Атлантика покоряет Северный Ледовитый океан
Пролив Фрама - ворота в Арктику. Экспедиция хочет выяснить, какую роль играет циркуляция в проливах в последствиях потепления океана.
"Три, два, один и вперед!" По команде Уилкена-Йона фон Аппена Карина Энгихт отпускает тормоз лебедки и позволяет зонду размером с бейсбольную биту погрузиться на морское дно. Исследователи в полярных костюмах уже два часа стоят на корме «Марии С. Мериан». Дует сильный ветер, густой туман заслоняет ночное солнце. Пока исследовательское судно курсирует вдоль кромки морского льда в нескольких километрах от него, зонд измеряет температуру и соленость моря в течение 80 секунд свободного падения через толщу воды 200 метров. Затем лебедка с жужжанием наматывает трос обратно, и игра начинается снова.
Тем временем Церлина Хофманн ждет, пока фон Аппен сообщит ей по рации, чтобы освободить один из 21 плавучего буя. «Буй предназначен для обозначения фронта талой воды, чтобы мы могли следить за ним в течение следующих нескольких дней», - объясняет морской физик, надевая вторую пару перчаток. На буе есть спутниковый передатчик, который регулярно отправляет на судно свое местоположение. Тормозной парашют не дает ей унестись ветром, а не плывет по течению. Наконец, Хофманн выбрасывает за борт желтый поплавок, который быстро исчезает в тумане.
На начало июля 2020 года «Мериан» находится в 150 километрах к западу от Шпицбергена, почти в 1200 километрах от Северного полюса. На борту немецкого исследовательского корабля: двенадцать ученых и техников из Института Альфреда Вегенера, Центра полярных и морских исследований им. Гельмгольца и Бременского университета. В проливе Фрама, самом важном соединении между Северным Ледовитым океаном и субполярными морями, команда под руководством руководителя экспедиции Вилькена-Йона фон Аппена хочет узнать больше о циркуляции и биогеохимии зоны кромки льда. Ведь то, что происходит на границе между полярной водой и теплой атлантической водой, влияет как на будущее арктической экосистемы, так и на последствия глобального потепления в других частях света.
За Полярным кругом наша планета нагревается более чем в два раза быстрее, чем в среднем по миру, а летний морской лед в Арктике исчезает с головокружительной скоростью уже два десятилетия. Летом 2020 года морской лед растаял до второго наименьшего значения с начала спутниковых измерений в 1979 году, так что ледокол «Поларштерн» в середине августа в составе экспедиции MOSAiC легко достиг Северного полюса. Скоро, вероятно, больше не будет необходимости ломать лед, чтобы добраться до полюса: согласно недавнему исследованию, Арктика, вероятно, будет свободна ото льда летом до 2050 года, даже если глобальный CO2Выбросы резко сокращаются, чтобы уменьшить.
Помимо повышения температуры в атмосфере, возрастающее поступление соли и тепла из Атлантики является причиной все увеличивающегося отступления льдов. Это нарушает стратификацию в Северном Ледовитом океане, где малосоленые, относительно легкие полярные воды перекрывают соленые, тяжелые атлантические воды. В результате большего перемешивания поверхностные воды хуже изолируют льдины от более теплых глубинных вод, они быстрее тают и образуется меньше нового льда. Исследователи говорят об «атлантификации» Арктики.
С проливом Фрама экспедиция «Мериан» направилась к ключевому региону для этого преобразования. Около трех четвертей водообмена в Арктике осуществляется через пролив шириной 350 км и глубиной 2700 м между Шпицбергеном и Гренландией. Пролив Фрама, очевидно, разделен на две части: на западе около десяти процентов арктического морского льда ежегодно дрейфует в Гренландское море, а восточная сторона остается в основном свободной ото льда круглый год. Это связано с тем, что относительно теплые атлантические воды текут на север вдоль кромки шельфа к западу от Шпицбергена. По пути вода охлаждается и уплотняется, проталкиваясь под полярные воды на 80-й параллели. Однако часть атлантических вод поворачивает на запад в проливе Фрама, а затем, в нескольких сотнях метров под землей, течет обратно на юг мимо восточного побережья Гренландии.
«Мы хотим понять физические процессы, которые заставляют атлантические воды оседать на краю льда и течь обратно на юг», - объясняет фон Аппен. Пока точно неизвестно, сколько воды берет северный или южный маршрут. Среди прочего, это затрудняет точное определение переноса тепла в Арктику.
Поэтому морские исследователи на «Мериане» сейчас пересекают фронт талых вод, где водные массы толкают друг друга. В спокойном море и почти безоблачном небе корабль проходит несколько плавучих буев, которые ночью ушли за борт. В течение нескольких километров температура в поверхностных водах повышается на 4,5 градуса, а на радаре корабля появляются узоры, первоначально напоминающие дрейфующий лед. Но не льдина далеко и широко. Вместо этого по поверхности моря проходят гладкие полосы. «Мы просто пересекаем фронт», - говорит фон Аппен на мосту. «Вода Атлантики здесь опускается ниже уровня талой воды». Он оставляет на поверхности маслянистую пленку органических соединений, которые производит, например, планктон и которые не погружаются в глубину из-за положительной плавучести..
Плотность морской воды является существенным фактором для вертикальной циркуляции. Это зависит от температуры, а также от солености, говорит Церлина Хофманн, которая собирает данные для своей докторской диссертации: «Там, где атлантическая вода с высокой соленостью встречается с талой водой с низкой соленостью, возникают сильные градиенты плотности». На фронте легкие малосоленые талые воды, с одной стороны, и тяжелые атлантические воды, с другой, обеспечивают неустойчивую стратификацию. Поэтому последний здесь исчезает.
То же самое происходит с водными массами, которые поворачивают назад и текут на юг в проливе Фрама: они настолько соленые, что, хотя и теплее, но скользят под текущими с юга холодными водами Восточно-Гренландского течения на запад пролива Фрама. Однако температура атлантических вод в последние десятилетия значительно повысилась, как показали датчики Института Альфреда Вегенера, которые были закреплены на морском дне с 1997 года: поступающие атлантические водные массы сегодня примерно на один градус теплее, чем были. добрых 20 лет назад.
В результате больше тепла попадает и под ледяные языки ледников, впадающих в море на восточном побережье Гренландии, и ускоряет их таяние. Огромное количество пресной воды попадает в океан. Геологическая служба Дании и Гренландии недавно сообщила, что более 100 квадратных километров льда откололись от самого мощного прибрежного ледника острова, Ниогалвфьердсфьорда. Его плавучий шельфовый ледник потерял значительную массу с 2001 года из-за повышения температуры на дне.
Большое количество талой воды снижает соленость моря, а более низкая соленость, более теплая вода теряет плотность - с возможными далеко идущими последствиями. Вода, текущая на юг, питает глубокую часть Северной Атлантики. Глубоководные образования у берегов Гренландии являются важным компонентом опрокидывающей циркуляции Атлантики и, следовательно, климатической системы Земли. Согласно специальному отчету МГЭИК, опубликованному в 2019 году, опрокидывающая циркуляция уже ослабла за последние несколько десятилетий и, весьма вероятно, продолжит ослабевать. Возможные последствия - усиление засухи в зоне Сахеля и в бассейне Амазонки и ускоренное таяние льда в Антарктиде.
Не в последнюю очередь из-за их важности для глобального климата и повышения уровня моря важно более точно понять течения в проливе Фрама, говорит Уилкен-Йон фон Аппен: «Наши результаты могут помочь сделать прогнозы для океан на Улучшение на основе компьютерных моделей, которые еще не разрешили мелкомасштабные закономерности циркуляции."
Измененная экосистема будущего
Для исследователей «Мериана» ледовая кромка пролива Фрама также является своего рода модельным регионом, позволяющим заглянуть в будущее арктической экосистемы. Потому что с усилением отступления летнего морского льда в центральной Арктике кромка льда перемещается по все большей площади. Какое влияние это оказывает на пищевую цепь и круговорот веществ в Северном Ледовитом океане?
В лаборатории исследовательского корабля руководитель экспедиции фон Аппен сидит перед стеной из экранов, на которых вверх и вниз движутся разноцветные кривые. 13 ноутбуков обрабатывают огромный поток данных с ярко-желтых измерительных салазок, которые тянет за собой «Мериан». На фронте талых вод, где встречаются Атлантика и Арктика, свойства морской воды резко меняются. Ряд датчиков на измерительных салазках, которые постоянно опускаются и снова поднимаются в верхних слоях воды, предоставляют исследовательской группе подробную картину того, как меняются температура, скорость потока и содержание питательных веществ.
Несколько раз "Мериан" следует по узкой сетке, которую исследователи разместили над фронтом, отмеченным плавучими буями. Когда судно снова пересекает его, кривая мутности внезапно взлетает вверх, что указывает на высокую плотность микроводорослей. «Очевидно, что фитопланктон выигрывает от того, что вода, богатая нитратами, достигает поверхности из более глубоких слоев», - говорит фон Аппен. В более ранней поездке он и другие исследователи AWI заметили, что фитопланктон особенно хорошо процветает на границе между атлантическими и полярными водами..
Выводы экспедиции о том, как циркуляция увеличивает содержание питательных веществ и, следовательно, продуктивность, актуальны для Северного Ледовитого океана в целом: согласно оценке спутниковых данных, проведенной группой из Стэнфордского университета в Калифорнии, микроводоросли в Арктика сегодня преобразует более чем на 50 процентов больше CO 2 в биомассу, чем в конце 1990-х годов. Потому что все большие и большие площади остаются свободными ото льда дольше и больше питательных веществ достигает поверхности из-за большего перемешивания. Так что Северный Ледовитый океан может стать более продуктивным в результате изменения климата. Потому что там, где растет больше водорослей, там больше пищи для зоопланктона, рыб и морских млекопитающих.
Как коронавирус влияет на морские исследования
Команда во главе с Уилкеном-Йоном фон Аппеном готовила экспедицию добрых два года. С немецким научно-исследовательским кораблем «Хайнке» она должна выйти из Шпицбергена. Однако весной экспедиция внезапно оказывается на грани срыва: коронавирус стремительно распространяется по миру. Международное воздушное сообщение почти полностью остановлено, национальные границы и порты закрыты.
«Мериан» направляется в Чили для путешествия в Антарктиду, когда разразится пандемия. Она и другие корабли - в том числе «Метеор» в Атлантике и «Зонне» в Индийском океане - должны вернуться в Германию. В обозримом будущем будут проводиться только экспедиции, которые начинаются и заканчиваются здесь, на суше. В результате многие направления исследований стали практически недоступны. На кораблях действуют более строгие гигиенические требования. Например, двойные камеры могут быть заняты исследователями только один раз.
Фон Аппену повезло в своем несчастье: за несколько недель до начала экспедиции дан зеленый свет его путешествию к проливу Фрама. Вместо «Хайнке» в его распоряжении теперь гораздо более крупный «Мериан», предназначенный для исследований в зоне кромки льда. Это будет первая экспедиция «Мериан» с начала пандемии.
Но перед этим корабль поможет избежать преждевременного прекращения экспедиции MOSAiC. Собственно, экипаж "Поларштерна", который месяцами дрейфует по Северному Ледовитому океану на льдине, в начале апреля должен заменить самолет со Шпицбергена. Но когда количество коронавирусных инфекций в Европе резко возросло, архипелаг закрылся. Поэтому в мае «Мериан» и «Зонне» отправились навстречу «Поларштерну» у Шпицбергена и произвели смену экипажа. В итоге репатрианты провели в Арктике на добрых два месяца дольше запланированного.
В конце июня экспедиционная группа фон Аппена была допущена на борт «Мериан» в Эмдене после нескольких дней карантина в отеле и отрицательного теста на корону. Сойти на берег, пока корабль находится в порту, для загрузки провизии и научного оборудования - табу. Вскоре после этого «Мериан» берет курс на Арктику. После шестидневного перехода она достигает исследовательского района в проливе Фрама.
Кроме того, тонущая биомасса планктона может гарантировать, что больше CO2 будет храниться в глубоком море. Однако это зависит от скорости, с которой хлопья мертвых водорослей - так называемый морской снег - или экскременты зоопланктона опускаются на дно. И помимо увеличения фитопланктона в ходе атлантики Северного Ледовитого океана прослеживается еще одна тенденция: смещается спектр видов. Вместо диатомовых водорослей, типичных для полярных регионов, в самых северных водах все чаще встречаются атлантические виды.
«Например, в Баренцевом море больше цветков известковых водорослей, предел распространения которых на самом деле находится южнее», - говорит Джулия Олькер из Института физики окружающей среды Бременского университета. Она разрабатывает алгоритмы, которые можно использовать для определения количества и видового состава фитопланктона по спутниковым данным. В ее лаборатории сложены канистры с водой, а на столе гудит вакуумный насос. Несколько раз в день она фильтрует несколько литров поверхностной воды, чтобы определить водоросли в зоне кромки льда по светопоглощению и анализу фотопигментов. На многие их фильтры попадает желеобразная масса: колонии водорослей рода Phaeocystis, состоящие из сотен клеток, окруженных слизистой оболочкой. Они также получают выгоду от притока более теплых атлантических вод, как в проливе Фрама, так и в Баренцевом море.
«В отличие от диатомей, Phaeocystis не имеют тяжелой раковины и тонут медленнее», - объясняет Мортен Иверсен, профессор кафедры осаждения частиц в Бременском университете. Он и его команда исследуют, насколько эффективно CO2, который был преобразован в биомассу фитопланктоном на поверхности, достигает глубины. С помощью подводной камеры они определяют тип и размер частиц в толще воды. Они устанавливают дрейфовые ловушки, которые собирают падающий органический материал в пластиковые трубы на глубине до 400 метров. Таким образом они могут определить количество углерода, которое уходит туда.
Снегоуловитель только что поднят на палубу. Цилиндрическое устройство высотой с голову позволяет ловить хрупкие морские снежинки в целости и сохранности. В лаборатории «Мериан» Иверсен бережно помещает их в аквариум на нейлоновой сетке. Чтобы измерить, как быстро тонут хлопья водорослей, размер которых обычно едва достигает миллиметра, он пропускает воду через сетку снизу до тех пор, пока они не начнут плавать. Самые пушистые частицы, которые в основном состоят из Phaeocystis, преодолевают всего несколько метров в день.
«Чем медленнее опускается морской снег, тем больше времени остается у бактерий на переработку биомассы водорослей, прежде чем она достигнет морских глубин», - говорит Мортен Иверсен. «Только когда частицы достигают глубины более километра, углерод сохраняется в океане на несколько сотен лет».
Морской биолог считает, что потепление Арктики и сдвиг в видовом спектре также могут изменить круговорот углерода: эффективный перенос органического материала в глубокое море быстро тонущими диатомовыми водорослями может быть заменен системой морской снег загрязнен бактериями, верхний слой воды в основном перерабатывается, и CO2 снова выделяется. Несмотря на большую продуктивность на поверхности, для морских звезд, морских огурцов и микробов на морском дне останется меньше пищи.
В то же время, подчеркивает Иверсен, не следует пренебрегать физическими процессами: «Океан часто рассматривается как вертикальная труба, в которой водоросли лишь пассивно спускаются снегом. погружающиеся атлантические воды, которые являются основным фактором переноса углерода на глубину». Только так можно объяснить, что Phaeocystis до сих пор можно найти на глубине в несколько сотен метров.
Исследователи измеряли вертикальную циркуляцию в зоне кромки льда в течение хорошей недели, собирая огромное количество данных и проб воды для последующего лабораторного анализа. Это поможет им лучше понять перенос тепла и биогеохимию пролива Фрама, а значит, и будущее быстро меняющегося Северного Ледовитого океана. В этот период течение в некоторых случаях переносило дрейфующие буи на расстояние до 80 километров. Но некоторые почти не изменили своего положения и по-прежнему отмечают фронт, где атлантические воды погружаются ниже полярных талых вод.
Примечание то есть Ред.: Это исследование финансировал исследовательский фонд WPK.