекцию в Северном Ледовитом океане вовлекается более 150000 км ³ воды. Это соответствует ежегодному пополнению слоя плотных соленых вод в глубоководной части Арктического бассейна примерно на 22 м.

Условия формирования и положение массы плотных вод в Северном Ледовитом океане характеризуется схемой (рис. 16), заимствованной из работы А. Ф. Трешникова и Г. И. Баранова «Структура циркуляции вод Арктического бассейна» (1972).