Для широкомасштабной океанической циркуляции необходимо, чтобы вода поднималась на поверхность, но этот подъём никогда не был предметом непосредственного наблюдения.
Впервые в истории международная группа исследователей под руководством учёных из Института океанографии им. Скриппса Калифорнийского университета в Сан-Диего напрямую измерила подъём холодных вод, происходящий в процессе турбулентного смешивания вдоль склона подводного каньона в Атлантическом океане.
Скорость наблюдаемого исследователями подъёма вод более чем в 10 000 раз превосходит среднемировую скорость, спрогнозированную в 1960-е годы скончавшимся недавно именитым океанографом Уолтером Манком.
Результаты нового исследования под руководством постдока из Института Скриппса Бетана Уинн-Каттанаха опубликованы в журнале Nature. Эти результаты являются началом попытки разрешить ставящую в тупик загадку океанографии и в итоге могут помочь человечеству прогнозировать климатические изменения. Исследование проводилось при финансовой поддержке Научно-исследовательского совета по охране окружающей среды и Национального научного фонда.
Миру, в котором мы живём, требуется масштабная циркуляция океана, часто именуемая конвейерной циркуляцией, в ходе которой океанические воды охлаждаются около полюсов, погружаются на глубину, и в итоге снова поднимаются на поверхность, где они разогреваются, и цикл повторяется снова. Эти масштабные процессы поддерживают круговорот тепла, питательных веществ и углерода, являющийся основой мирового климата, морских экосистем и способности океана компенсировать климатические изменения, являющиеся результатом деятельности человека.
Однако, несмотря на важность этого конвейера, один из его компонентов, именуемый меридиональной перемешивающей циркуляцией (МПЦ), оказался проблематичным для наблюдения. В частности, существовали теории о возврате холодных вод с глубин океана на поверхность за счёт восходящих токов, но непосредственных измерений не проводилось.
В 1966 году Манк рассчитал среднемировую скорость восходящих потоков, используя скорость, при которой холодные воды с глубин формировались вблизи Антарктиды. По его оценке скорость подъёма составляла один сантиметр в сутки. «Объём воды, переносимой при такой скорости подъёма, был огромным», — говорит Мэттью Элфорд, профессор физической океанографии в Институте Скриппса и старший автор исследования, — но, учитывая масштабы мирового океана, такой поток был бы слишком медленным, чтобы можно было произвести его непосредственное измерение».
Манк предположил, что этот подъём происходит за счёт турбулентного смешения, вызываемого разломом внутренних волн под поверхностью океана. «Проведённые около 25 лет назад измерения впервые показали, что турбулентность в глубинах морских вод была выше в придонных зонах, но для океанографов это стало парадоксальным явлением», — говорит Элфорд.
Если наибольшая турбулентность имеет место вблизи океанического дна, где вода холоднее всего, тогда под отдельно взятым объёмом воды, где вода холоднее, перемешивание будет сильнее. Это приведёт к тому, что нижние слои воды станут ещё холоднее и плотнее, вследствие чего вода устремится вниз, вместо того, чтобы подниматься на поверхность. Этот теоретический прогноз, в дальнейшем подтверждённый измерениями, судя по всему противоречит фактическому наблюдению, что океан попросту не наполняется холодной плотной водой, формируемой у полюсов.
В 2016 году исследователи, в том числе Рафаэль Феррари, океанограф из Массачусетского технологического института и соавтор данного исследования, предложили новую теорию, потенциально способную разрешить этот парадокс. Идея состояла в том, что крутые склоны у океанического дна в таких местах, как отвесные скалы каньонов, могут способствовать образованию необходимой для подъёма вод турбулентности.
Уинн-Каттанах, Элфорд и их коллеги решили выяснить, возможно ли выполнить непосредственное наблюдение этого феномена, проведя морской эксперимент с помощью бочки нетоксичного флюоресцентного красителя под названием флюоресцеин. Пустившись в путь в 2021 году, группа нанесла визит в подводный каньон на глубине примерно 2000 метров во впадине Роколл, на расстоянии приблизительно 370 километров к северо-западу от Ирландии.
«Мы выбрали этот каньон из примерно 9500 известных нам океанических каньонов, так как это место весьма непримечательно применительно к глубоководным морским каньонам», — говорит Элфорд. — Идея состояла в том, чтобы он был настолько обыкновенным, насколько это возможно, чтобы наши результаты можно было обобщить».
Находясь в исследовательском судне над подводным каньоном, учёные спустили 55-галлонную бочку с флюорисцеином на расстояние 10 метров над океаническим дном и затем удалённо запустили высвобождение красителя.
Затем они отслеживали краситель в течение двух с половиной дней до его растворения, используя несколько инструментов, которые были адаптированы для нужд эксперимента в Институте им. Скриппса. Исследователи отслеживали движение красителя в высоком разрешении, перемещая судно вверх-вниз относительно склона каньона. Основные измерения получали флюориметры, способные обнаруживать присутствие минимальных объёмов флюоресцирующего красителя, вплоть до 1 на миллиард, но другие инструменты также измеряли изменения температуры и турбулентности воды.
При отслеживании движения красителя был зафиксирован происходящий под влиянием турбулентности подъём воды вдоль стенки каньона, что впервые подтвердило предложенное Феррари решение парадокса с помощью непосредственных наблюдений. Учёные не только измерили подъём воды вдоль склона каньона, но и показали, что он был намного быстрее, чем предсказано в расчётах Манка в 1966 году.
Манк предположил общемировой подъём на один сантиметр в сутки, однако измерения во впадине Роколл показали подъём до 100 метров в сутки. Кроме того, учёные наблюдали, как определённая масса красителя удалялась от склона каньона в его внутренние части, предполагая, что физика турбулентного подъёма воды сложнее, чем предполагалось в изначальной теории Феррари.
«Мы наблюдали за подъёмом вод, который до этого никогда не измерялся», — говорит Уинн-Каттанах. — Скорость подъёма к тому же действительно велика, что, как и измерения скорости погружения вод в других регионах океана, предполагает, что существуют горячие точки подъёма».
Элфорд назвал результаты исследований «призывом к действию, чтобы сообщество физиков-океанографов получили намного лучшее понимание турбулентности океана».
Уинн-Каттанах говорит, что для неё было большой честью, что она, будучи магистрантом, возглавила проект, явившийся кульминацией нескольких десятилетий работы учёных в этой сфере, где участвовали такие выдающиеся исследователи и коллеги. На основании предварительных результатах исследования, Уинн-Каттанах стала первой студенкой, которую пригласили с речью на Конференцию Гордоновских исследований по смешению океана в 2022 году.
Следующим шагом будет изучить, присутствует ли подобное восхождение вод в других подводных каньонах по всему миру. Учитывая непримечательные характеристики каньона, Элфорд говорит, что весьма разумно предположить, что этот феномен будет относительно распространённым.
По словам Элфорда, если результаты подтвердятся в других местах, то в симуляциях мирового климата необходимо начать учитывать такой тип вызываемого турбулентностью подъёма вод у элементов рельефа океанического дна. «Эта работа — первый шаг к добавлению недостававших физических особенностей океана к нашим климатическим моделям, и это абсолютно улучшит способность этих моделей прогнозировать изменение климата», — сказал он.
Со слов Элфорда, путь к научному пониманию океанической турбулентности состоит из двух частей. Во-первых, «нам необходимо проводить больше высокотехнологичных экспериментов в высоком разрешении, таких как этот, в ключевых частях океана, чтобы лучше понимать физические процессы». Во-вторых, говорит он, «нам нужно измерять турбулентность в как можно большем количестве мест, используя автономные инструменты вроде буев-измерителей "Арго"».
Исследователи уже находятся в процессе проведения подобного эксперимента по выбросу красителя у побережья в непосредственной близости с кампусом института Скриппса в подводном каньоне Ла-Холья.
Помимо Уинн-Каттанаха, Элфорда и Феррари, Николь Куто, Арно Ле Бойе и Гуннара Воет из института Скриппса, соавторами исследования также стали Генри Дрейк из Калифорнийского университета в Ирвайне, Эрле Мерсье из Французского института океанографии, Мари-Хосе Мессиас из Эксетерского университета, Сяоджоу Руань из Бостонского университета, Карл Спинджис из Национального центра океанографии в Великобритании, Ганс ван Харен их Голландского королевского института исследований моря, Курт Полцин из Океанографического инстутута в Вудс-Хоул и Альберто Навиера Гарабато из Университета Саутгемптоновского университета и Национального центра океанографии.
Автор — Алекс Фокс.
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источники.
Материалы предоставлены Калифорнийским университетом в Сан-Диего.
Вам также может быть интересно:
