Явление Эль-Ниньо, как аномальный крупномасштабный процесс в океане и атмосфере

Санкт-Петербургский  государственный университет

факультет географии и геоэкологии

кафедра климатологии и мониторинга окружающей среды 
 
 
 
 

Курсовая  работа

на  тему:

«Явление  Эль-Ниньо, как аномальный крупномасштабный процесс  в океане и атмосфере» 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнила студентка 2-го курса

                                              кафедры климатологии и

                                              мониторинга окружающей среды

                                              Ситдикова Ю. Р. 

                                              Научный руководитель Кароль И. Л. 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2009г.

Введение.........................................................................................................................................3

Глава I. Причины возникновения Эль-Ниньо..............................................................................4

1) Терминология, условия формирования.........................................................................4

2) Различные  версии образования Эль-Ниньо..................................................................7

Глава II. Влияние Эль-Ниньо......................................................................................................10

1) Биота……………………………………………………………………………………..10

2) Хозяйственная  деятельность, последствия и ущерб...................................................11

3) Погода  и климат...........................................................................................................16

Глава III. Изменение эффекта Эль-Ниньо в  связи с глобальным изменением климата..........22

Вывод...........................................................................................................................................23

Список  используемой литературы………………………………………………………………24

Введение

        В последние годы в печати  и средствах массовой информации  поступало много тревожных сообщений  о погодных аномалиях, охвативших  практически все континенты Земли. При этом главным виновником всех климатических и социальных неурядиц назывался непредсказуемый феномен  (младенец-мальчик по-испански, как его назвали перуанские рыбаки), представляющий собой теплое течение, вызывающее потепление поверхности восточной части Тихого океана – в тропиках.

      Явление Эль-Ниньо - резкое потепление вод Тихого океана в полосе, которая тянется  от острова Новая Гвинея к побережью  Чили. Считается, что это явление  оказывает существенное влияние  на погоду всего земного шара. Например, в периоды сильного Эль-Ниньо зима в нашей стране оказывается теплой. Вообще же ущерб в мире от вызванного этим явлением буйства стихий исчисляется миллиардами долларов. Поэтому климатологи, метеорологи и океанологи внимательно следят за указанной полоской океана и ловят малейшие признаки того, что Эль-Ниньо опять проснулся. Неудивительно, что методика заблаговременного прогноза очень много значит для составления долгосрочных прогнозов.

     Изменения, наблюдаемые в атмосфере на протяжении многих лет, получили независимое название "южное колебание", поскольку эти изменения обычно регистрировались путем расчета разницы между атмосферным давление на станциях Дарвин, Австралия, и на тихоокеанском острове Таити (обе - в южном полушарии). Приблизительно 20 лет назад, когда метеорологи и океанографы собрались для изучения того, что происходит в их соответствующих областях, они вскоре поняли, что то, что они независимо наблюдали, в действительности представляет собой тесным образом связанный комплекс процессов. В духе действительного сотрудничества они затем объединили усилия для изучения того явления, которое стало известно в научных кругах как явление Эль-Ниньо/южное колебание, или же просто ЭНСО.

      Названная именем Волкера циркуляция представляет собой существенный аспект тихоокеанского явления ENSO (El Nino Southern Oscillation). ENSO — это множество взаимодействующих частей одной глобальной системы океано-атмосферных климатических флуктуаций, которые происходят как последовательность океанических и атмосферных циркуляций. ENSO — это наиболее известный в мире источник междугодичной изменчивости погоды и климата (от 3 до 8 лет). ENSO имеет схожие явления в Тихом, Атлантическом и Индийском Океанах.

     Более того, некоторые ученые рассматривали  этот феномен как предвестник  еще более радикальных климатических изменений. Какими данными располагает наука на сегодняшний день о загадочном явлении Эль-Ниньо?

      Целью данной работы является изучение эффекта  Эль-Ниньо, как аномального крупномасштабного  процесса в океане и атмосфере, исследование причины его формирования и  глобального влияния на биоту, погоду и климат, а также на хозяйственную деятельность человека и рассмотрение ущерба, принесенного Эль-Ниньо за последние годы.

1) Терминология, условия формирования

      Эль-Ниньо (исп. El Nino — Малыш, Мальчик) — это глобальное океано-атмосферное явление. Являясь характерной чертой Тихого Океана, Эль-Ниньо и Ла-Нинья (исп. La Niсa — Малышка, Девочка) представляют собой температурные флуктуации поверхностных вод в тропиках восточной части Тихого Океана. Названия этих явлений, заимствованные из испанского языка местных жителей и впервые введенные в научный оборот в 1923 году Гильбертом Томасом Волкером, означают «малыш» и «малышка», соответственно. Их влияние на климат южного полушария трудно переоценить. Южное колебание (атмосферная составляющая явления) отражает месячные или сезонные флуктуации разницы воздушного давления между островом Таити и городом Дарвин в Австралии.

      Названная именем Волкера циркуляция представляет собой существенный аспект тихоокеанского явления ENSO (El Niсo Southern Oscillation). ENSO — это множество взаимодействующих частей одной глобальной системы океано-атмосферных климатических флуктуаций, которые происходят как последовательность океанических и атмосферных циркуляций. ENSO — это наиболее известный в мире источник междугодичной изменчивости погоды и климата (от 3 до 8 лет). ENSO имеет сигнатуры в Тихом, Атлантическом и Индийском Океанах. [10]

      В Тихом океане во время значительных теплых событий Эль-Ниньо, нагреваясь, расширяется на большую часть тихоокеанских тропиков и становится в прямую связь с интенсивностью SOI (индекс южного колебания). В то время как события ENSO находятся в основном между Тихим и Индийским Океанами, события ENSO в Атлантическом Океане отстают от первых на 12-18 месяцев. Большинство из стран, которые подвергаются событиям ENSO, являются развивающимися, с экономикой, которая сильно зависит от сельскохозяйственного и рыбопромыслового секторов. Новые возможности по предсказанию начала событий ENSO в трех океанах могут иметь глобальное социально-экономическое значение. Так как ENSO — это глобальная и природная часть климата Земли, то важно узнать, может ли являться изменение интенсивности и частоты результатом глобального потепления. Низкочастотные изменения уже были обнаружены. Междекадные модуляции ENSO тоже могут существовать.

     Индекс  южного колебания вычисляется из месячных или сезонных флуктуаций разницы  воздушного давления между Таити  и Дарвином. Длительные отрицательные значения SOI часто сигнализируют об эпизодах Эль-Ниньо. Эти отрицательные значения обычно сопутствуют продолжительному потеплению центральной и восточной тропическим частям Тихого Океана, уменьшению силы тихоокеанских пассатов и уменьшению выпадения осадков на востоке и севере Австралии. Положительные значения SOI ассоциируются с сильными тихоокеанскими пассатами и потеплению температуры воды на севере Австралии, хорошо известного как эпизод Ла-Нинья. Воды центральной и восточной тропических частей Тихого Океана становятся холоднее на протяжении этого времени. Вместе все этого увеличивает вероятность выпадения большего количества осадков в восточной и северной Австралии, чем обычно. [12]

      В последние годы в результате применения новой технологии в морских научных исследованиях, когда впервые использовалась сеть закрепленных в океане автономных буев (международная программа - "Тропический океан - глобальная атмосфера" (ТОGА)), дистанционно регистрирующих и передающих по спутниковым каналам связи значения температуры, скорости ветра и другие метеопараметры атмосферы и океана, появилась возможность построить более совершенные модели феномена Эль-Ниньо 1997-1998гг. [3]

[11]

      По  этой схеме процессы формирования самого сильного теплого течения в океане в наше столетие представляется следующим образом. В обычных погодных условиях, когда фаза Эль-Ниньо еще не наступила, теплые поверхностные воды океана транспортируются и удерживаются восточными ветрами - пассатами в западной зоне тропической части Тихого океана, где формируется так называемый тропический теплый бассейн (ТТБ). Следует отметить, что глубина этого теплого пласта воды достигает 100-200 метров. Формирование такого огромного резервуара тепла - главное необходимое условие переход к режиму феномена Эль-Ниньо. При этом в результате нагона воды, уровень океана у берегов Индонезии на два фута выше, чем у берегов Южной Америки. В то же время температура поверхности воды на западе в тропической зоне составляет в среднем 29-30^оС, а на востоке 22-24^оС. Небольшое охлаждение поверхности на востоке, это результат апвеллинга - подъема глубинных холодных вод на поверхность океана при подсосе воды пассатными ветрами. Одновременно над ТТБ в атмосфере образуется самый большой район теплоты и стационарного неустойчивого равновесия в системе океан-атмосфера (когда все силы уравновешены и ТТБ неподвижен).

      По  неизвестным пока причинам с интервалом в 3-7 лет пассаты ослабевают, нарушается баланс, и теплые воды западного  бассейна устремляются на восток, создавая одно из самых сильных теплых течений в Мировом океане. На огромной площади на востоке Тихого океана, в тропической и центральной экваториальной частях, происходит резкое повышение температуры поверхностного слоя океана. Это и есть наступление фазы Эль-Ниньо. Его начало отмечено длительным натиском шквальных западных ветров, служащих пусковым механизмом новой фазы. Они сменяют обычные слабые пассаты над теплой западной частью Тихого океана и препятствуют подъему на поверхность холодных глубинных вод. В результате происходит блокировка апвеллинга.[9]

Первые  признаки Эль-Ниньо следующие:

1. Повышение воздушного давления над Индийским Океаном, Индонезией и Австралией.

2. Падение воздушного давления над Таити и остальными центральной и восточной частями Тихого Океана.

3. Пассаты в южной части Тихого Океана ослабляются или направляются на восток.

4. Теплый воздух появляется рядом с Перу, вызывая дожди в пустынях.

5. Теплая вода распространяется от западной части Тихого Океана к восточной. Она несет с собой дождь, вызывая его в тех районах, где обычно бывает сухо. [12]

Хронология  событий Ла-Нинья  по различным источникам

Хронология  событий Эль-Ниньо  по различным источникам

2) Различные версии  образования Эль-Ниньо

      Механизмы, которые могут вызывать события  Эль-Ниньо до сих пор исследуются. Трудно подобрать шаблоны, которые могут показать причины или позволить делать предсказания.

Основные  теории:

      Бьеркнес в 1969 г. предположил, что аномальное потепление в восточном Тихом Океане может быть ослаблено восточно-западной разностью температур, вызывая ослабления в циркуляции Волкера и пассатах, которые двигают теплую воду на запад. Результат — увеличение теплой воды к востоку.

     В 1920-х годах известный английский ученый Гилберт Волкер работал в  Индии над проблемой предсказания муссонов, приносящих иногда катастрофические ливни. Изучая, в частности, показания барометров, он обнаружил зависимость между данными, полученными на станциях в западной и восточной частях Тихого океана. Термин Южное Колебание был введен им для обозначения аномалий приземного атмосферного давления вдоль тропической зоны. Чередование знаков аномалий напоминает гигантские качели, перекачивающие массы воздуха между Восточным и Западным полушариями. Вблизи центров действия Южного Колебания противоположного знака находятся станции, расположенные на острове Таити (17° ю.ш., 150° з.д.) и в городе Дарвин (12° ю.ш., 150°в.д.)Считается, что временной ряд разностей нормализованных аномалий давления этих станций (индекс Южного Колебания C(t)) является наиболее обоснованной характеристикой динамики Южного Колебания. Связь между этими двумя явлениями, Эль-Ниньо (в океане) и Южное Колебание (в атмосфере), была осознана гораздо позже — после сильного Эль-Ниньо в 1957 г. Долгое время общепринятой являлась интерпретация этой связи, основанная на гипотезе Виртки.

      При нормальных условиях, когда индекс SOI = 0, северо-восточные и юго-восточные пассатные ветры нагоняют теплую воду в западную часть Тихого океана; уровень моря здесь на 40 см превышает уровень моря в восточной части. Сгон воды сопровождается апвеллингом — подъемом глубинной холодной богатой питательными веществами воды у тихоокеанского побережья Южной Америки. При SOI > 0 описанные явления выражены сильнее. Когда индекс SOI уменьшается и становится отрицательным, градиент давления между восточной и западной частями Тихого океана заметно уменьшается. Не испытывая сопротивления ветра, теплая вода устремляется на восток, достигает берегов Южной Америки и затем движется к северу, к югу в виде отраженной волны — на запад. Область теплой воды быстро расширяется. Повышение температуры поверхности в восточной и центральной частях Тихого океана меняет расположение областей конвекции в атмосфере. Обычно конвекция активна над Индонезией и в западной части Тихого океана. С уменьшением индекса Южного Колебания в окрестностях центра действия наступает период очень сухой погоды, а в центральных и восточных частях Тихого океана, где дождей обычно не бывает, начинаются проливные дожди. Население прибрежных стран Южной Америки страдает от наводнений и шквалов; из-за прекращения прибрежного и выноса питательных веществ мигрируют или гибнут рыбы, птицы, животные. 

      Виртки  в 1975 г. предположил, что пассаты могли создать западную выпуклость теплых вод, и любое ослабление ветров могло позволить теплым водам двинуться на восток. Тем не менее никаких выпуклостей не было замечено накануне событий 1982-83 г. [12]

      Профессор Иллинойского университета (США) Пол  Чандлер предположил, что процесс  Эль-Ниньо инициируют вулканы. Действительно, мощные извержения охлаждают ту широтную зону, где они происходят, за счет выделения в атмосферу огромного количества сернистого ангидрида и вулканической пыли, преграждающих доступ солнечной радиации к земной поверхности. Таким образом, по мнению ученого, если вулкан заработал в высоких широтах, то он увеличит контраст температур между экватором и полюсом, что приведет к усилению пассатов и развитию Ла-Нинья. Если же мощное извержение произошло в экваториальной области, то температурный контраст, наоборот, будет меньшим. Пассаты ослабеют, и возникнет Эль-Ниньо. Такой механизм подтверждается статистическими расчетами: один из циклов Эль-Ниньо (3,8 года) практически совпадает с частотой низкоширотных тропических извержений (3,9 года). [8]

      В объяснении А. Л. Бондаренко первопричина развития явления Эль-Ниньо - Ла-Нинья - модуляционный механизм взаимодействия волн Россби, в результате активности которого изменяется динамика океана и крупномасштабных течений. Именно это приводит к изменению стадии развития явления Эль-Ниньо - Ла-Нинья, а соответственно, и температуры поверхностных вод океана и, как следствие этого, температуры воздуха над океаном и режима ветра — пассатов, а не наоборот. [2]

     Однако  причина разогрева океанской  воды, а стало быть, и первопричина самого Эль-Ниньо до сих пор остаются неизвестными. Океанографы объясняют появление теплой воды к югу от экватора изменением направления преобладающих ветров. Метеорологи же смену ветров объясняют разогревом воды.

1) Биота

     Течение Гумбольдта, проходящее у западных берегов Перу, является одним из самых богатых питательными веществами течений, за счет поднятия с глубин холодной воды. Но в годы воздействия Эль-Ниньо наверх поступает только теплая, бедная питательными веществами вода, вследствие чего фитопланктон, находящийся на поверхности, погибает из-за недостатка питания. Из-за этого процесса возникающая гибель фитопланктона имеет ощутимые последствия для всех животных, включенных в пищевую цепь. Даже те животные, которые находятся в конце пищевой цепи, должны смириться с ограничениями в рационе.

      Другим  интересным аспектом является то, что  пелагические косяки рыб в годы воздействия  Эль-Ниньо держатся на гораздо большей  глубине, чем обычно. В нормальные годы рыба обитает на глубинах до 50 метров. Вследствие изменившихся условий питания бóльшее количество рыб можно встретить на глубине свыше 100 метров. Аномальные условия можно еще четче увидеть на соотношении рыб. Во время Эль-Ниньо в 1982-84 годах 50% улова рыбаков составлял хек, 30% сардины и 20% - макрель. Такое соотношение в высшей степени необычно, т.к. в обычных условиях хек встречается только в отдельных случаях, а хамса, предпочитающая холодную воду, встречается обычно в больших количествах. 

     Прежде  всего, животные, питающиеся рыбой, страдают из-за миграции косяков рыб, большие проблемы возникают у усатых китов, которые питаются планктоном. Из-за гибели планктона киты вынуждены мигрировать в другие регионы. В 1982-83 годах у северных берегов Перу было замечено только 1742 кита (финвалы, горбачи, кашалоты), в то время как в обычные годы наблюдалось 5038 китов. На основании этой статистики можно сделать вывод, что киты очень остро реагируют на изменившиеся условия обитания. Так же и пустые желудки китов являются признаком недостатка пищи у животных. В экстремальных случаях в желудках китов содержится на 40,5% меньше пищи, чем обычно. Некоторые киты, не сумевшие вовремя уйти из обедневших регионов, погибали, но бóльшее количество китов ушло в северном направлении, например, в Британскую Колумбию, где в этот период наблюдалось в три раза больше финвалов, чем обычно.

     Наряду  с негативными последствиями  воздействия Эль-Ниньо, есть ряд  положительных изменений, например, бум, связанный с добычей ракушек. Большое количество ракушек, появившееся  в 1982-83 годах, позволило выжить пострадавшим в финансовом плане рыбакам. Взрывное распространение популяции ракушек можно проследить по окаменелостям на 4000 лет назад, так что это явление не является чем-то новым и выдающимся. Наряду с ракушками необходимо упомянуть и кораллы. Кораллы делятся на две группы: первая группа – это кораллы, образующие рифы, они предпочитают теплую, чистую воду тропических морей. Вторая группа – это мягкие кораллы, которые хорошо чувствуют себя при температуре воды до -2°C у берегов Антарктиды или северной Норвегии. Рифообразующие кораллы чаще всего встречаются у Галапагосских островов, еще бóльшую популяцию можно найти в восточной части Тихого океана у Мексики, Колумбии и в Карибском бассейне.  Странно то, что рифообразующие кораллы плохо реагируют на потепление воды, хотя они и предпочитают теплую воду. Из-за надолго потеплевшей воды кораллы начинают погибать. Эта массовая гибель в некоторых местах достигает таких масштабов, что вымирают целые колонии. Причины этого явления еще мало изучены, на данный момент известен только результат.  Такой сценарий разыгрывается с наибольшей интенсивностью у Галапагосских островов. [13]

     Жизненно  важные проблемы повышение температуры  океана вдоль побережья Южной  Америки создает для существования  морских млекопитающих и птиц. Значение этой проблемы можно понять, если учесть, что на Галапагосских островах обитает популяция птиц в более 17 миллионов единиц. Отсутствие пищи создает угрозу их выживания и поддержания популяции. Биологами было отмечено, что на Галапагоских островах в период Эль Ниньо 1982-1983 гг. было потеряно 100 % тюленей.

      Изменение океанических течений наблюдается  не только в юго-восточной части  Тихого океана, а имеет широкомасштабный характер. В 1983 г. в восточной части  Тихого океана к северу от экватора вследствие широкомасштабных изменений направления течений в океане тропические виды рыб вместе с теплым течениями были занесены далеко на север и наблюдались даже в районе Аляски.[14]

      Теплое  течение Эль-Ниньо, состоящее из обедненной планктоном тропической воды и нагреваемое его восточным протоком в Экваториальном Течении, заменяет холодные, богатые планктоном воды Течения Гумбольдта, также известного как Перуанское Течение, которое содержит большие популяции промысловой рыбы. Большую часть лет нагревание длится только несколько недель или месяцев, после которых погодные шаблоны возвращаются в нормальное состояние, и увеличивается улов рыбы. Тем не менее, когда условия Эль-Ниньо длятся несколько месяцев, происходит более экстенсивное океаническое потепление, и может быть серьезен его экономический удар на локальный рыбопромысел для внешнего рынка.

      Морской еж с длинными иглами Diadema antillarium был  среди важнейших травоядных на рифах  Вест-Индии вплоть до 1983 г. и достигал иногда плотности 14 тыс. особей на гектар! Но эта популяция резко пошла на убыль по всему Карибскому морю (в некоторых местах ее плотность стала меньше одной особи на гектар) после глубоких положительных аномалий температуры в тропическом поясе океанов в 1983 г., связанных с Эль-Ниньо — Южной осцилляцией.[5, с. 251] 

2) Хозяйственная деятельность, последствия и  ущерб

      Хотя  сами процессы, развивающиеся при  фазе Эль-Ниньо, региональны, тем не менее, их последствия носят глобальный характер. Эль-Ниньо обычно сопутствуют  экологические катастрофы: засухи, пожары, ливневые дожди, вызывающие затопление огромных территорий густонаселенных районов, что приводит к гибели людей и уничтожению скота и урожая в разных районах Земли. Эль-Ниньо оказывает заметное влияние на состояние мировой экономики. По данным американских специалистов в 1982-83гг. экономический ущерб от последствий Эль-Ниньо составил 13 миллиардов долларов, а по оценкам ведущей страховой компании мира Munich Re ущерб от природных катаклизмов в первой половине 1998 года оценивается в 24 млрд. долларов. [9]