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.
АМОК
[ редактировать ]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 ]
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 ]
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 ]

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 (η 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:

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 ]
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 ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 ) - ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 ) - ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ «Гостевой пост: Может ли Атлантическая опрокидывающая циркуляция «закрыться»?» . Карбоновое резюме . 11 февраля 2020 г. Проверено 21 июня 2021 г.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .