Долгое время климатические модели предсказывали, что глобальное потепление ослабит способность Южного океана поглощать углекислый газ. Однако десятилетия наблюдений не выявили значительного снижения этой функции. Новое исследование ученых из Института Альфреда Вегенера (AWI) проливает свет на причины этой удивительной стабильности. Их выводы указывают, что пресная вода с низкой соленостью вблизи поверхности помогла удерживать углерод в глубоких слоях океана, замедляя его возвращение в атмосферу. Тем не менее, изменение климата неуклонно трансформирует эти чувствительные океанические слои, что вскоре может нарушить естественную систему хранения углерода. Работа опубликована в научном журнале Nature Climate Change.
Мировые океаны поглощают примерно четверть всех выбросов углекислого газа, производимых человеком. При этом Южный океан самостоятельно обеспечивает около 40 процентов этого поглощения, что делает его одним из наиболее мощных естественных защитных механизмов планеты против глобального потепления. Этот огромный сток углерода функционирует благодаря сложной системе циркуляции: глубинные воды поднимаются к поверхности, обмениваются газами с атмосферой, а затем снова опускаются, унося поглощенный CO2 обратно в толщу океана.
Баланс поглощения углерода существенно зависит от объема природного CO2, который поднимается на поверхность из древних глубинных вод. Чем больше богатой углеродом воды из глубин достигает поверхности, тем меньше нового, антропогенного CO2 может поглотить океан. Это взаимодействие регулируется расслоением, или стратификацией, различных водных масс, а также силой океанических течений.
Глубинные воды, поднимающиеся на поверхность в Южном океане, были изолированы на протяжении столетий или даже тысячелетий, накапливая значительные объемы CO2. Климатические модели предсказывают, что усиливающиеся западные ветры — следствие антропогенного изменения климата — будут выносить больше этой богатой углеродом воды на поверхность, что в долгосрочной перспективе снизит способность океана поглощать CO2.
Тем не менее, несмотря на усиление ветров, данные, собранные за последние десятилетия, показывают, что Южный океан остается мощным поглотителем углерода. Новое исследование Института Альфреда Вегенера помогает объяснить эту кажущуюся аномалию: океанические слои изменились таким образом, что большая часть глубинного углерода остается запертой.
«Глубинные воды в Южном океане обычно располагаются ниже 200 метров», — объясняет доктор Леа Оливье, океанограф AWI и ведущий автор исследования. «Они соленые, богатые питательными веществами и относительно теплые по сравнению с приповерхностными водами». Эти глубинные воды содержат большие запасы растворенного CO2, который попал в океан очень давно. В отличие от них, приповерхностные воды прохладнее, менее соленые и содержат меньше CO2.
Пока это плотностное расслоение остается устойчивым, богатые CO2 глубинные воды остаются герметично запертыми. Однако, если граница между слоями ослабнет, этот захваченный углерод может легче достичь поверхности и вырваться в атмосферу.
«Предыдущие исследования предполагали, что глобальное изменение климата усилит западные ветры над Южным океаном, а вместе с ними и опрокидывающую циркуляцию», — отмечает Леа Оливье. «Однако это привело бы к переносу большего количества богатой углеродом воды из глубоких слоев океана на поверхность, что, как следствие, снизило бы способность Южного океана поглощать CO2». Несмотря на то, что такое усиление ветров наблюдается и связано с деятельностью человека, измерения пока не показывают значительного снижения поглощения углерода океаном — по крайней мере, пока.
Долгосрочные наблюдения, проводимые Институтом Альфреда Вегенера и другими научно-исследовательскими учреждениями, демонстрируют, что изменение климата уже меняет характеристики как поверхностных, так и глубинных вод. «В нашем исследовании мы использовали набор биогеохимических данных, собранных в ходе многочисленных морских экспедиций в Южном океане в период с 1972 по 2021 год. Мы анализировали долгосрочные аномалии, а также изменения в схемах циркуляции и свойствах водных масс», — поясняет Леа Оливье. «При этом мы рассматривали только процессы, связанные с обменом между двумя водными массами — циркуляцию и смешивание, исключая, например, биологические процессы. Нам удалось установить, что с 1990‑х годов эти две водные массы стали более отчетливо различаться». Соленость поверхностных вод Южного океана снизилась в результате увеличения притока пресной воды, вызванного осадками, таянием ледников и морского льда. Это «опреснение» усиливает плотностную стратификацию между двумя водными массами, что, в свою очередь, удерживает богатую CO2 глубинную воду в нижнем слое и препятствует ее прорыву через барьер между слоями.
«Наше исследование показывает, что эти более пресные приповерхностные воды временно компенсировали ослабление поглощения углерода в Южном океане, как и предсказывали результаты моделирования. Однако эта ситуация может измениться, если стратификация ослабнет», — резюмирует Леа Оливье. Усиливающиеся западные ветры уже подталкивают глубинные воды ближе к поверхности. С 1990‑х годов верхняя граница слоя глубинных вод поднялась примерно на 40 метров.
По мере того как богатые CO2 воды замещают все большую часть приповерхностного слоя, граница между ними становится более уязвимой для смешивания, вероятно, под воздействием тех же ветров. Как только смешивание усилится, накопленный CO2 может начать просачиваться вверх и уходить в атмосферу.
Новейшие исследования показывают, что этот процесс, возможно, уже начался. Если больше углерода из глубоководных слоев океана достигнет поверхности, роль Южного океана как глобального поглотителя углерода может ослабнуть, что ускорит изменение климата. «Больше всего меня удивило то, что мы нашли ответ на наш вопрос буквально под поверхностью», — говорит Леа Оливье. «Нам необходимо смотреть дальше одной лишь поверхности океана, иначе мы рискуем упустить ключевую часть картины».
«Чтобы подтвердить, действительно ли больше CO2 было выброшено из глубоких слоев океана в последние годы, нам нужны дополнительные данные, особенно за зимние месяцы, когда водные массы имеют тенденцию к смешиванию», — объясняет профессор Александр Хауманн, соавтор исследования. «В ближайшие годы AWI планирует тщательно изучить именно эти процессы в рамках международной программы Antarctica InSync, чтобы получить более глубокое понимание воздействия изменения климата на Южный океан и потенциальные взаимодействия».
