Температура океана

Температура океана — температуре в океане на любой глубине. Играет решающую роль в глобальной климатической системе^[англ.], океанических течениях и морских средах обитания^[англ.]. Меняется в зависимости от глубины^[англ.], географического положения и сезона. В морской воде различается не только температура, но и солёность. Тёплая поверхностная вода обычно более солёная, чем более холодные глубинные или полярные воды^[1]. В полярных регионах верхние слои океанской воды холодные и пресные^[2]. Глубокая океанская вода^[англ.]— это холодная, солёная вода, находящаяся глубоко под поверхностью океанов Земли. Эта вода имеет равномерную температуру ~ 0—3 °С^[3]. Температура океана также зависит от количества солнечной радиации, падающей на его поверхность. В тропиках температура поверхностных слоев^[англ.]может подниматься выше 30 °C. Вблизи полюсов температура воды в равновесии с морским льдом составляет около —2 °C.

Зависимость температуры океана от глубины . На графике показано несколько термоклинов (или термических слоев) в зависимости от времени года и широты. Температура на нулевой глубине — это температура поверхности моря .

Морские течения приводят к непрерывной крупномасштабной циркуляции воды. Одной из её частей является термохалинная циркуляция (ТХЦ, англ. THC). Это обусловлено глобальными градиентами плотности, создаваемыми поверхностным теплом и потоками пресной воды^[4][5]. Тёплые поверхностные течения охлаждаются по мере удаления от тропиков. Плотность воды увеличивается, вода опускается на дно. Изменения температуры и плотности перемещают холодную воду обратно к экватору в виде глубоководного течения. Затем она снова поднимается на поверхность.

Океаны нагреваются в результате изменения климата^[англ.], и скорость потепления увеличивается^{[6] :9[7]}. Верхний слой океана (до глубины 700 м) нагревается быстрее всего, но тенденция к потеплению распространяется на весь океан. В 2022 году температура мирового океана стала самой высокой за всю историю наблюдений.

Определение и типы

Температура поверхности моря

Температура поверхности моря^[англ.] — температура морской воды вблизи поверхности (глубина от 1 миллиметра до 20 метров). Зависит от термохалинной циркуляции.

Температура в глубине океана

Температура на глубине океана —температура океана на глубине более 20 метров. Варьируется в зависимости от региона и времени. Они способствуют изменению содержания тепла в океане^[англ.] и его стратификации^{[англ.][8]}. Повышение температуры как поверхности океана, так и глубины океана является важным следствием изменения климата в океанах^[8].

Глубокая океанская вода — это название холодной, солёной воды, находящейся глубоко под поверхностью океанов Земли. Глубоководные воды составляют около 90 % объёма океанов. Глубокая океанская вода имеет очень однородную температуру около 0-3 °С. Солёность— 3,5 % или 35 ppt (частей на тысячу)^[3].

Влияние

Температура океана и концентрация растворённого кислорода^[англ.] оказывают большое влияние на^[9]:

• первичную продуктивность океана
• океанический углеродный цикл^[англ.]
• циклы питательных веществ
• морские экосистемы .

Температура океана, в сочетании с соленостью и плотностью, контролирует такие процессы, как смешивание и стратификация, океанические течения и термохалинная циркуляция.

Теплосодержание океана

Теплосодержание океана^[англ.] — энергия, поглощаемая океанами. Для расчёта теплосодержания океана используют температуру океана на разных глубинах. В период с 1971 по 2018 год рост содержания тепла в океане составил более 90 % избыточной энергии Земли от глобального потепления.

Измерения

Существуют различные способы измерения температуры океана^[10]. В дневное время низкая скорость ветра и обилие солнечного света могут привести к образованию тёплого слоя на поверхности океана и значительным перепадам температуры по мере углубления. Сильные дневные вертикальные градиенты температуры называются суточным термоклином^[11].

На глубину опускается устройство для электронного измерения проводимости, температуру и глубину (прибор CTD^[англ.])^[12]. Он непрерывно передаёт данные на судно по токопроводящему кабелю. Это устройство обычно устанавливается на раме, на которой установлены бутылки для отбора проб воды. С 2010-х годов все более доступными становятся автономные транспортные средства, такие как планеры или мини- подводные аппараты. Они оснащены теми же датчиками CTD, но работают независимо от исследовательского судна. Системы CTD^[англ.] также могут размещать даже на тюленях^[13].

Для передачи данных используются не только кабели, но и другие методы телеметрии.

Существуют и другие способы измерения температуры поверхности моря^[14]. В приповерхностном слое используют термометры или метеорологические спутники (с 1967 года). Учёные создали первые глобальные композиты в 1970 году^[15].

Для измерения температуры поверхности моря из космоса используют Усовершенствованный радиометр сверхвысокого разрешения^[англ.] (AVHRR)^{[10] :90}.

Кроме CTD^[англ.], используют и другие приборы для измерения температуры океана на разных глубинах: бутылка Нансена^[англ.], батитермограф, акустический томограф^[англ.]. Заякоренные и дрейфующие буи также измеряют температуру поверхности моря. Буи используются в рамках Глобальной дрифтерной программы^[англ.] и Проекта базы данных Мирового океана^[англ.] (крупнейшая база данных профилей температуры всех океанов мира^[16]).

Испытательный флот глубоководных буев Argo позволяет проводить измерения до глубины около 6000 метров температуры большей части объёма океана^[17][18].

Наиболее часто на судах и буях используются терморезисторы и ртутные термометры^{[англ.][10] :88}. Ртутные термометры кладут в ведра, спускаемые с борта корабля. Для измерения температур более глубоких слоёв ртутные термометры помещаются в бутылки Нансена^{[10] :88}.

Мониторинг через программу Арго

Программа Арго — глобальный проект международного научного сообщества океанологов (с 2000 года). В рамках проекта организована всемирная сеть океанографических станций (почти 4000 дрейфующих буёв-измерителей)^[19]. Зонды дрейфуют на глубине 1000 метров, каждые десять дней опускаются до 2000 метров. С помощью программы оценивается и теплосодержание океана^[англ.]

Потепление океана

Изменения температуры с 1960 по 2019 год в каждом океане, начиная с Южного океана вокруг Антарктиды^[20]

Тенденции

Океан нагревается в результате изменения климата и скорость нагревания растёт^[21]:9. В 2022 году океан был самым тёплым за всё время наблюдений^[22]. Нагрев зависит от теплосодержание океана^[англ.], которое растёт из-за роста количества парниковых газов^[22]. Нагрев поверхностных вод океана в доиндустриальную эпоху и в период 2011—2020 составлял соответственно 0,68 и 1,01 °C^[23]:1214.

В Южном океане происходят наиболее значительные изменения температуры. В период с 1950-х до 1980-х годов его температура потеплела на 0, 17 °C, в два раза быстрее, чем для мирового океана^[24].

На глубине океана ниже 1000 м потепление значительно меньше, его скорость не превышает 0,4 °C в столетие (с 1981 по 2019)^{[25]:Figure 5.4} . На глубине 2000 метров скорость потепления ещё меньше и равна 0,1 °C в столетие^{[25]:Figure 5.4}. Но для Южного океана (на 55°южной широты) аномально высокое потепление на 0,3 °C в столетие наблюдается на глубине 4500 м^{[25] :Figure 5.4}.

Причины

Причиной наблюдаемых изменений является потепление Земли из-за антропогенных выбросов парниковых газов^[англ.](углекислый газ и метан)^[26]. Растущая концентрация парниковых газов увеличивает энергетический дисбаланс Земли, что ещё больше повышает температуру поверхности. Океан поглощает большую часть дополнительного тепла в климатической системе^[англ.], повышая температуру океана^[7].

Основные физические эффекты

Повышенная стратификация и более низкий уровень кислорода

Нагревание поверхности океана приводит к большей его стратификации^[англ.] (разделение слоёв по плотности). Уменьшение перемешивания слоёв океана стабилизирует тёплую воду у поверхности, одновременно снижая циркуляцию холодной глубокой воды. Уменьшение перемешивания вверх и вниз снижает способность океана поглощать тепло. В результате увеличится мощь тропических циклонов^[англ.] и других штормов. Количество питательных веществ для рыб в верхних слоях океана будет уменьшаться. Это также может привести к снижению способности океанов хранить углерод^[англ.] .

Более тёплая вода содержит меньше кислорода, чем холодная. Усиление термической стратификации может привести к снижению поступления кислорода из поверхностных вод в более глубокие слои. Это ещё больше снизит содержание кислорода в воде^[27], что называется дезоксигенацией океана^[англ.] . Океан уже потерял кислород по всей толще воды. Зоны минимального содержания кислорода расширяются по всему миру^{[28] :471}.

Изменение океанических течений

Морские течения вызваны такими процессами, как:

• изменение температуры, связанное с солнечным светом и температурой воздуха на разных широтах
• влияние господствующих ветров
• различная плотность солёной и пресной воды.

Вблизи экватора воздух нагревается и поэтому поднимается, а затем охлаждается и поэтому немного опускается по направлению к полюсу. Вблизи полюсов холодный воздух опускается вниз, но затем нагревается и поднимается, перемещаясь вдоль поверхности по направлению к экватору. Погружение и подъём глубинных вод, происходящие в низких широтах, а также движущая сила ветров на поверхности воды приводят к тому, что океанские течения разносят воду по всему морю. Глобальное потепление в дополнение к этим процессам вызывает изменения течений, особенно в регионах, где формируются глубокие воды^[29].

В прошлом

Ученые полагают, что в докембрийский период температура моря была намного выше. Выводы сделаны на основе изотопов кислорода и кремния из образцов горных пород^[30][31]. Эти реконструкции показывают, что температура океана составляла 55-85 °C в период 3,5 — 2 миллиарда лет назад. Затем океан охладился до более умеренных температур от 10 до 40 градусов°С в период 1 миллиард лет назад . Реконструированные белки^[англ.] из докембрийских организмов также свидетельствуют о том, что древний мир был намного теплее, чем сегодня^[32][33].

Кембрийский взрыв (538,8 миллионов лет назад)— ключевое событие в эволюции жизни на Земле. Температура поверхности моря в этот период достигала около 60 °С. Верхний тепловой предел для современных морских беспозвоночных равен 38 °C, что исключает возможность крупной биологической революции^[34].

В поздний меловой период (100 — 66 миллионов лет назад) средняя глобальная температура достигла самого высокого уровня за последние 200 миллионов лет^[35]. Вероятно, это было результатом конфигурации континентов в этот период, позволившей улучшить циркуляцию в океанах, что препятствовало образованию крупномасштабного ледяного покрова^[36].

В геологическом прошлом произошло семь случаев глобального потепления (согласно базе данных изотопов кислорода): в позднем кембрии, раннем триасе, позднем меле и при переходе от палеоцена к эоцену. Поверхность моря была примерно на 5-30º теплее, чем сегодня^[9].

См. также

• Глобальная температура поверхности^[англ.]