Эль-Ниньо-Южное колебание (ЭНСО): механизмы, климатические последствия и роль в опустынивании

Эль-Ниньо-Южное колебание (ЭНСО) представляет собой одно из наиболее значительных и хорошо документированных изменений в глобальной атмосферной циркуляции. Крупномасштабные океанические и атмосферные системы периодически претерпевают трансформации, оказывающие глубокое влияние на обширные географические регионы, особенно на засушливые и полузасушливые зоны, управляемые динамикой ячеек Хэдли. Эти колебания глобальной циркуляции исторически связаны с серьезными экологическими катастрофами, включая эпоху Пыльного котла 1930-х годов на Среднем Западе Соединенных Штатов. Аналогичные климатические аномалии привели к продолжительной засухе, массовому голоду и прогрессирующему опустыниванию в регионе Сахель, а также к катастрофическому голоду в Эфиопии и Судане в 1970–1980-х годах.

Являясь вторичным, но чрезвычайно мощным явлением циркуляции воздуха, ЭНСО оказывает глубокое воздействие на развитие аридных условий и последующую деградацию экологически уязвимых ландшафтов. Ячейки Хэдли подвергаются сезонной меридиональной миграции, смещаясь к северу и югу в ответ на летнее и зимнее солнцестояния, тем самым перемещая зоны максимального прогрева атмосферы. Несколько зональных систем обратной связи между океаном и атмосферой влияют на глобальный климат, однако наиболее значимой является Австрало-Азиатская система. Во время типичного лета в Северном полушарии центр интенсивного нагрева смещается от экваториальных районов к Индийскому субконтиненту, что совпадает с активизацией Индийского муссона. Это тепловое воздействие притягивает влажный воздух на субконтинент, где он поднимается и расходится в направлении Африки и центральной части Тихого океана.

Напротив, зимой в Северном полушарии указанный центр нагрева перемещается на архипелаги Индонезии и Австралии, способствуя формированию мощной системы низкого давления в этом преимущественно морском регионе. Приземный воздух поступает в зону низкого давления, поднимается через тропосферу и затем устремляется наружу, к восточной части Тихого океана, создавая замкнутый цикл циркуляции. В обоих сезонных сценариях у побережья Перу формируется устойчивая система высокого давления, обусловленная присутствием холодной апвеллинговой воды, которая охлаждает вышележащий воздух, вызывая его оседание (нисходящий поток). Возникающий перепад давления порождает восточные пассаты, пересекающие Тихий океан от побережья Перу к центру нагрева в западной части океана.

Этот постоянный ветровой поток аккумулирует теплую поверхностную воду в Коралловом море и вдоль северо-восточного побережья Австралии, создавая обширный бассейн с теплой водой. Одновременно процесс понижает уровень моря у берегов Перу, способствуя подъему холодных, богатых питательными веществами вод из океанских глубин. Такая конфигурация представляет собой устойчивый механизм положительной обратной связи, при котором интенсивный апвеллинг у берегов Перу усиливает атмосферную нисходящую ветвь, а накопление теплой воды над Индонезией и Австралией усиливает восходящие потоки, поддерживая силу глобальной циркуляции. Данное стабильное и взаимосвязанное равновесие между океаном и атмосферой нарушается квазипериодически каждые два-семь лет вследствие хаотического поведения климатической системы.

Во время дестабилизирующих событий индонезийско-австралийский центр нагрева смещается на восток, а сдерживающее влияние западных пассатов ослабевает, позволяя накопленной массе теплой воды в западной части Тихого океана разрушиться. Затем этот приподнятый слой теплой воды распространяется на восток через экваториальную часть Тихого океана в виде мощной волны Кельвина, которая обычно достигает побережья Перу к концу декабря. События ЭНСО официально признаются, когда океаническое потепление становится исключительно выраженным: температура поверхности моря повышается примерно на 4–5°F (2–3°C) выше средней и остается аномально высокой в течение нескольких месяцев подряд. Эта фаза также характеризуется изменением атмосферной циркуляции, известным как Южное колебание, при котором сухой нисходящий воздух, типичный для восточной части Тихого океана, перемещается в Австралазийский регион, а теплый восходящий воздух с конвективной активностью смещается в восточную часть Тихого океана и западную часть Южной Америки.

Наступление Эль-Ниньо влечет серьезные последствия для Перу, поскольку приток теплой воды подавляет нормальный апвеллинг холодных, богатых питательными веществами вод. Углубление термоклина приводит к кризису морской экосистемы: популяции рыб либо мигрируют в более благоприятные районы, либо сталкиваются с массовой гибелью. Следовательно, рыбная промышленность переживает катастрофический коллапс, наряду с производством удобрений из гуано, получаемого от морских птиц, которые охотятся на анчоусы, уничтоженных во время этих событий. Типичный для региона засушливый климат резко меняется: холодный и сухой воздух сменяется теплым и влажным, в результате чего прибрежные районы Перу, обычно напоминающие пустыни, подвергаются проливным дождям. Это вызывает широкомасштабные наводнения, разрушительные оползни, человеческие жертвы и значительный ущерб инфраструктуре, а также усиливается эрозия береговой линии из-за подъема местного уровня моря на 10–60 см (4–25 дюймов).

Прекращение события ЭНСО часто ускоряет переход к аномально напряженным условиям, эффективно восстанавливая «нормальную» схему циркуляции с большей интенсивностью. После Эль-Ниньо приток холодных вод от побережья Перу может быть настолько сильным, что распространяется на север, затопляя полосу шириной 1–2° широты вокруг экватора в центральной части Тихого океана, где температура поверхности моря достигает 20°C (68°F). Эта уравновешивающая фаза, характеризующаяся аномально низкими температурами океана и усилением пассатов, известна как Ла-Нинья (в переводе с испанского «девочка») и представляет собой противоположную крайность цикла ЭНСО.

Циклическое чередование Эль-Ниньо, Ла-Нинья и нейтральных океаническо-атмосферных явлений оказывает глубокое влияние на глобальную изменчивость климата и миграцию климатических поясов в диапазоне от межгодовых до десятилетних периодов. По оценкам, на эти колебания приходится примерно одна треть всей изменчивости осадков в мире. Во время событий ЭНСО атмосферные телесвязи могут вызывать наводнения в западных Андах и Южной Калифорнии, одновременно снижая уровень осадков в других регионах Южной Америки, включая Венесуэлу, северо-восток Бразилии и юг Перу. Измененная динамика климата приводит к сильным засухам в Африке, Индонезии, Индии и Австралии; в частности, ЭНСО связывают с провалом Индийского муссона в 1899 году, что вызвало массовый голод и гибель миллионов людей.

Семилетний цикл наводнений вдоль реки Нил также был связан с активностью ЭНСО, а исторические эпизоды голода и опустынивания в Сахеле, Эфиопии и Судане все чаще объясняются этими крупномасштабными изменениями в глобальных схемах циркуляции. Таким образом, понимание механизмов Эль-Ниньо-Южного колебания имеет критическое значение для прогнозирования климатических рисков и адаптации сельского хозяйства, водных ресурсов и прибрежной инфраструктуры к естественной изменчивости климата.

ДЛЯ ДАЛЬНЕЙШЕГО ЧТЕНИЯ: Аренс К. Д. Метеорология сегодня: введение в погоду, климат и окружающую среду, 6-е изд. Пасифик-Гроув, Калифорния: Брукс/Коул, 2000.
Домашняя страница Межправительственной группы экспертов по изменению климата. Доступно онлайн. URL: http://www.ipcc.ch/index.htm. Дата обращения: 30 января 2008 года.
Межправительственная группа экспертов по изменению климата, 2007. Изменение климата, 2007: Основы физической науки. Материалы Рабочей группы I к Четвертому оценочному докладу Межправительственной группы экспертов по изменению климата, подготовленному под редакцией С. Соломона, Д. Кина, М. Мэннинга, З. Чена, М. Маркиза, К. Б. Эверита, М. Тиньора и Х. Л. Миллера. Кембридж: Издательство Кембриджского университета, 2007.
Национальное управление океанографии и атмосферы, Исследование опасных факторов. Доступно онлайн. URL: http://ngdc.noaa.gov/seg/hazard/tsu.html. Дата обращения: 30 января 2008 г.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.