Дрібномасштабні процеси в Індійському океані впливають на клімат

Індійський океан поглинає понад чверть чистого теплового приросту всього Світового океану та безпосередньо впливає на навколишнє середовище та продовольчу безпеку майже третини населення планети. Нове дослідження, опубліковане в журналі Reviews of Geophysics, детально розглядає, як дрібномасштабні океанічні процеси формують цей унікальний басейн та впливають на глобальний клімат.

Мезомасштабні процеси стосуються океанічних явищ, таких як вихори та фронти, які зазвичай охоплюють діапазон приблизно від 10 до 100 кілометрів та можуть зберігатися від тижнів до місяців. Субмезомасштабні процеси мають ще менший масштаб, від приблизно 100 метрів до 10 кілометрів, та розвиваються швидко протягом годин або днів. Вони включають різкі фронти, філаменти та малі вихори.

Мезомасштабні процеси становлять понад 80 відсотків загальної кінетичної енергії океану. Субмезомасштабні рухи мають особливе значення, оскільки генерують потужні вертикальні переміщення, які встановлюють зв'язок між поверхневим океаном та глибшими шарами. Як зазначається в огляді, мезомасштабні та субмезомасштабні процеси функціонують як важлива ланка між великомасштабною океанічною циркуляцією та дрібномасштабною турбулентністю, сприяючи передачі енергії між різними масштабами та регулюючи розподіл тепла, солі та поживних речовин по всьому океану.

На відміну від інших океанічних басейнів, Індійський океан унікально формується сезонно змінюваними мусонними вітрами та тісно пов'язаний з кліматичними режимами, такими як Індоокеанський диполь та коливання Маддена-Джуліана. Мезомасштабна та субмезомасштабна мінливість у цьому регіоні модулює біогеохімічні цикли, потоки між атмосферою та океаном, і навіть великомасштабний енергетичний баланс. Розуміння цієї дрібномасштабної динаміки є важливим для покращення прогнозів мусонних опадів, поведінки тропічних циклонів та довгострокових змін клімату.

Вчені використовують комбінацію польових вимірювань, супутникових спостережень та чисельних моделей для вивчення цих процесів. Натурні спостереження служать основою для дослідження мезомасштабних та субмезомасштабних процесів в океані. Вони включають дослідницькі круїзи, стаціонарні буї, такі як мережа RAMA, профілюючі буї Argo та автономні платформи. Натурні спостереження фіксують тривимірні структури та численні змінні під час мезомасштабних та субмезомасштабних процесів.

Супутникова альтиметрія довгий час була основним інструментом для спостереження за мезомасштабними вихорами. Однак нещодавно запущена місія Surface Water and Ocean Topography є революційною, оскільки пропонує вимірювання висоти поверхні моря з безпрецедентною роздільною здатністю, що вперше дозволяє безпосередньо спостерігати субмезомасштабні явища.

Високороздільні регіональні моделі з кроком сітки в кілька кілометрів або менше дозволяють дослідникам моделювати ці процеси та перевіряти динамічні теорії в контрольованих умовах.

Мезомасштабні та субмезомасштабні рухи чинять сильний регулюючий вплив на біогеохімічні цикли через контроль постачання поживних речовин у освітлений верхній шар океану. Циклонічні вихори піднімають багаті поживними речовинами глибинні води в евфотичну зону, тим самим сприяючи цвітінню фітопланктону. Навпаки, антициклонічні вихори зазвичай пригнічують поверхневу продуктивність, поглиблюючи змішаний шар.

В Аравійському морі вихори та філаменти можуть забезпечувати до 70 відсотків поживних речовин, які підтримують біологічне цвітіння, спричинене мусонами. Ця дрібномасштабна динаміка також впливає на обмін вуглекислим газом. Мезомасштабна мінливість становить приблизно 40 відсотків мінливості потоку вуглекислого газу в західній частині Аравійського моря. Крім того, вихори модулюють зони мінімуму кисню в Аравійському морі та Бенгальській затоці, де низький рівень кисню має глибокий вплив на морські екосистеми.

З постійним прогресуванням зміни клімату очікується, що зміни стратифікації верхнього шару океану, спричинені потеплінням та зміненими надходженнями прісної води, трансформують умови, що породжують дрібномасштабні нестабільності. Високороздільні кліматичні моделі показують, що в сценарії глобального потепління регіон активних вихорів, пов'язаний з системою течії Агульяс, може зміститися на захід та до полюса. Це зміщення корелює з посиленням витоку Агульяс, який означає транспортування теплої води Індійського океану в Атлантику. Ці зміни можуть чинити далекосяжний вплив на глобальну океанічну циркуляцію.

Більше того, потепління збільшує частоту та інтенсивність морських хвиль тепла в Індійському океані. Ці хвилі тепла порушують вертикальне перемішування та постачання поживних речовин, маючи каскадний вплив на біологічну продуктивність. Проте значні невизначеності залишаються у кількісній оцінці цих довгострокових реакцій.

Загалом існує двостороння взаємодія між зміною клімату та дрібномасштабними процесами. Зміни в одному компоненті викликатимуть зміни в іншому, а перший зазнаватиме зворотного зв'язку від другого.

Дослідження виявляє кілька ключових пріоритетів. У короткостроковій перспективі гостро потрібні спеціалізовані багатомасштабні спостережні кампанії, особливо в регіонах з недостатнім відбором проб, щоб зафіксувати тривимірну структуру та швидку еволюцію субмезомасштабних явищ. Крім того, потрібне глибше розуміння того, як вихори взаємодіють з бар'єрними шарами, регіонами, що характеризуються сильною солоністю стратифікації, унікальними для північної частини Індійського океану, та як ці взаємодії регулюють потоки між атмосферою та океаном і морські хвилі тепла.

Довгострокові виклики включають інтеграцію дрібномасштабної динаміки в кліматичні моделі та вдосконалення субмезомасштабних параметризацій. Нові інструменти штучного інтелекту та машинного навчання мають потенціал для представлення нерозв'язаних процесів та покращення асиміляції даних.