М.Г. Деев, канд. геогр. наук, старший научныйсотрудник кафедры океанологии географического факультета Московскогогосударственного университета им. М.В. Ломоносова
Морскиельды — самый молодой элемент криосферы Земли. Время их существованияоценивается примерно в 700 тысяч лет. До этого полярные, океанские и морскиебассейны пребывали в безледном режиме. Морской ледяной покров первоначальнопоявился как продукт определенной климатической эпохи, но впоследствии сам сталважным звеном климатической системы планеты. Здесь рассказано о причинах появленияморских льдов Северного полушария, об условиях их существования и роли вформировании современного климата.
Условия образования и существования морских льдов
Необходимоеусловие для образования льда на поверхности любого водоема — охлаждениеповерхностного слоя воды до температуры замерзания. Подобное охлаждениевозможно всюду в областях с отрицательным радиационным балансом, то есть там, гдепоступление коротковолновой солнечной радиации меньше, чем встречноедлинноволновое излучение земной поверхности1. Приход радиационного балансапреобладает над расходом в экваториальном и тропических поясах, а расход — вполярных районах. Равенство приходящего и уходящего потоков тепла наблюдаетсяоколо 40-х параллелей обоих полушарий. Следовательно, в областях, расположенныхвыше 40-х параллелей, в принципе возможно охлаждение воды до температурызамерзания, 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. Нов то же время льды никогда не образуются в районах, расположенных значительносевернее, а именно в Норвежском море, на большей части площади Гренландского ив юго-западной части Баренцева морей. Часто оказывается свободным от морскихльдов район, расположенный к западу от Шпицбергена, почти на 80-й параллели.Иными словами, закон широтной зональности в пространственном распространенииморских льдов не соблюдается. Отсюда, следует, что одного только охлаждения поверхностиводы для образования морских льдов недостаточно.
Припонижении температуры воды происходит эквивалентное увеличение ее плотности, котороевызывает конвективное перемешивание. Охлажденная и более плотная водапогружается, а на смену ей всплывает менее плотная и более теплая. В дальнейшемвсе будет зависеть от того, сколько тепла содержится в деятельном слое моря, охваченномконвекцией.
Помимоэтого процесс охлаждения поверхностного слоя воды в море может быть значительнозамедлен, если существует горизонтальный поток тепла, привнос тепла морскимитечениями. Такое явление наблюдается в Северной Атлантике. Теплые водыСеверо-Атлантического течения широким потоком вливаются в Северный Ледовитыйокеан через акватории Гренландского, Норвежского и Баренцева морей. Количествотепла, приносимого водами этого течения, так велико, что практически исключаетвозможность образования льда на большей части площади этих морей.
Перечисленныевыше замерзающие акватории южных морей России имеют по меньшей мере две особенности,отличающие их от океанских вод. Прежде всего заметим, что замерзают толькомелководные акватории. Самое мелкое из морей — Азовское, где наибольшая глубинасоставляет 13 м, следовательно, теплозапас его вод невелик и с началом осеннеговыхолаживания быстро расходуется на нагревание атмосферного воздуха над морем.Главная же особенность южных морей России в процессе льдообразованиязаключается в низкой солености их вод.
Вобщей гидрологии существует понятие температуры наибольшей плотности. Преснаявода имеет наибольшую плотность при температуре 4 °С. Вода пресноводноговодоема, охлажденная до этой отметки, погружается в придонные слои и постепеннозаполняет всю котловину. Конвективное перемешивание прекращается, одновременнорезко сокращается поток тепла из глубин к поверхности, где при продолжающемсяохлаждении быстро создаются условия для начала льдообразования.
Помере увеличения солености температура наибольшей плотности постепенноприближается к нулю и при достижении значения солености 24, 7‰ сравнивается стемпературой замерзания, которая при этой солености равна –1, 3°С. В морях ссоленостью ниже указанной величины (их воды называют солоноватыми) конвекцияпротекает по типу пресного водоема, во всех остальных, чьи воды в полном смыслесоленые морские, осенне-зимняя конвекция будет продолжаться до тех пор, покався вода не охладится до температуры замерзания. В частности, поэтому вНорвежском море глубокая конвекция и значительный теплозапас не позволяютначаться процессу образования морского льда.
То,что охлаждение до температуры замерзания идет долго, объясняется очень высокойтеплоемкостью воды. Чтобы температура понизилась на один градус, каждый граммводы должен выделить 4, 2 Дж тепла. Кроме того, чтобы создать условия, достаточныедля начала кристаллизации, каждый грамм воды должен выделить еще 334 Дж тепла —это теплота кристаллизации.
Всоленом море конвекция не прекращается и после начала льдообразования. Припоявлении морского льда большая часть солей вытесняется из него и в виде капельконцентрированного рассола погружается в воду, повышая ее соленость, аследовательно, и плотность. Процесс поступления солей в подледный слой водыпрекращается только при очень низких температурах льда, когда ячейки составшимся рассолом оказываются изолированными одна от другой и от водыпрослойками пресного льда. Таким образом, в глубоком океане, обладающемколоссальным запасом тепла, процесс льдообразования чрезвычайно затруднен, есливообще возможен.
ВСеверном Ледовитом океане образование и существование льда обусловлено наличиемтонкого приповерхностного распресненного слоя воды, под которым наблюдаетсярезкое увеличение солености с глубиной, так называемый слой скачка солености, илигалоклин. Глубина конвективного перемешивания тем самым ограничивается толщинойприповерхностного распресненного слоя, в большинстве случаев от 50 до 100 м толщиной. Галоклин формирует соответствующий скачок плотности, который препятствует теплообменуглубинных вод океана с водами приповерхностного распресненного слоя. Поэтомуможно сказать, что в Арктическом бассейне процесс льдообразования происходиттак же, как в мелком море.
Краткая история современного климата
Климат,как известно, формируется под воздействием совокупности многихклиматообразующих факторов, наиболее важными из которых считаются светимостьСолнца и расстояние до него, эксцентриситет земной орбиты, положение земной осив пространстве и угловая скорость вращения Земли, географическое распределениематериков и океанов, высота суши над уровнем моря, общая циркуляция атмосферы иокеана. Температурные условия на поверхности Земли, кроме того, зависят отмассы атмосферы, объема океанических вод, альбедо земной поверхности.Исключительно важным фактором стабилизации климата следует считать Мировойокеан, непрерывное существование которого подтверждено на отрезке времени болеетрех миллиардов лет.
Температурана поверхности Земли за последние три миллиарда лет не претерпевала такихсильных изменений, какие могли бы оказаться губительными для существованияземных форм жизни. Во всяком случае, в среднем на Земле всегда былитемпературные условия, удовлетворяющие сохранению больших объемов жидкой воды.Воды Мирового океана никогда полностью не испарялись и не превращались в лед.Периодически возникавшие на разных этапах истории Земли крупные покровныеоледенения, по-видимому, отмечались лишь в тех случаях, когда в околополюсномрайоне оказывался континент, как это имеет место сегодня в Антарктиде иГренландии (ее тоже можно считать небольшим континентом).
Расположениеконтинентов и океанов, достаточно близкое к современному, установилось к началукайнозойской эры (около 67 млн лет тому назад). В кайнозое климат Земли былнаиболее теплым в эоценовую эпоху, около 55 млн лет тому назад. Средняя годоваятемпература воздуха в Европе в то время была выше 22 °С (заметим, что внастоящее время средняя температура воздуха на поверхности Земли около 15 °С).По данным палеоокеанологии, температура глубинных вод в экваториальном поясеТихого океана составляла 14 °С. Температура воды океанов в придонных слояхнизких широт соответствует температуре поверхностных вод полярных бассейнов. Тоесть термический режим северного океана, который сегодня мы называем Ледовитым,в середине эоцена совершенно исключал возможность образования там морскихльдов.
Ссередины эоцена началось очень медленное, но почти непрерывное понижениетемпературы, продолжавшееся до начала четвертичного периода. Объяснение причинкайнозойского похолодания климата пока находится на уровне многочисленных инередко противоречивых гипотез, поэтому здесь этот вопрос не рассматривается, какне окончательно еще разработанный.
Особенностьюкайнозойского похолодания климата была пространственная неравномерностьостывания. Околополярные районы теряли тепло значительно быстрее, чемэкваториальные. Так, средняя годовая температура воздуха в экваториальном поясепонизилась на 3 °С, а в полосе широт 70—80° Северного полушария на 26 °С.Особенно сильно обострились контрасты между летним и зимним сезонами.
Виюле температура воздуха понизилась на экваторе на 4 °С, а на 75° с. ш. на 18°С, соответственно, в январе понижение составило 2, 5 °С и 40 °С. Из этихданных видно, что одновременно с общим похолоданием в кайнозое существенно нарасталиконтрасты между полюсом и экватором, между холодным и теплым сезонами.
Наиболеесильно остывала Антарктида, занявшая к тому времени свое положение в южномоколополюсном районе. Признаки покровного оледенения на этом континентепоявились не позднее 20 млн лет тому назад, но в виде, близком к современному, антарктическийледяной щит сформировался около
4млн лет тому назад. Оледенение Гренландии возникло много позже и окончательносформировалось около 3 млн лет тому назад. Такая задержка может быть объясненатем, что этот крупнейший остров находится почти в тысяче километров от полюса, акроме того, сказывалось отепляющее влияние северного океана, который, хотя исильно охладился, но еще не стал ледовитым.
Большиеперепады температур между тропиками и полярными областями неизбежно вызываютусиление зональной составляющей в общей циркуляции атмосферы. Широтнаязональность климата в свою очередь обостряет сезонные колебания. Происходитусиление переноса воздушных масс, насыщенных влагой, с акваторий СевернойАтлантики и северной части Тихого океана на материки Евразии и Северной Америки,что увеличивает там количество атмосферных осадков и приводит ксоответствующему увеличению объема речного стока. Особенности рельефа Евразиитаковы, что основная доля речного стока направлена в северный океаническийбассейн, где в результате стал увеличиваться приток пресных вод.
Значительнуюроль в преобразовании климата в кайнозое сыграли также горообразовательныепроцессы. Установлено, что Альпийская и Гималайская горные страны за последние10—12 млн лет поднялись на 2—3 км. Увеличение высоты континентов неизбежносопровождается понижением приземной температуры воздуха, а поднятие горныхмассивов выше снеговой линии создает условия для возникновения ледников.
Продолжавшеесяохлаждение земной поверхности в сочетании с ростом сезонных контрастовтемпературы привело к тому, что часть осадков стала выпадать в твердомсостоянии, в виде снега. Появление значительных заснеженных пространств вхолодную половину года привело к резкому увеличению альбедо земной поверхности.Напомним, что ровная поверхность, покрытая свежевыпавшим снегом, способнаотразить обратно в атмосферу до 95% падающей солнечной радиации (при среднемальбедо Земли около 30%).
Подобноесочетание климатообразующих факторов создает эффект так называемойположительной обратной связи, когда в цепочке последовательных преобразованийсоздаются условия для усиления первоначальных изменений. Остывание земнойповерхности понизило температуру до точки замерзания воды и вызвало тем самымпоявление твердых атмосферных осадков; появление заснеженных пространствувеличило альбедо поверхности и сократило приток солнечного тепла; это в своюочередь привело к еще большему похолоданию.
Послеобразования гренландского ледяного щита покровные оледенения начали возникатьна островах крупных арктических архипелагов — Шпицбергене, Земле Франца-Иосифа,Новой Земле, Северной Земле. В то же время на отмелых приустьевых участкахсибирских рек, подверженных сильному опреснению, стали создаваться условия дляобразования морских льдов. Появление на арктическом шельфе морского ледяногопокрова еще увеличило долю отраженной солнечной радиации. Процесс охлаждениясеверной полярной области значительно ускорился.
Климатообразующиефакторы существенных изменений в кайнозойскую эру не претерпели. Из-заприливного трения, замедляющего вращение Земли вокруг оси, продолжительностьсуток увеличивается на 17 секунд за миллион лет. В то же времяпродолжительность года сохраняется, то есть в начале кайнозоя в суткахнасчитывалось 23 ч 41 мин, а в году было 370 суток. Угол наклона плоскостиэкватора Земли к плоскости ее орбиты за последние 30 млн лет менялся в пределахот 22, 068 до 24, 568° с периодичностью около 41 тысячи лет. Эксцентриситеторбиты Земли, сегодня равный 0, 017, менялся от 0, 0007 до 0, 0658 спериодичностью около 1000 лет. Эти колебания пренебрежимо малы. СветимостьСолнца оставалась на современном уровне. Почти не изменялись масса и составатмосферы. Географическое распределение материков и океанов практическисоответствовало современному.
Кначалу плейстоцена (1, 5—2 млн лет тому назад) средняя годовая температуравоздуха в Европе опустилась до 10 °С, а температура воды на поверхностисеверного океанического бассейна понизилась до 2, 2 °С. Количество пресной воды,поступавшее на поверхность северного океана в виде атмосферных осадков иречного стока, превысило величину испарения, и пресная составляющая в водномбалансе северной полярной области стала преобладать. Началось формированиеповерхностной холодной распресненной водной массы — древнего аналогасовременной поверхностной арктической воды.
Наэтом фоне в плейстоцене произошло резкое изменение климата. Медленноеохлаждение, постепенно увеличивавшее суровость климата на протяжении несколькихдесятков миллионов лет, сменилось резкими ритмическими колебаниями высокойамплитуды с периодичностью порядка ста тысяч лет. На поверхности Евразии иСеверной Америки стали возникать обширные покровные оледенения, сменявшиесяотносительно короткими промежутками межледниковий. Сегодня не представляетсявозможным со всей определенностью датировать начало этих колебаний. По разнымоценкам, переход к колебательному режиму произошел в промежутке времени от 1млн до 700 тыс. лет тому назад. В плейстоцене выделено пять главных эпохоледенения, причем каждая состояла из двух или трех стадий. Самым интенсивнымбыло Рисское (по отечественной терминологии — Днепровское) оледенение, состоявшееиз двух стадий, максимумы которых датируются около 230 и 190 тыс. лет томуназад. Тогда в Северном полушарии площадь континентального оледенения превышаласовременную в 13 раз. Концентрация большого количества пресной воды наматериках сопровождалась понижением уровня Мирового океана на 120 м ниже современного, что приводило к увеличению поверхности суши до 163 млн км2. Последнее, Вюрмскоеоледенение достигало максимума 18 тыс. лет назад.
Ледниковый период и морские льды
Возникновениематериковых покровных оледенений было подготовлено общим понижением температурыприземного слоя воздуха и переносом влаги, испарявшейся с поверхности океанов ивыпадавшей на материках в твердом виде. Это положение представляется очевидным.Но почему в таком случае материковые оледенения, достигнув некотороймаксимальной степени развития, разрушались и формировались вновь без каких-либозаметных изменений климатообразующих факторов? В чем заключается причинацикличности этого процесса?
Согласносовременным представлениям, переход от поступательного режима изменений климатак ритмичным колебаниям связан с появлением морских льдов — нового элементаклиматической системы Северного полушария. Предположительно это произошло около700 тыс. лет назад. Арктический океанический бассейн покрылся конжеляционными2льдами, в природе Земли появился Северный Ледовитый океан. Надо полагать, чтопереход от безледного режима к ледовому был постепенным, и его установлениепотребовало нескольких тысяч лет. В конечном итоге арктический морской ледовыйпокров стал важным звеном в системе океан — атмосфера — ледники — морские льды.
Главнымаккумулятором солнечного тепла на Земле является Мировой океан. Высокаятеплоемкость и большая масса воды (1, 37
1018т) сообщают этому звену климатической системы исключительно высокуюинерционность. Поглощая и отдавая огромные количества тепла, океан очень малоизменяет свою температуру. Если представить возможным резкое изменениепоступления солнечного тепла, то в атмосфере это станет заметным уже черезнесколько лет, но изменение средней температуры океана может быть замеченотолько спустя несколько тысяч лет.
Стольже инерционны и наземные покровные оледенения. Континентальные ледниковые щитытипа антарктического или гренландского формируются на протяжении десятков тысячлет и являются показателем большого дефицита тепла высокоширотных и полярныхобластей. Для перевода их в жидкое состояние необходимо затратить такоеколичество тепла, на подведение которого потребуется также несколько тысяч лет.По этой причине высказываемые иногда прогнозы скорого таяния ледниковых щитовАнтарктиды и Гренландии, что должно повлечь за собой катастрофическоезатопление низменных приморских районов, мягко говоря, несостоятельны.
Морскойледовый покров Арктики появился в результате глубокого охлаждения севернойоколополярной области и увеличения пресной составляющей водного баланса.Сформировавшаяся в поверхностном слое Северного Ледовитого океана распресненнаяарктическая водная масса оказалась отделенной от глубоководной части устойчивымгалоклином, препятствующим обмену теплом с нижележащими слоями воды, что иделает возможным существование морского льда в Арктике.
Появлениеморского льда на площади свыше 10 млн км2 резко увеличило альбедо на акваторииАрктического бассейна и привело к дефициту тепла. Это обстоятельство способствовалодальнейшему развитию наземных оледенений Евразии и Северной Америки, которые врезультате слились в единый ледниковый покров в северной полярной областиЗемли. Южные границы оледенения постепенно достигли предельного положения, гдедальнейшее разрастание ледникового покрова начало тормозиться процессами таянияв умеренных широтах. Накопление льда повышало высоту ледяных куполов, а изъятиевлаги из океана приводило к понижению уровня воды. Когда уровень опустился нижепорога Берингова пролива, прекратился водообмен с Тихим океаном. Сплошнойледниковый покров лишил Северный Ледовитый океан атмосферных осадков, которыетеперь выпадали на лед, в то же время прекратился и речной сток.
Оледенениесеверной полярной области понизило температуру воздуха над Северной Атлантикойи северной частью Тихого океана. Уменьшилось испарение, что вызвало сокращениепереноса влаги с океанов на материки, питание ледникового щита сократилось.Арктический атмосферный фронт, связанный с положением кромки морских льдов, сместилсяк югу. По этой причине атлантические циклоны стали проходить значительно южнее,что еще сократило количество осадков над акваторией Северного Ледовитогоокеана. Все это время Мировой океан продолжал накапливать тепло вэкваториальном и тропическом поясах. Происходило обострение температурныхконтрастов между экватором и полюсом. Продвижение ледникового щита к югусущественно замедлилось, а затем и вовсе прекратилось.
Изъятиепресной составляющей из водного баланса Северного Ледовитого океана привело кпостепенному размыванию галоклина и тем самым сделало возможным возобновлениеглубокой конвекции. Тепло океанических вод стало поступать к поверхности, иначался процесс разрушения морского ледяного покрова. Появление пространствоткрытой воды и поглощение на этих участках солнечного тепла усилило процесстаяния и отступания ледников. Оледенение вступило в фазу деградации ледниковыхщитов.
Послеразрушения материкового оледенения в Северном полушарии наступила короткая фазамежледниковья, после чего начало развиваться новое оледенение. К настоящемувремени установлено, что описанный ледниковый цикл повторился не менее пяти раз,то есть климатическая система стала развиваться в режиме долгопериодныхколебаний.
Главноеусловие существования колебательного процесса — проскакивание точкиравновесного состояния за счет сил инерции. Выведенный из состояния равновесиямаятник не остановится в нижней точке, прежде чем не совершит несколькоколебаний. Оледенение изначально возникает в результате понижения температурыводы до точки замерзания и расходования теплоты кристаллизации. В дальнейшемпроцесс развивается по цепочке: атмосферные осадки в виде снега — увеличениеальбедо подстилающей поверхности — увеличение суровости климата — формированиеледника. Система тем самым выводится из состояния теплового равновесия ипереходит на такой уровень, который способствует накоплению льда. В какой-томомент достигается максимум оледенения.
Тепловаяинерция ледникового щита не позволяет начаться таянию, так как подведениетеплоты плавления в условиях существующего термического режима на поверхностиЗемли требует промежутка времени порядка нескольких тысяч лет. Когда инерциянаконец преодолевается, начинается разрушение ледников. Установлено, что вовсех ледниковых циклах фаза разрушения значительно короче, чем фаза накопленияльда. Температура приземного слоя быстро повышается и еще более интенсифицируетпроцесс таяния льдов. В результате преодолевается уровень равновесияклиматической системы и количество сохранившихся в Северном полушарии природныхльдов оказывается меньше того, которое соответствовало бы равновесномусостоянию. Это означает, что колебательный процесс вышел в исходное состояние исозданы условия для начала формирования нового оледенения.
Заключение
Тепловоесостояние на поверхности Земли в настоящую эпоху в среднем таково, чтоклиматическая система планеты, находясь близко к положению равновесия, обязательносодержит в своем составе значительное количество воды в твердом состоянии, ввиде наземных ледниковых щитов и постоянного морского ледового покрова всеверной полярной области. Сложившаяся система устойчива из-за большой тепловойинерционности Мирового океана, благодаря чему колебания климата происходяточень медленно и мягко.
Установившийсяна Земле в плейстоцене режим климатической системы близок к автоколебательному.Сегодня нельзя с полной определенностью сказать, затухают эти колебания илиусиливаются. Их периодичность имеет порядок около 100 тыс. лет. За это времяколебательный цикл проходит фазы накопления льда в виде крупных материковыхоледенений, что сопровождается усилением суровости климата, разрушениемледниковых щитов, наступлением времени межледниковий и потепления климата, послечего все повторяется снова. Мы живем в эпоху типичного межледниковья, оптимумкоторого отмечался около 7000 лет тому назад.
Морскиельды Арктики, периодически покрывающие всю акваторию Северного Ледовитогоокеана, выполняют важные функции в формировании теплового баланса полярнойобласти. Появление морского льда изменяет отражательную способностьподстилающей поверхности в среднем от 15% (чистая вода) до 90% (лед, покрытыйснегом). Кроме того, морской лед играет роль теплоизолирующего слоя между водойи воздухом, в сотни раз уменьшая теплоотдачу из океана в атмосферу. Таким образом,морские льды служат своеобразным регулятором поглощения и отдачи тепла полярнымокеаном, что делает их важным звеном, поддерживающим колебательный режимклиматической системы.
1Приходящую солнечную радиацию принято называть коротковолновой, она поступаетна Землю в диапазоне длин волн от 0, 3 до 1, 5 мкм. Встречное излучение Землипроисходит в инфракрасном диапазоне, в основном на длинах волн от 8 до 13 мкм, исчитается длинноволновым.
/>2 Конжеляционными принято называть льды природных водоемов, образующиесяв результате замерзания (кристаллизации) воды в отличие от глетчерных льдов, которыепо происхождению являются осадочными и метаморфическими.
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта geo.1september.ru