Возросший интерес к Арктике закономерен и связан с несколькими причинами. Среди них выделяются две основные: быстрые климатические изменения, в которых Арктика играет одну из ключевых ролей, и насущная потребность освоения уникальных минеральных и биологических ресурсов региона.
Фото: Юрий Стрелец, Коммерсантъ
Фото: Юрий Стрелец, Коммерсантъ
Среди приарктических государств Российская Федерация обладает самым протяженным и обширным континентальным шельфом, который в значительной степени обеспечивает стратегически важный экономический и военно-политический потенциал страны. Особое значение придается научно-исследовательским работам, без систематического проведения которых невозможно надежно оценить происходящие изменения природной среды и дать обоснованный прогноз их развития в будущем.
С середины 1990-х годов в Северном Ледовитом океане наблюдается заметное сокращение морского ледяного покрова. После достижения абсолютного минимума в сентябре 2012 года сезонные колебания площади распространения ледяного покрова стабилизировались на новом уровне, который почти на четверть ниже среднеклиматической нормы 1979–2018 годов.
Необходимо подчеркнуть, что, несмотря на указанную стабилизацию общей площади ледяного покрова на пике сезонного минимума, наблюдается существенная неравномерность его сокращения в различных секторах Северного Ледовитого океана в отдельные годы. Усилившееся таяние и ускорившийся вынос льда из окраинных морей и Арктического бассейна приводит к увеличению площади открытой воды, что оказывает влияние на нижний слой атмосферы, поверхностный слой океана и биологическую продуктивность.
Аномалия распространения арктического морского льда в сентябре (%) относительно средней за период спутниковых наблюдений (1979–2020 г.)
Аномалия распространения арктического морского льда в сентябре (%) относительно средней за период спутниковых наблюдений (1979–2020 г.)
Ученые осторожно предсказывают переход к сезонно-безледному Северному Ледовитому океану уже к середине нынешнего столетия, то есть примерно на 50 лет раньше, чем это прогнозировалось еще несколько лет назад. Подобные прогнозы основаны на том, что произошедшее в начале этого века сокращение площади морского льда и его утоньшение, изначально вызванное повышением температуры воздуха, стало «спусковым механизмом», обеспечившим интенсификацию обратных связей, которые в условиях преобладания толстого сплоченного льда либо вообще не проявлялись, либо были малоэффективными.
Что же такое «обратная связь»? В самом широком смысле «обратная связь» означает отклик (ответную реакцию) на какое-либо действие или событие. В случае отрицательной обратной связи реакция системы обеспечивает уменьшение изменений, вызванных произошедшим событием, в результате чего система постепенно возвращается в исходное состояние. При положительной обратной связи, наоборот, реакция системы способствует дальнейшему отклонению системы от исходного состояния и ее переходу к новому состоянию, отличному от исходного. На абстрактно-формализованном математическом языке обратная связь описывается нелинейными уравнениями, аналитические решения которых, как правило, можно получить лишь для каких-то частных случаев, поскольку на сегодняшний день не существует единой математической теории нелинейных уравнений. Применительно к климатической системе из теории и наблюдений известны примеры как положительных, так и отрицательных обратных связей на различных пространственно-временных масштабах.
Именно с действием положительных обратных связей связывают феномен так называемого Полярного (Арктического) усиления, благодаря которому увеличение приземной температуры воздуха в Арктике в последние десятилетия примерно в 2,5 раза больше, чем в других широтных зонах. Описанные выше изменения ледового режима Северного Ледовитого океана в 2000-е годы создало предпосылки для активизации положительных обратных связей в системе «океан—лед—атмосфера». В первую очередь эти ранее незначимые эффекты проявились в восточно-атлантическом секторе Северного Ледовитого океана, испытывающем наиболее сильное влияние воздушных и водных масс, поступающих из Атлантического океана. В дополнение к хорошо известным и описанным в литературе обратным связям, актуальным для высоких широт, активизировались два новых механизма, обеспечивающих положительную обратную связь: «сезонная память» в характеристиках ледяного покрова и «атлантификация». Специфической особенностью этих ранее незначимых обратных связей является то, что их эффект стал заметно проявляться только после значительного сокращения площади арктического морского льда, вызванного другой причиной — глобальным повышением температуры воздуха.
Хотя феномен «сезонной памяти» в параметрах морского льда известен достаточно давно, в условиях ледового режима, характерного для второй половины XX века, взаимосвязь между параметрами ледяного покрова в последовательные сезоны отмечалась лишь для окраинных морей в отдельные годы с аномальными ледовыми условиями. Переход на качественно иной ледовый режим, характеризующийся преобладанием однолетнего льда, создал предпосылки для регионального формирования устойчивой «сезонной памяти» в параметрах ледяного покрова.
Механизмом, обеспечивающим «сезонную память», является накопление избыточного тепла в верхнем перемешанном слое вод в условиях продолжительного существование открытой воды в летний сезон, когда верхний слой океана интенсивно поглощает солнечную радиацию и нагревается. Когда этого тепла оказывается достаточно, чтобы существенно отсрочить начало замерзания, это приводит к уменьшению толщины льда и сопряженному через динамический атмосферный форсинг уменьшению концентрации льда в последующий зимний сезон. В случае значительной задержки в начале ледообразования можно ожидать смещения сроков вскрытия весной и полного очищения ото льда летом на более ранние, то есть реализации положительной обратной связи уже на годовом масштабе. В этом контексте аномально раннее очищение моря Лаптевых (в начале июля) в 2020 году может быть объяснено именно проявлением эффекта сезонной памяти.
Термин «атлантификация» означает усиление влияния тепла поступающих в Северный Ледовитый океан вод атлантического происхождения на ледяной покров. Основным проводником «атлантификации» в восточно-атлантическом секторе Северного Ледовитого океана выступает зимняя термическая конвекция — разнонаправленные вертикальные движения в столбе воды, в результате которых более плотная (холодная) вода опускается, а более легкая (теплая) поднимается, что обеспечивает эффективный вертикальный обмен теплом и солью между глубинным слоем теплой и соленой атлантической воды и холодным верхним слоем. Причиной возрастания интенсивности зимней конвекции является сокращение площади и толщины морского льда в летний сезон. Уменьшение объема образующейся при таянии льда воды приводит к возрастанию солености холодного верхнего слоя, уменьшению плотностного контраста по вертикали и созданию благоприятных предпосылок для более глубокого конвективного перемешивания в последующий осенне-зимний сезон. Несбалансированный приток тепла к поверхности океана из глубин замедляет нарастание льда и/или способствует его таянию.
Охлаждение и распреснение в верхней части атлантического слоя замедляется, что обеспечивает более дальнее проникновение теплой и соленой воды вблизи поверхности океана и дополнительное таяние льда вдоль траектории переноса атлантической воды в зимний сезон. Благодаря такой положительной обратной связи существуют предпосылки распространения «атлантификации» дальше на восток, вплоть до моря Лаптевых, что обсуждалось в ряде недавно опубликованных статей.
Граница льда (белый цвет) и открытой воды (голубой цвет) в восточно-атлантическом секторе Северного Ледовитого океана 26 февраля 2016 г. Красными стрелками показаны траектории переноса вод атлантического происхождения
Граница льда (белый цвет) и открытой воды (голубой цвет) в восточно-атлантическом секторе Северного Ледовитого океана 26 февраля 2016 г. Красными стрелками показаны траектории переноса вод атлантического происхождения
Согласно климатическим сценариям Международной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) прогнозируется, что потепление Арктики, наблюдаемое сегодня, усилится в ближайшие десятилетия, вызывая изменения в различных средах, с последствиями как внутри, так и за пределами Арктики. Можно ожидать, что немаловажную роль в этом будут играть положительные обратные связи, обеспечивающие Полярное усиление в современных условиях, когда арктическая климатической система находится в неустойчивом переходном состоянии.