Земля с оси слетела, Гольфстрим остановился

Читатели неоднократно просили прокомментировать упорно циркулирующие по ЖЖ и СМИ сенсации об "остановке Гольфстрима". В частности, один из вариантов - статья неких итальянских профессоров теоретической физики об исчезновении течения Мексиканского залива вследствии разлива нефти на скважине BP и дисперсантов для борьбы с этой нефтью. Вот, например, один из сенсационных комментариев этой статьи. Несколько обсуждений проблемы "остановки Гольфстрима" в ЖЖ:

http://ivanov-petrov.livejournal.com/1530405.html
http://terrao.livejournal.com/2351269.html
http://tukan366.livejournal.com/2199.html

Сразу могу сказать что никакой остановки Гольстрима или его притоков (таких как течение в Мексиканском заливе) не происходит. То что описали в статье "итальянские учёные" как "исчезновение течения Мексиканского залива" - ничто иное как проявление гидродинамической неустойчивости с образованием больших вихрей (см. например, эту статью).

В рассуждениях про "остановку Гольфстрима" и неминуемый "ледниковый период" в Европе, как правило смешиваютcя два явления - собственно Гольфстрим как тёплое течение вдоль западного берега Алантики, и термохалинную циркуляцию с глубинной конвекцией и образованием придонной воды в полярной зоне Северной Атлантики. Это разные вещи. Они, в принципе, связаны друг с другом, как связаны, скажем, Ленинградское и Киевское шоссе - одно может соединяться с другим, но как физические явления могут существовать отдельно друг от друга.

Очень грубо, в нулевом приближении, можно сказать так: 1) океанические течения вызываются ветром, 2) ветер вызывается Солнцем, 3) при этом важнейшим фактором, как в ветре так и в течениях, является вращение Земли. Теперь чуть более подробно.

1. Основные ветра - крупномасштабная атмосферная циркуляция - это не что иное как ячейки конвекции, модифицированные силой Кориолиса (т.е. вращением Земли). Воздух нагревается от поверхности в экваториальных зонах и остывает у полюсов. Если бы Земля не вращалась, в северном и южном полушарии существовало бы по одной гигантской конвективной ячейке (у экватора воздух поднимается вверх, перемещается к полюсам в верхней тропосфере, там опускается вниз и дует обратно к экватору.

Но Земля вращается, и любые перемещения на ней в направлении, не совпадающем с осью вращения, вызывают действие силы Кориолиса, перпендикулярно скорости движения. У воздуха, который движется по меридиану, таким образом появляется широтная компонента скорости (т.е. на запад или на восток). Из-за этого одна конвективная ячейка разбивается на несколько полос, огибающих Землю по широте, и преимущественно меридиональные скорости (т.е. на север или на юг) становятся преимущественно широтными (всякие пассаты-муссоны). В каждом полушарии получаются три, вместо одной, конвективных ячейки (см. рис). Три - не является каким-то фундаментальным числом. Если бы Земля вращалась быстрее, а атмосфера была бы тоньше - этих ячеек было бы больше.

Вышеописанное широко известно, и не сильно выходит за пределы учебника "Природоведение, 7 класс". Далее - вещи тоже весьма фундаментальные, но гораздо менее известные широкой публике.

2). Такая картина крупномасштабной атмосферной циркуляции (планетарная конвекция модифицированная силой Кориолиса) приводит к тому что в средних широтах над океаном постоянная антициклоническая (т.е. по часовой стрелке в северном полушарии) завихренность: южнее - ветер в основном восточный, севернее - западный. Эта завихренность передаётся океану за счёт трения (т.е. разгон штормовых волн). Но океан сильно отличается от атмосферы. Во-первых, у него есть берега, т.е. жёсткие границы. Во-вторых, скорости воды в среднем в 30-50 раз меньше чем в воздухе. В третьих, конвекция в океане на несколько порядков слабее чем в атмосфере.

Эти факторы приводят к несколько другому балансу сил в океане по сравнению с атмосферой. Океанические течения не просто повторяют направление ветра над ними, а текут по своему. В открытом океане, кроме экваториальной полосы, действует так называемый "планетарный геострофический баланс". Он заключается в том что угловой момент, прилагаемый трением ветра, должен компенсироваться меридиональным движением воды (т.е. изменением планетарной компоненты завихренности воды). Если трение ветра прилагает антициклоническую завихренность, то вся вода в средних широтах (по крайней мере в верхнем слое, около 1 км толщиной) должна течь к экватору. Но вся вода не может течь к экватору, это нарушает баланс массы. Один из способов, которым природа решает подобную проблему (невозможность выполнения основного баланса во всём пространстве) является так называемый "пограничный слой" - небольшая часть пространства, где баланс получается совсем другой, не такой как везде. Таким пограничным слоем в океане являются "западные пограничные течения", самым известным из которых является Гольфстрим. Такие течения, обеспечивающие возвращение воды текущей к экватору из-за планетарного геострофического баланса, могут возникать только на западной границе океанов, а не на восточной. Обьяснение этого несколько более тонкое, мне сейчас лень это делать. Течения, подобные Гольфстриму, существуют у всех западный берегов: Куросио, Бразильское течение, Мозамбикское, и т.д. В каждом случае - это мощное тёплое течение, которое переносит воду от экваториальной зоны в средние широты.

Таким образом, Гольфстрим (и течение Мексиканского залива, как один из его притоков) - вызваны не локальными условиями, а глобальным балансом планетарного масштаба. Гольфстрим будет существовать до тех пор пока: а) солнце греет Землю, б) Земля вращается, в) у Атлантики есть западный берег - восточное побережье США. Какие-то мелкие изменения в климатическом балансе не могут его остановить - это просто несравнимые по масштабу вещи. Утверждения о том что разлив нефти в Мексиканском заливе на скважине БП может "выключить" Loop current (течение Мексиканского залива) - смехотворны. Даже если бы количество вылившейся нефти составляло миллионы тонн - это примерно как каплю масла в ванную, движения воды это никак не изменит.

Это не значит что Гольфстрим вообще никак не меняется. Он, в зависимости от глобальных условий, может стать немного слабее или немного сильнее, отрываться от берега немного южнее или немного севернее. Но как планетарное явление (мощное течение от низких к высоким широтам вдоль западного побережья океана, которое затем отрывается от берега и течёт на восток) будет существовать до тех пор пока действуют факторы а),б),в) упомянутые выше.

Теперь о термохалинной циркуляции. Это гораздо более тонкий эффект. Почти везде в океане вертикальные движения воды ничтожны по сравнению с горизонтальными, т.е. обмен воды между поверностными и придонными слоями чрезвычайно мал (по сравнению с атмосферой, где обмен между нижними и верхними слоями происходит за считанные дни). И только в нескольких небольших зонах, составляющих около 1% всей поверхности океана, существует глубокая конвекция, где поверхностные воды достаточно быстро проникают до дна. Основная зона, где таким образом происходит формирование глубинной воды - это место в Северной Атлантике, примерно между Гренландией и Исландией. Есть и другая точка - в Южной Атлантике, в море Росса около Антарктиды, но масштаб конвекции там значительно слабее.

Существование глубинной конвекции зависит от довольно тонкого баланса температуры и солёности в верхних и нижних слоях; баланс, способствующий конвекции, существует далеко не везде в полярных широтах. Например, во всём огромном Тихом океане этот баланс несколько другой, и глубокой конвекции не возникает вообще. Можно представить условия, когда точки глубинной конвекции исчезнут и в Атлантике, и такие периоды существовали в недавней истории Земли.

Наличие или отсутствие глубинной конвекции, естественно, влияет на климат. Это примерно как имеется большой дом с толстыми стенами и хорошей теплоизоляцией, но в одной комнате слегка приоткрыта форточка. Если на улице мороз, температура внутри будет существенно зависеть от того насколько открыта или закрыта единственная форточка. Кроме обычного теплообмена, глубинная конвекция важна для многих других процессов: она несёт в глубину богатые кислородом верхние слои воды; кроме того, если в атмосфере резко повышяается концентрация CO2, конвекция может "захоронить" излишки этого газа в придонных слоях и замедлить рост этой концентрации.

Таким образом, прекращение глубинной конвекции (например, если вода в районе Гренландии станет намного более пресной, за значит, более лёгкой, чем сегодня) может серьёзно повлиять на климат, но механизм этого довольно сложный и нелинейный. Теоретически это может произойти. Например, если во льдах Гренландии взорвать сотни атомных бомб, частично растопив их и сбросив большую часть в океан в виде айсбергов, североатлантическая ячейка глубинной конвекции может исчезнуть на много лет. Но климат Змели начнёт чувствовать это не сразу, через десятки лет. Это - медленный процесс, хотя с долгоиграющими последствиями. Но сегодня никаких свидетельств исчезновения этой ячейки конвекции нет. Климат будет меняться, как он всегда менялся на протяжении истории Земли, но нет оснований считать что эти изменения в ближайшие годы будут особенно быстрыми и катастрофическими.