Климат и ледяной покров полярных океанов

До сих пор в этой главе мы гораздо больше внимания уделяли полярным океанам, чем полярной атмосфере. Однако полярные исследователи давно заметили, что в областях, покрытых паковым льдом, происходят такие изменения, которые тесно связаны со многими аспектами климата. Под «климатом» мы подразумеваем основные атмосферные условия в регионе, например среднюю температуру воздуха, среднегодовое количество осадков и среднегодовые характеристики облачности и ветров, но, кроме того, учитываем и экстремумы этих условий на протяжении годового цикла. Поэтому наше изучение полярных океанов должно включать их взаимодействие с атмосферой.

Взаимодействие. В целом присутствие ледяного покрова резко уменьшает переход тепла и влаги из океана в атмосферу. Лед, особенно под снежным чехлом, представляет собой довольно хороший изолятор. Морозный сезон в Арктике начинается осенью, когда время солнечного освещения быстро сокращается с приближением полярной ночи. Но открытые океанские воды продолжают терять тепло за счет инфракрасного излучения, так что поверхностный слой воды остывает до точки замерзания.

В ходе этого процесса охлаждения поверхностный слой вовлекается в вертикальные конвективные движения вплоть до глубины, которая зависит от плотностного расслоения воды. Если есть волны и ветры, они способствуют вертикальному перемешиванию (вспомните приведенный на рис. 8.3 пример зимнего хорошо перемешанного слоя в незамерзающем океане). В конце концов перемешанный слой охлаждается до точки замерзания, и на поверхности начинает формироваться лед. Сначала лед нарастает быстро, часто в первый день образуется около 10 см льда.

Однако скорость роста нового льда, добавляющегося каждый день, экспоненциально уменьшается. Поэтому обычно за весь сезон морозов — 100 дней или более — формируется слой льда толщиной всего 100—150 см, даже несмотря на то, что температура находящегося над ним воздуха может быть на десятки градусов ниже точки замерзания. Лед плохо проводит тепло. Хотя по мере того как лед становится толще, его поверхность продолжает терять тепло за счет излучения в окружающее пространство, жидкий океан подо льдом все меньше возмещает потерю тепла поверхностью, а ледяной покров отбирает влагу атмосферы, которая в результате становится еще более холодной и сухой.

В этом заключается поистине драматическое явление природы — быстрое прекращение обмена между океаном и атмосферой, обычно происходящего через поверхность раздела между двумя средами — жидкой и газообразной. Читатель может вспомнить рассмотренные ранее взаимодействия I и II между воздухом и водой (гл. 6), при которых важнейшим элементом в тепловом балансе океана является перенос ощутимого тепла и скрытой теплоты парообразования. Однако в покрытом льдом океане процессы переноса фактически останавливаются. В итоге разность температур атмосферы между тропиками и полярными областями резко увеличивается. Это приводит к более энергичной циркуляции в глобальной системе ветров, что в свою очередь означает, что в атмосфере происходит более мощный теплоперенос к полярным регионам, пока не будет достигнуто равновесие. Вывод ясен: если бы морская вода не была накрыта «шапкой», образующейся в результате перехода самой этой воды в твердое кристаллическое состояние, глобальная циркуляция в атмосфере была бы менее интенсивной и температуры как полярной атмосферы, так и моря были выше, поскольку океан играл бы большую роль в переносе тепла к полюсам.

Арктический лед и атмосферные процессы в Северном полушарии. На рис. 20,14 представлена упрощенная карта распределения западных ветров в Северном полушарии.

Сначала найдем две области высокого давления над центральными районами Северной Атлантики и северной части Тихого океана; это те же самые области высокого давления, которые показаны на рис. 10.5 и 10.7.

Ближе к полюсу от этих центральных максимумов, волнообразно изгибаясь между чередующимися зонами влияния высокого и низкого давления, проходит полоса ветров в верхних слоях атмосферы, известная как струйное течение. Обычно в этом циркумполярном поясе мы обнаруживаем примерно четыре полные волны. Кроме того, эта система волн, как правило, устойчива и связана с расположением центральных областей высокого давления. Но точно так же, как меняется положение максимумов давления при смене времен года (рис. 10.5), происходит и широтное перемещение траектории струйного течения.

Струйное течение существует вследствие большой разности температур между сухой холодной полярной и теплой центральной областями высокого давления. Максимум у полюса возникает благодаря постоянному ледяному покрову, изолирующему океан от находящегося над ним воздуха.

Указанную зависимость можно обобщить следующим образом. Летом ледяной покров отражает более 60% падающего солнечного света, это препятствует нагреванию океана, но заставляет находящийся над ним воздух нагреваться быстрее, чем он нагревался бы, если бы океан был свободен ото льда и сам поглощал большую часть поступающего солнечного тепла. Зимой лед предохраняет океан от потери тепла в атмосферу, и температура воздуха падает до очень низких значений, по мере того как в результате обратного излучения поверхность льда охлаждается. Следовательно, атмосфера над покрытым льдом океаном зимой остывает интенсивнее и больше нагревается летом, чем воздух над открытыми водами.