Океаны Земли представляют собой сложную систему взаимосвязанных транспортных магистралей для передачи тепла, питательных веществ и углекислого газа между атмосферой и морем. Меридиональная опрокидывающая циркуляция — это процесс, посредством которого эти ключевые компоненты перемещаются из тропиков к полюсу в субтропики. Исследования показали, что увеличение такой циркуляции может быть полезным, поскольку это приводит к тому, что океан накапливает больше тепла и, следовательно, снижает глобальную температуру.
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Geoscience, посвящено одному конкретному течению — западному пограничному течению в Тихом океане, которое является основным компонентом экваториального подводного течения. Также называемое течением Кромвеля, это подповерхностное течение на глубине 200 м течет на восток со скоростью 1,5 м/с по всей длине экватора в Тихом океане.
Ученые из Национального Тайваньского университета и их сотрудники оценили изменения в этом течении за последнее столетие, используя данные о кораллах рода Porites, полученные от живых организмов в Соломоновом море. Этот конкретный коралл сохраняет два различных изотопа азота (15N и 14N), и известно, что их соотношение уменьшается с повышением температуры.
В дополнение к этому исследователи обнаружили, что западное пограничное течение за это время усилилось, что привело к последующему усилению экваториального подводного течения. Они предполагают, что замедление глобального потепления в 1940-х и 1970-х годах может быть связано с охлаждением поверхностных вод в восточной части экваториальной части Тихого океана.
Опрокидывающая циркуляция, происходящая в верхних слоях океана, происходит в субтропико-тропических зонах, которые преимущественно управляются поверхностными ветрами. Здесь субтропические воды опускаются в восточную часть Тихого океана и движутся на запад, а также к экватору, в слое пикноклина, который отделяет поверхностные воды от глубоководных. Попадая в экваториальное подводное течение, вода поднимается к поверхности на экваторе и уносится обратно в субтропики поверхностными ветрами в слое Экмана. Соломоново море, где базируется это исследование, является западной границей между экватором и субтропиками.
Во время сезонных явлений Эль-Ниньо эти восточные экваториальные ветры ослабевают, вызывая снижение силы субтропико-тропических элементов. Однако субдуцирующие воды компенсируют это, принося больше воды из субтропиков к экватору в Соломоновом море.
CT scan of coral highlighting the annual growth layers used to determine age from which samples were taken for analysis. Credit: Nature Geoscience (2023). DOI: 10.1038/s41561-023-01212-4 / Компьютерная томография кораллов, выделяющая слои годичного прироста, использовалась для определения возраста, с которого были взяты образцы для анализа. Источник: Nature Geoscience (2023). DOI: 10.1038/s41561-023-012-4
Изотопы азота, рассмотренные в этом исследовании, варьируются в разных слоях океана тропиков и субтропиков, поступая из нитратов в верхнем слое термоклина (на глубине до 400 м) и взвешенного азота из органического вещества в поверхностном слое (максимальная глубина 200 м). Высокие соотношения 15N/14N наблюдаются вблизи экватора, где наблюдается повышенный приток прохладных, богатых питательными веществами вод в этот район. В сочетании с этим в таких зонах апвеллинга возникают проблемы с биологической продуктивностью при использовании всех доступных питательных веществ, отсюда и концентрация нитратов и фосфатов в поверхностных водах.
Эти питательные вещества транспортируются на запад и используются взвешенным в воде фитопланктоном для процветания. Они преимущественно поглощают более легкий изотоп 14N, что означает, что более тяжелый 15N остается в океане для дальнейшей концентрации, создавая, таким образом, отчетливую картину увеличения содержания 15N в поверхностных водах, движущихся с востока на запад. Однако во время явления Эль-Ниньо соотношение 15N/14N уменьшается по мере уменьшения апвеллинга.
Доктор Вэнь-Хуэй Чен и их сотрудники определили, что кораллы используют для построения своей структуры азот, полученный из зоопланктона и твердых частиц, которыми они питаются в океане. Эти кораллы сохраняли пониженное соотношение 15N/14N в течение зимы в южном полушарии, когда холодные соленые воды преимущественно переносятся в Соломоново море.
Температура поверхности моря, по-видимому, является основным фактором, влияющим на соотношение 15N/14N, особенно в связи с климатической моделью, известной как Тихоокеанское десятилетнее колебание, которое происходит каждые 20-30 лет. Здесь наблюдается теплая положительная фаза со слабыми восточными ветрами, чередующаяся с прохладными отрицательными фазами, когда эти восточные пассаты сильнее.
Исследователи обнаружили, что их соотношения 15N /14N у кораллов отслеживали эти изменения в десятилетних масштабах времени (с отставанием в девять месяцев), причем более низкие значения наблюдались у кораллов Соломонова моря во время положительных фаз.
Это соответствует наблюдаемой в долгосрочной перспективе тенденции снижения соотношения 15N/14N, соответствующей изменениям температуры из-за глобального потепления. Ученые объясняют это следствием усиления западных пограничных течений в Соломоновом море. Однако они подчеркивают, что эти течения на самом деле могут помочь компенсировать обмеление слоя термоклина, вызванное глобальным потеплением, за счет подачи большего количества теплой воды и обеспечения продолжения тропико-субтропических систем, а также явлений Эль-Ниньо.
фото: Schematic diagrams of ocean-atmosphere interactions under a) normal conditions in the South Pacific; b) positive phase of Pacific Decadal Oscillation when there are reduced equatorial winds and upwelling causing a decline in overall ocean overturning circulation; and c) projected anthropogenic warming effects with significantly reduced tropical-subtropical cells but intensified trade winds increasing western boundary current transport. Increased arrow thickness indicates strengthening of the indicated process. Credit: Nature Geoscience (2023). DOI: 10.1038/s41561-023-01212-4 / Схематические диаграммы взаимодействий океана и атмосферы при а) нормальных условиях в южной части Тихого океана; б) положительной фазе тихоокеанских десятилетних колебаний, когда наблюдается ослабление экваториальных ветров и апвеллинг, вызывающий снижение общей циркуляции океанического опрокидывания; и в) прогнозируемые антропогенные эффекты потепления со значительным уменьшением тропических и субтропических ячеек, но усилением пассатов. увеличивающийся перенос тока через западную границу. Увеличенная толщина стрелки указывает на усиление указанного процесса. Источник: Nature Geoscience (2023). DOI: 10.1038/s41561-023-012-4
More information: Wen-Hui Chen et al, Increased tropical South Pacific western boundary current transport over the past century, Nature Geoscience (2023). DOI: 10.1038/s41561-023-01212-4
Journal information: Nature Geoscience