Jump to content

Множественные равновесия в атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции

Атлантическая меридиональная опрокидывающая циркуляция ( АМОК ) представляет собой крупную систему океанских течений, подобную конвейерной ленте. Это обусловлено различиями в температуре и содержании соли и является важным компонентом климатической системы . Однако AMOC не является статичной характеристикой глобального обращения. Он чувствителен к изменениям температуры, солености и атмосферным воздействиям. Климатические реконструкции по δ 18 О- прокси из Гренландии показывают резкий переход глобальной температуры примерно каждые 1470 лет. Эти изменения могут быть связаны с изменениями в циркуляции океана два равновесия , что позволяет предположить, что в АМОК возможны . В 1961 году Стоммел возможны два разных состояния АМОС создал модель с двумя ящиками, которая показала, что в одном полушарии . Результат Стоммела с моделью океанского ящика положил начало исследованиям с использованием трехмерных моделей циркуляции океана , подтвердив существование множественных равновесий в AMOC.

Атлантическая меридиональная опрокидывающая циркуляция ( АМОК ) представляет собой крупную систему океанских течений , несущих теплую воду из тропиков на север, в Северную Атлантику . Это обусловлено различиями в температуре и содержании соли. Современный AMOC в основном зависит от температуры, а это означает, что на севере существует сильный AMOC, характеризующийся опусканием. [ 1 ] В принципе возможно, что апвеллинг может иметь место и в низких широтах. Это изучал Стоммель в 1961 году. На климат Северного полушария влияет океанический перенос тепла и соли из тропиков в приполярные регионы. Океан выделяет тепло в атмосферу в приполярном атлантическом регионе. Этот перенос тепла на север является причиной относительно теплого климата в Северо-Западной Европе . [ 2 ] [ 3 ] Считается, что изменения в силе AMOC были ответственны за значительные изменения климата в прошлом. [ 4 ] Коллапс АМОК будет иметь серьезные последствия для температуры в Северо-Атлантическом регионе. Это может привести к снижению температуры воздуха до 10°C. [ 5 ]

Геологическая запись резких изменений климата

[ редактировать ]
Эволюция кайнозойского климата на основе совокупных записей изотопов кислорода глубоководных донных фораминифер.

Кайнозойская эра

[ редактировать ]

Кайнозойская эра охватывает период с 65,5 млн лет назад по настоящее время. Это самая поздняя из трёх классических геологических эр ( палеозойская , мезозойская , кайнозойская ). Земля в основном характеризуется как « парниковый мир », без льда и с высокими температурами. в раннем кайнозое [ 6 ] Широкое распространение крупных оледенений началось в Антарктиде ~34 млн лет назад в переходном периоде эоцена-олигоцена (ЭОТ). За это время мир стал « миром ледника », каким мы его знаем сегодня, с ледяными щитами, присутствующими на обоих полюсах одновременно.

Мероприятия Dansgaard-Oeschger

[ редактировать ]
Цикл Дансгаарда-Эшгера. Деление 50-10 тыс. лет до настоящего времени на ячейки по 1470 лет ясно показывает периодичность DO-цикла. DO-события пронумерованы.

также происходят резкие изменения климата В последний ледниковый период . Вилли Дансгаард проанализировал изотопный состав ледяных кернов из лагеря Сенчури в Гренландии в 1972 году. Хет сообщил, что последний ледниковый период показал более 20 резких интерстадиалов, отмеченных очень интенсивным потеплением. [ 7 ] Ганс Эшгер сообщил 12 лет спустя, что резкие изменения сопровождались внезапным увеличением содержания CO 2 в ледяных кернах Гренландии. [ 8 ] Эти резкие и драматические изменения климата с тех пор стали известны как события Дансгаарда-Эшгера (DO-события) и происходят примерно каждые 1470 лет. Палеопрокси-записи из δ 18 Прокси O были связаны с доказательствами температурных колебаний такой величины. [ 3 ] Причина этих колебаний до сих пор неясна, но недавние исследования показывают, что они вызваны изменениями в циркуляции океана. [ 9 ] Эти изменения могут быть вызваны возмущениями пресной воды Северной Атлантики. [ 10 ]

Модель коробки Стоммеля

[ редактировать ]

Для изучения изменений AMOC, вызванных, например, изменениями потоков пресной воды или потоков солености, использовалось несколько простых блочных моделей. Стоммель был первым, кто сделал это, и в 1961 году разработал коробчатую модель с одной полусферой ( коробчатая модель Стоммела ). [ 11 ] Он создал эту модель, чтобы изучить существование стабильных реакций на постоянное воздействие с помощью AMOC, вызванного умеренным климатом или соленостью. Стоммел использовал фундаментальное предположение о том, что сила AMOC линейно пропорциональна разности плотностей экватора и полюса. Это предположение подразумевает, что AMOC обусловлен поверхностным термохалинным воздействием. [ 12 ]

Схема двухкорпусной модели Stommel.

Модель состоит из двух коробок. Один ящик находится на высокой широте (полярный ящик), а другой — на низкой широте (экваториальный ящик).

Высокоширотный ящик имеет однородную температуру и соленость (T 1 ,S 1 ), это справедливо и для экваториального ящика (T 2 ,S 2 ). Предполагается линейное уравнение состояния:

,

где ρ 0 , T 0 и S 0 — эталонные плотность , температура и соленость соответственно.

Термические и халинные коэффициенты обозначаются буквами α и β. Как было сказано ранее, сила потока между ящиками определяется разницей плотностей между ящиками:

,

где k – постоянная гидравлической накачки.

Каждая коробка обменивается теплом с атмосферой . Температуры атмосферы (Т 1 а , Т2 а ) зафиксированы в этой модели. вода Испаренная 2 ≥ 0) в экваториальном ящике осаждается через атмосферу в высокоширотном ящике.

Основными дифференциальными уравнениями для температур и солености в модели ящика Стоммеля являются:

В этих соотношениях λ T — коэффициент теплообмена с атмосферой, и . Из этого следует, что:

.

Существует поверхностное течение в направлении полюса, если и приземный поток, направленный к экватору, если . В предположении установившегося режима для Т 1 и Т 2 сила потока равна:

.

Здесь . Отсюда следует, что временная эволюция силы потока определяется выражением:

Решение двухблочной модели Стоммеля. Здесь безразмерная скорость опрокидывания построен график зависимости от безразмерного воздействия солености . Для меньше 0,25 опрокидывание бистабильно. Решение, обозначенное сплошной линией, устойчиво, а решение, обозначенное пунктирной линией, неустойчиво.

силы Тогда установившееся состояние потока определяется выражением:

для и

для .

Решение физически невозможно, поскольку противоречит предположению, что .

Эти формулы для силы течения можно сделать безразмерными, положив и , что дает:

Решения с представляют собой решения с погружением в полярный ящик (высокие широты) и решения с представляют собой решения с опусканием в экваториальном ящике (низкие широты). Решения и устойчивы и решение является нестабильным. Это означает, что на одном полушарии в определенном диапазоне воздействия солености возможны два устойчивых состояния (равновесия) АМОК.

В настоящее время мы имеем обращение на положительной ветви с . [ 1 ] Если бы мы перешли к обращению по отрицательной ветви с , перенос океанического тепла в Северное полушарие ослабнет, и температура воздуха упадет. Похолодание будет самым сильным в Североатлантическом регионе и может привести к снижению температуры воздуха в Северо-Западной Европе до 10 °C. [ 13 ]

Переключение между ветками

[ редактировать ]
Шланговый эксперимент на двухобъемной модели Стоммеля. Закрашенные точки представляют собой два возможных равновесия для одного и того же воздействия солености. К красной точке применяется мгновенное поверхностное воздействие. Это приводит систему к устойчивой ветви отрицательного . Далее возмущение устраняется. Это возвращает систему в бистабильный режим , но на другой ветке (синяя точка). Красные линии указывают на мгновенное возмущение. Синие линии указывают на удаленное возмущение.

Стоммель доказал возможность существования двух равновесий в одном полушарии. Далее важно исследовать, как эти стабильные состояния реагируют на изменения воздействия солености или воздействия пресной воды. Примером изменения воздействия может быть увеличение количества осадков или испарения. [ 14 ]

Шланговый эксперимент

[ редактировать ]

Один из способов перейти от одного равновесия к другому — провести эксперимент по «обливанию». [ 15 ] Здесь применяется мгновенное возмущение поверхностной силы. Это перемещает систему в устойчивую ветвь отрицательной . Далее возмущение устраняется. Это возвращает систему в бистабильный режим , но на другой ветке. Это дает два разных стационарных состояния для одного и того же безразмерного воздействия солености.

Традиционный эксперимент с гистерезисом

[ редактировать ]

Другая стратегия — традиционный эксперимент с гистерезисом . Здесь принуждение постепенно увеличивается. Это позволяет системе следовать от положительной ветви к отрицательной. AMOC быстро рушится, когда достигает порога . Отсюда он переходит в отрицательную ветвь . После достижения отрицательной ветви воздействие снова медленно снижается. Это заставляет систему перейти к другому равновесию. Когда воздействие будет уменьшено еще больше, AMOC снова перейдет в положительную ветвь. . [ 3 ]

Эксперимент по перераспределению соли

[ редактировать ]

Третья стратегия — это эксперимент, в котором исходное состояние нарушается перераспределением соли в недрах океана. Эта стратегия оставляет воздействие солености неизменным. Если возмущение достаточно велико, AMOC рухнет. Это приведет к переходу системы в отрицательную ветвь . [ 3 ]

Примеры множественного равновесия в океане

[ редактировать ]

Результат Стоммела с моделью океанского ящика положил начало исследованиям с использованием трехмерных моделей циркуляции океана, подтвердив существование множественных равновесий. Полный спектр возможных равновесий в океане еще недостаточно изучен. Помимо коробчатой ​​модели Стоммела и трехмерных моделей, палеоклиматические данные также свидетельствуют о том, что вариации AMOC связаны с резкими изменениями климата. [ 16 ]

В прошлом

[ редактировать ]

Мероприятия Dansgaard-Oeschger

[ редактировать ]

События Дансгаарда-Эшгера являются наиболее актуальными палеоклиматическими явлениями, связанными с нестабильностью АМОК в прошлом. Они происходят примерно каждые 1470 лет. [ 3 ] Недавние исследования показывают, что они происходят из-за изменений в циркуляции океана. [ 9 ] Эти изменения могут быть вызваны возмущениями пресной воды Северной Атлантики. [ 10 ]

Эоцен-олигоценовый переход (ЭОТ)

[ редактировать ]

Примером переключения между двумя равновесиями в АМОК является эоцен-олигоценовый переход (ЭОТ) 34 млн лет назад, когда признаки глубокой циркуляции предполагают начало АМОК. Это вызвало серьезный сдвиг глобального климата в сторону более холодных и засушливых условий. Это также привело к образованию Антарктического ледникового щита . [ 17 ] Этот более холодный и сухой климат вызвал крупномасштабное вымирание флоры и фауны в так называемом эоцен-олигоценовом вымирании . [ 18 ] Предполагается, что сдвиг от одного равновесия к другому вызван долговременным снижением содержания CO 2 в атмосфере . [ 19 ]

В будущем

[ редактировать ]

В связи с появлением свидетельств резкого изменения климата из-за множественных равновесий в АМОК, возрос интерес к возможности таких событий в нынешнем климате. Недавнее антропогенное воздействие на климатическую систему может привести к воздействию на AMOC такой же величины, как и воздействие пресной воды в ледниковом прошлом. Как и в палеоокеанографических моделях, механизм и вероятность обрушения были исследованы с использованием климатических моделей . [ 3 ] Большинство современных климатических моделей уже предсказывают постепенное ослабление АМОК в XXI веке из-за антропогенного воздействия, хотя существует большая неопределенность в отношении степени уменьшения. [ 20 ] [ 21 ] Некоторые исследователи даже утверждают, что такое постепенное замедление уже началось и что оно заметно в косвенных записях AMOC середины двадцатого века. [ 3 ] В Пятом оценочном отчете Межправительственной группы экспертов по изменению климата они определяют крах АМОК как один из переломных моментов в климатической системе с низкой вероятностью возникновения, но с потенциально серьезными последствиями. [ 22 ]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а б Акен, Хендрик М. ван. (12 марта 2007 г.). Океаническая термохалинная циркуляция. Введение . Спрингер. ISBN  978-0-387-48039-8 . OCLC   1203998599 .
  2. ^ Бакли, Марта В.; Маршалл, Джон (26 января 2016 г.). «Наблюдения, выводы и механизмы атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции: обзор» . Обзоры геофизики . 54 (1): 5–63. Бибкод : 2016RvGeo..54....5B . дои : 10.1002/2015rg000493 . hdl : 1721.1/108249 . ISSN   8755-1209 . S2CID   54013534 .
  3. ^ Jump up to: а б с д и ж г Дж., Вейер, В. Ченг, В. Дрейфхаут, С. С. Федоров, А. В. Ху, А. Джексон, Л. К. Лю, В. МакДонах, Э. Л. Мекинг, Дж. В. Чжан (24 июля 2019 г.). Стабильность атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции: обзор и синтез . OCLC   1124678517 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  4. ^ Смит, Робин С.; Грегори, Джонатан М. (1 августа 2009 г.). «Исследование чувствительности океанской циркуляции и климата к поступлению пресной воды в различных регионах Северной Атлантики» . Письма о геофизических исследованиях . 36 (15): н/д. Бибкод : 2009GeoRL..3615701S . дои : 10.1029/2009gl038607 . ISSN   0094-8276 . S2CID   128956014 .
  5. ^ Баррейро, Марсело; Федоров, Алексей; Пакановски, Рональд; Филандер, С. Джордж (май 2008 г.). «Резкие изменения климата: как опреснение Северной Атлантики влияет на термохалинную и ветровую океаническую циркуляцию» . Ежегодный обзор наук о Земле и планетах . 36 (1): 33–58. Бибкод : 2008AREPS..36...33B . doi : 10.1146/annurev.earth.36.090507.143219 . ISSN   0084-6597 .
  6. ^ Зачос, Дж. (27 апреля 2001 г.). «Тенденции, ритмы и отклонения в глобальном климате от 65 млн лет до наших дней» . Наука . 292 (5517): 686–693. Бибкод : 2001Sci...292..686Z . дои : 10.1126/science.1059412 . ISSN   0036-8075 . ПМИД   11326091 . S2CID   2365991 .
  7. ^ ДЖОНСЕН, SJ; ДАНСГААРД, В.; КЛАЗЕН, Х.Б.; ЛАНГВЭЙ, CC (февраль 1972 г.). «Профили изотопов кислорода в ледяных щитах Антарктики и Гренландии» . Природа . 235 (5339): 429–434. Бибкод : 1972Natur.235..429J . дои : 10.1038/235429a0 . ISSN   0028-0836 . S2CID   4210144 .
  8. ^ Стауффер, Б.; Хофер, Х.; Эшгер, Х.; Швандер, Дж.; Сигенталер, У. (1984). «Концентрация CO2 в атмосфере во время последнего оледенения» . Анналы гляциологии . 5 : 160–164. Бибкод : 1984АнГла...5..160С . дои : 10.3189/1984aog5-1-160-164 . ISSN   0260-3055 .
  9. ^ Jump up to: а б Ли, Камилла; Родился, Андреас (01.01.2019). «Совместная динамика атмосферы, льда и океана в событиях Дансгаарда-Эшгера» . Четвертичные научные обзоры . 203 : 1–20. Бибкод : 2019QSRv..203....1L . doi : 10.1016/j.quascirev.2018.10.031 . HDL : 1956/19927 . ISSN   0277-3791 . S2CID   134877256 .
  10. ^ Jump up to: а б Г., Дима, М. Ломанн, Г. Кнорр (16 декабря 2018 г.). Североатлантический и глобальный контроль над событиями Dansgaard-Oeschger . AGU (Американский геофизический союз). OCLC   1148972675 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  11. ^ СТОММЕЛЬ, ГЕНРИ (май 1961 г.). «Термохалинная конвекция с двумя устойчивыми режимами течения» . Теллус . 13 (2): 224–230. Бибкод : 1961Tell...13..224S . дои : 10.1111/j.2153-3490.1961.tb00079.x . ISSN   0040-2826 .
  12. ^ Гуань, Ю Пин; Хуан, Руй Синь (01 апреля 2008 г.). «Возвращение к бокс-модели Стоммеля термохалинной циркуляции — роль механической энергии, поддерживающей перемешивание и вращение, вызванное ветром» . Журнал физической океанографии . 38 (4): 909–917. Бибкод : 2008JPO....38..909G . дои : 10.1175/2007jpo3535.1 . hdl : 1912/4033 . ISSN   1520-0485 .
  13. ^ «Гостевой пост: Может ли Атлантическая опрокидывающая циркуляция «закрыться»?» . Карбоновое резюме . 11 февраля 2020 г. Проверено 21 июня 2021 г.
  14. ^ Мароцке, Йохем; Виллебранд, Юрген (сентябрь 1991 г.). <1372:meotgt>2.0.co;2 «Множественные равновесия глобальной термохалинной циркуляции» . Журнал физической океанографии . 21 (9): 1372–1385. Бибкод : 1991JPO....21.1372M . doi : 10.1175/1520-0485(1991)021<1372:meotgt>2.0.co;2 . hdl : 11858/00-001M-0000-0014-3B09-2 . ISSN   0022-3670 .
  15. ^ Рамсторф, Стефан; Распятие, Мишель; Ганопольский, Андрей; Гусс, Хьюз; Каменькович Игорь; Кнутти, Рето; Ломанн, Геррит; Марш, Роберт; Мысак, Лоуренс А.; Ван, Чжаоминь; Уивер, Эндрю Дж. (2005). «Гистерезис термохалинной циркуляции: взаимное сравнение моделей» . Письма о геофизических исследованиях . 32 (23). Бибкод : 2005GeoRL..3223605R . дои : 10.1029/2005gl023655 . ISSN   0094-8276 . S2CID   18325696 .
  16. ^ Ломанн, Геррит; Шнайдер, Иоахим (январь 1999 г.). «Динамика и предсказуемость коробчатой ​​модели Стоммела. Перспектива фазового пространства с последствиями для десятилетней изменчивости климата» . Теллус А: Динамическая метеорология и океанография . 51 (2): 326–336. Бибкод : 1999TellA..51..326L . дои : 10.3402/tellusa.v51i2.12314 . ISSN   1600-0870 .
  17. ^ Хатчинсон, Дэвид; Коксалл, Хелен; О'Риган, Мэтт; Нильссон, Йохан; Кабальеро, Родриго; де Бур, Агата (23 марта 2020 г.). «Закрытие Арктики как триггер переворота Атлантики в период эоцен-олигоценового перехода» . Тезисы докладов конференции Генеральной ассамблеи ЕГУ : 7493. Бибкод : 2020EGUGA..22.7493H . doi : 10.5194/egusphere-egu2020-7493 . S2CID   225974919 .
  18. ^ Ивани, Линда С.; Паттерсон, Уильям П.; Ломанн, Кайгер К. (октябрь 2000 г.). «Более прохладные зимы как возможная причина массовых вымираний на границе эоцена и олигоцена» . Природа . 407 (6806): 887–890. Бибкод : 2000Natur.407..887I . дои : 10.1038/35038044 . hdl : 2027.42/62707 . ISSN   0028-0836 . ПМИД   11057663 . S2CID   4408282 .
  19. ^ ДеКонто, Роберт М.; Поллард, Дэвид (январь 2003 г.). «Быстрое кайнозойское оледенение Антарктиды, вызванное снижением содержания CO2 в атмосфере» . Природа . 421 (6920): 245–249. Бибкод : 2003Natur.421..245D . дои : 10.1038/nature01290 . ISSN   0028-0836 . ПМИД   12529638 . S2CID   4326971 .
  20. ^ Ченг, Вэй; Чанг, Джон CH; Чжан, Дунсяо (15 сентября 2013 г.). «Атлантическая меридиональная опрокидывающая циркуляция (AMOC) в моделях CMIP5: RCP и историческое моделирование» . Журнал климата . 26 (18): 7187–7197. Бибкод : 2013JCli...26.7187C . дои : 10.1175/JCLI-D-12-00496.1 . ISSN   0894-8755 . S2CID   56001197 .
  21. ^ Рейнгес, Анника; Мартин, Томас; Латиф, Моджиб; Кинлисайд, Ноэль С. (26 мая 2016 г.). «Неопределенность в прогнозах Атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции XXI века в моделях CMIP3 и CMIP5» . Климатическая динамика . 49 (5–6): 1495–1511. дои : 10.1007/s00382-016-3180-x . hdl : 1956/16295 . ISSN   0930-7575 . S2CID   132397721 .
  22. ^ Межправительственная группа экспертов по изменению климата, под ред. (2014). Изменение климата, 2013 г. - Физические научные основы: вклад рабочей группы I в пятый оценочный отчет Межправительственной группы экспертов по изменению климата . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. дои : 10.1017/cbo9781107415324 . ISBN  978-1-107-41532-4 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 4a9e0d23769481756b971a8a5ff7b62b__1705551000
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/4a/2b/4a9e0d23769481756b971a8a5ff7b62b.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Multiple equilibria in the Atlantic meridional overturning circulation - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)