Подводные горы вызывают течения, имеющие решающее значение для климата Земли

Немногие силы имеют такое фундаментальное значение для климата, как вращающиеся циркуляции в Мировом океане. Эти "конвейерные ленты", как их называют океанографы, тянут тропические поверхностные воды к полюсам, где они согревают высокие широты, а затем охлаждаются и опускаются в пучину на километры ниже, унося с собой остаточное тепло и растворенный углекислый газ. Но последний этап конвейера загадочен. Чтобы циркуляция продолжалась, глубинные воды должны подниматься обратно к поверхности, и океанографы не могут объяснить, как это происходит.

Теперь результаты исследования, проведенного британским исследовательским судном RRS Discovery, похоже, подтверждают радикально новый взгляд на то, как поднимается вода в глубинах океана. Измерения трассеров, поднимающихся над неровным рельефом морского дна, показывают, что глубинная вода не поднимается медленно по большей части океана, как считалось раньше. Вместо этого она поднимается вверх концентрированными всплесками в результате турбулентности, создаваемой подводными горами, включая вулканические срединно-океанические хребты и подводные горы. "Форма морского дна тесно связана со структурой океана", - говорит Тревор Макдугалл, физик-океанолог из Университета Нового Южного Уэльса, который помог заложить теоретическую основу для этого открытия. "Это новый взгляд на глубины океана".

Открытие, о котором было сообщено в начале этого месяца на совещании по наукам об океане, может иметь широкие последствия. Глубинные воды, вместо того, чтобы оставаться законсервированными в течение сотен или тысяч лет, могут быстро вернуться, ускоряя изменение климата за счет высвобождения углерода, который они хранят. Подъем воды также может привести к повышению уровня моря в некоторых местах. Новая картина может заставить океанографов переосмыслить поведение океанов в прошлом, когда очертания морского дна отличались от современных.

Попытки разгадать загадку апвеллинга предпринимались на протяжении десятилетий, начиная с основополагающей работы известного океанографа Уолтера Мунка 1966 года под названием "Рецепты абиссалей". Он предположил, что внутренние волны, формирующиеся вдоль границ между слоями океана разной плотности, иногда разбиваются, подобно волнам на берегу. Эта турбулентность, если бы она была широко распространена, могла бы медленно перемешивать глубокие тяжелые воды и отправлять их вверх. Достигнув уровня в 2 километра ниже поверхности, воды устремятся в Южный океан, где свирепые ветры вытащат их на поверхность.

Однако когда несколько десятилетий назад свободно падающие зонды начали измерять турбулентность в глубинах океана, они обнаружили, что большая часть океана спокойна - слишком спокойна. "Люди выходили и искали до бесконечности и не могли найти турбулентность", - говорит Мэтью Алфорд, физический океанограф из Института океанографии Скриппса и соисследователь новой кампании. Турбулентность, которая была обнаружена, имела тенденцию расти с глубиной. Подобно ложке, размешивающей молоко в кофе, она двигала воду вниз, а не вверх, говорит Раффаэле Феррари, физический океанограф из Массачусетского технологического института и руководитель кампании Discovery. "Перемешивание происходило в обратном направлении, чем предсказывал Уолтер Мунк". Вода опускалась не только на полюсах, но и по всему океану, причем в два раза больше, чем считалось ранее.

В 2016 году две группы исследователей, включая группу под руководством Феррари, собрали воедино картину, которая могла бы объяснить, как глубинная вода поднималась, несмотря на нисходящее движение. Они предположили, что вблизи морского дна разбивающиеся волны больше не могут толкать воду вниз. Вместо этого, если поблизости были подводные горы, турбулентность гнала воду вверх по склонам гор, смешиваясь с более легкими водами наверху. Вода могла бы подниматься на глубину до 2 километров, где насос Южного океана мог бы взять верх.

Идея была встречена скептически - конечно, такие большие апвеллинги могли быть обнаружены и раньше? Но океанографы провели мало измерений вблизи морского дна, чтобы проверить эту идею. "Это хороший способ сломать свой прибор", - говорит Феррари.

Его команда решила восполнить этот пробел в ходе двух поездок в прошлом году в желоб Роколл, неровную местность к северо-западу от Ирландии. Исследователи выпустили нетоксичные трассеры на 1800 метров вниз, у основания зубчатой стены каньона, и наблюдали за водой с помощью причалов и свободно падающих профилометров турбулентности. Один трассер позволит исследователям документировать долгосрочную эволюцию воды, когда они вернутся на "Дискавери" летом. За другим короткоживущим флуоресцентным красителем можно будет следить в режиме реального времени. В течение трех дней он поднимался вверх на 100 метров в день. "Это было очень интересно", - говорит Альфорд. "Вы могли наблюдать, как вода поднимается вверх".

Первые результаты "довольно крутые", - говорит Сара Пурки, физический океанограф из Скриппса, не имеющая отношения к проекту. "Такое ощущение, что мы уже давно говорили об этом дне". По ее словам, скорость апвеллинга, похоже, соответствует теории. Теперь вопрос заключается в том, можно ли экстраполировать процессы, происходящие в этом одном месте. "Как мы можем распространить это на весь океан?".

Скоро будут опубликованы результаты измерений апвеллинга и турбулентности, проведенных 10 лет назад в проходе Дрейка, неровном канале морского дна между Чили и Антарктидой, которые в принципе совпадают, говорит Али Машаехи, специалист по экологической гидродинамике из Имперского колледжа Лондона. "Таким образом, есть некоторые признаки того, что то, что они находят, имеет общее значение".

Результаты исследования Discovery также указывают на то, что история не так проста, как сначала предполагали Феррари и другие, говорит Соня Легг, физический океанограф из Принстонского университета. Похоже, что приливы и отливы влияют на потоки, а не только турбулентность. И еще предстоит выяснить, какова будет дальнейшая судьба поднявшейся воды. Возможно, она была унесена и рассеяна океанскими вихрями.

Но Феррари воодушевлен полученными результатами и говорит, что они помогают понять некоторые особенности океана. Например, в северной части Тихого океана отсутствует значительная перевернутая циркуляция. Но в нем также мало вулканических подводных гор или хребтов, а без этих вспомогательных элементов вода не может двигаться вверх. Полученные результаты также означают, что течения в океанах прошлого могли быть принципиально разными в зависимости от вулканической активности Земли и от того, насколько неровным она делала морское дно. "Дело не только в том, где находятся континенты", - говорит он. "Необходимо также знать структуру морского дна".