Морские тепловые волны

Определение явления: Концепция Хободей

Что представляет собой морская тепловая волна?

До 2016 года не существовало единого научного определения морской тепловой волны — эти явления описывались качественно различными исследователями с использованием разрозненных метрик. Хободей и др. [1] решили эту проблему, предложив строгое, основанное на порогах определение, аналогичное определениям атмосферных тепловых волн: МТВ — это период, когда ТПМ превышает 90-й процентиль климатологического базового уровня (рассчитанного за стандартный 30-летний референтный период) в течение не менее пяти последовательных дней. Соседние события, разделенные менее чем двумя днями, считаются непрерывными. Это определение является климатологически относительным, то есть оно фиксирует аномальное потепление относительно того, что организмы в данном месте исторически переживали — признавая, что 'горячая' температура в субарктическом Северном Атлантическом океане была бы обыденной в тропиках. Порог 90-го процентиля является преднамеренным: он фиксирует события с подлинным экологическим значением, отфильтровывая при этом рутинную изменчивость сезонного цикла.

Категории I–IV: Классификация интенсивности

Хободей и др. [2] расширили первоначальное определение в 2018 году, представив четырехкатегорийную систему классификации интенсивности, смоделированную по категориям ураганов, что облегчило общение с населением и историческое сравнение. События Категории I (Умеренная) превышают порог 90-го процентиля, но не в два раза разницу между этим порогом и климатологическим средним. События Категории II (Сильная) в два раза превышают эту аномалию; Категории III (Серьезная) в три раза; и Категории IV (Экстремальная) в четыре или более раз. МТВ в Нингалу в 2011 году у побережья Западной Австралии, которая вызвала массовое обесцвечивание кораллов и уничтожила 22% лугов морских водорослей в заливе Шарк, была классифицирована как Категория III. Части МТВ в Северо-Восточной Атлантике в 2023 году достигли Категории IV — классификация без исторического прецедента в этих водах.

Знаковые события морских тепловых волн

Тихоокеанская 'Капля' (2013–2015)

'Капля' образовалась в заливе Аляска в конце 2013 года, когда аномальное блокирование высокого давления уменьшило ветровое перемешивание и потери тепла с поверхности, что позволило солнечной радиации накапливаться в утолщающемся, теплом перемешанном слое. К весне 2014 года теплая аномалия простиралась от Алеутских островов до Нижней Калифорнии, охватывая обширную территорию, превышающую площадь континентальной части Соединенных Штатов. Экологические последствия были каскадными: цветение диатомовых водорослей Pseudo-nitzschia, продуцирующих нейротоксин домовую кислоту, распространилось от Калифорнии до Аляски, загрязняя моллюсков, морских птиц и морских млекопитающих. Популяции тихоокеанских сардин и анчоусов сократились под двойным давлением теплой, малопродуктивной воды и болезней. Сотни истощенных детенышей калифорнийских морских львов выбрасывались на берег, так как матери не могли найти добычу. Штрауб и др. [5] задокументировали разнообразные реакции смертности морских водорослей, включая локальное вымирание ламинарии в частях северо-восточной части Тихого океана, где она произрастала десятилетиями. Затем 'Капля' слилась с формирующимся Эль-Ниньо 2015–16 годов, усугубляя тепловой стресс по всему миру.

Глобальная температурная аномалия океана 2023–24 годов

Начиная с апреля 2023 года, глобальная средняя температура поверхности моря почти ежедневно отклонялась от данных спутниковой альтиметрии, достигая аномалий +0,9°C выше среднего показателя 1982–2011 годов — значение, которое было бы экстраординарным в любом отдельном бассейне, но было глобально синхронным. Среди причин были развивающееся Эль-Ниньо, снижение аэрозольной нагрузки после извержения Хунга-Тонга в 2022 году (которое временно подавляло поверхностное отражение) и уменьшение сахаринской пыли, что, как уже было смоделировано, увеличивало температуру поверхности моря в Атлантике. Последствия для тропических рифов были беспрецедентными в наблюдаемых данных: NOAA Coral Reef Watch объявила четвертое глобальное событие обесцвечивания в феврале 2024 года, с обесцвечиванием, зафиксированным на Большом Барьерном рифе (в пятый раз с 2016 года), в Карибском море, Красном море, Индийском океане и Тихом океане. Оливер и др. [3] задокументировали долгосрочную тенденцию к увеличению числа дней МТВ; 2023 год сжал эту тенденцию в одной ускоренной демонстрации.

Механизмы, вызывающие морские тепловые волны

МТВ обычно развиваются в результате сочетания уменьшенного ветрового перемешивания (которое в противном случае привело бы к подъему более холодной подповерхностной воды на поверхность), подавленной облачности (увеличивающей солнечное излучение, достигающее поверхности) и аномальных атмосферных циркуляционных паттернов, таких как блокирующие системы высокого давления. В тропиках МТВ часто связаны с фазами ЭНСО, колебанием Маддена-Джулиана и региональными циркуляционными аномалиями. В субтропиках меандрирование струйного течения создает устойчивые блоки высокого давления, которые могут поддерживать теплые поверхностные океанские условия в течение недель или месяцев. Океанско-атмосферные обратные связи могут усиливать МТВ: теплые ТПМ подавляют атмосферную конвекцию и испарительное охлаждение, помогая поддерживать аномалию после ее установления.

Изменение климата как усилитель

Фрёлихер и др. [4] использовали большой ансамбль результатов моделирования климата CMIP5 для прогнозирования того, как глобальное потепление изменит статистику МТВ. Их результаты поражают: по сравнению с доиндустриальным базовым уровнем, средняя глобальная МТВ будет длиться 112 дней и охватывать 21 миллион км² к 2100 году при сценарии RCP8.5. При потеплении на 2°C количество дней МТВ увеличится по всему миру в 41 раз по сравнению с доиндустриальным базовым уровнем. Оливер и др. [3] подтвердили историческую тенденцию: частота МТВ увеличилась примерно на 54% в период с 1925 по 2016 год, в то время как средняя продолжительность увеличилась на 17%. Что важно, поскольку океан нагревается, 90-й процентильный порог сам по себе повышается — но наблюдаемые ТПМ растут еще быстрее, что означает, что частота событий, пересекающих порог, ускоряется нелинейно.

Экологические последствия для дайверов

Обесцвечивание кораллов и структурная смертность

Обесцвечивание кораллов происходит, когда повышенные температуры поверхности моря (обычно на 1–2°C выше летнего максимума в течение нескольких недель) вызывают нарушение симбиотических отношений между кораллами и их внутриклеточными водорослями (Symbiodiniaceae). Обесцвеченные кораллы вытесняют свои водоросли, теряют основной источник энергии и, если тепловая аномалия сохраняется, умирают. Хьюз и др. [6] задокументировали, как обесцвечивание 2016 года на Большом Барьерном рифе уничтожило примерно 50% мелководных кораллов в северной части — массовое событие смертности, не имеющее прецедентов в задокументированной истории рифа. Их анализ показал, что обесцвечивание теперь происходит при температурах примерно на 1°C ниже, чем в 1990-х годах, потому что кораллы подвергаются воздействию до того, как завершится восстановление после предыдущих событий. МТВ, доставляя острые тепловые стрессы на фоне медленно повышающегося базового уровня, являются непосредственным триггером большинства событий обесцвечивания.

Водорослевые леса и луга морских трав

Водорослевые леса являются одними из самых продуктивных и биоразнообразных экосистем на Земле, и они чрезвычайно чувствительны к температуре. Большинство видов макроводорослей в холодных умеренных водорослевых лесах имеют верхние пределы термической устойчивости 18–22°C, а температуры МТВ могут превышать эти пороги на несколько градусов. Штрауб и др. [5] рассмотрели весь спектр реакций морских водорослей на МТВ — от сопротивления до частичной гибели и локального вымирания — и задокументировали региональные коллапсы водорослевых лесов в Западной Австралии (2011), Южной Калифорнии (2014–15) и Тасмании (продолжается). Луга морских трав, которые являются критически важной средой обитания для молоди рифовых рыб, претерпели массовую гибель в заливе Шарк во время МТВ Нингалу 2011 года и не восстановились до дособытийной площади. Потеря этих фундаментальных мест обитания каскадно распространяется по пищевой цепи, затрагивая мегафауну — китовых акул, мант, морских черепах — которые привлекают дайверов в умеренные и субтропические места.

Нарушение пелагических экосистем

МТВ стратифицируют верхний слой океана, подавляя подъем питательных веществ и снижая продуктивность фитопланктона в основе пищевой цепи. Биомасса зоопланктона уменьшается, что, в свою очередь, сокращает доступность добычи для мелких стайных рыб, что, в свою очередь, сокращает добычу для более крупных хищников. Для дайверов в продуктивных открытых океанских местах — Галапагосы, Азорские острова, остров Кокос, внешние атоллы Мальдив — условия МТВ означают снижение численности всего: от китовых акул и океанских мант до скоплений рыбы, привлекающих дельфинов и меч-рыбу. Пелагическая мегафауна смещает свои ареалы к полюсам или в более глубокие, прохладные воды во время продолжительных МТВ, что напрямую снижает частоту встреч во время дайвинга в известных горячих точках.

• Китовые акулы: Собираются вокруг продуктивных зон апвеллинга; они коллапсируют во время МТВ.
• Океанские манты: Следуют за скоплениями зоопланктона; снижение продуктивности изменяет их пространственное распределение.
• Мола мола (рыба-луна): Поднимаются в теплые поверхностные воды для терморегуляции после глубоководного питания — МТВ нарушают их вертикальные миграционные паттерны.
• Стайные пелагические рыбы (тунец, каранкс, амберджек): Сжимаются в более тонкие слои с достаточным кислородом и терпимой температурой, иногда создавая зрелищные поверхностные скопления над теплой подповерхностной водой — но это сигнализирует о стрессе в экосистемах ниже.

Прогнозирование МТВ: Инструменты для планирования дайв-поездок

NOAA Coral Reef Watch публикует продукты Degree Heating Weeks (DHW) в ближнем реальном времени с разрешением 5 км по всему миру. DHW интегрирует кумулятивную тепловую аномалию за 12-недельный период: один DHW равен одной неделе превышения температуры поверхности моря над климатологическим максимальным месячным средним на 1°C. Обесцвечивание обычно начинается при 4 DHW; широкомасштабная смертность ожидается при 8+ DHW. Австралийское бюро метеорологии и CSIRO выпускают продукты отслеживания МТВ для австралийского региона. Сезонные прогнозы температуры поверхности моря от NOAA и Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF) предоставляют вероятностные прогнозы аномально высокой температуры поверхности моря на 1–6 месяцев, давая заблаговременное предупреждение для планирования поездок.

Прогнозы: Более теплый океан впереди

Траектория однозначна. Оливер и др. [3] показали, что если будет достигнуто потепление на 1,5°C (цель Парижского соглашения), частота МТВ будет примерно в пять раз выше, чем в доиндустриальный период; при 2°C — в 41 раз выше; при 3,5°C — в 90 раз выше. На практике это означает, что поверхность океана в большинстве тропических рифовых зон будет проводить большую часть года в условиях 'МТВ' к концу этого столетия при сценариях высоких выбросов. В этот момент основанное на порогах определение Хободея [1] становится парадоксальным — событие не может быть аномально теплым относительно базового уровня, который сам по себе является морской тепловой волной. Фрёлихер и др. [4] назвали это состоянием 'постоянной морской тепловой волны'.

К 2100 году, при сценарии высоких выбросов, мировой океан будет находиться в состоянии постоянной морской тепловой волны относительно базового уровня конца 20-го века — то, что мы сегодня называем экстремальным, станет нормой.

— Frölicher, Fischer & Gruber, Nature, 2018 [4]