Российский океанолог создал модель прогрева Черного моря: точнее, чем когда-либо

Океанолог Дмитрий Глуховец, возглавляющий лабораторию оптики океана Института океанологии РАН и преподающий на кафедре термогидромеханики МФТИ, построил новую модель летнего прогрева Черного моря. Исследование охватило акваторию в районе Геленджика — от апреля до сентября. Главное отличие от предшествующих работ — учет мутности воды, вызванной высоким содержанием растворенного органического вещества, так называемого «желтого вещества».

Почему Черное море не похоже на океан

В открытом океане поглощение солнечного света почти целиком определяется концентрацией хлорофилла в фитопланктоне. Однако в Черном море у Геленджика ситуация иная. Вода насыщена «желтым веществом» — сложной смесью органических молекул, которые поступают с речным стоком или образуются в процессе жизнедеятельности и разложения планктона. Это вещество активно поглощает свет, особенно в синей и ультрафиолетовой части спектра. Стандартные «океанские» модели, не учитывающие этот фактор, дают ошибку в десятки процентов.

Глуховец взял за основу программу HydroLight, решающую уравнение переноса излучения в системе «атмосфера—океан», и адаптировал ее под условия Черного моря. Он увеличил показатели поглощения света желтым веществом до значений, реально наблюдаемых на черноморском полигоне ИО РАН. В результате были получены местные гидрооптические характеристики: концентрация хлорофилла — 0,5 микрограмма на литр, а поглощение желтым веществом на длине волны 443 нанометра — около 0,1 от поступающего потока излучения на метр. Для сравнения: в открытом океане этот показатель в несколько раз меньше.

Как распределяется тепло в толще воды

Солнечные лучи прогревают море неравномерно. Верхний слой — квазиоднородный, где температура почти не меняется с глубиной, к сентябрю может достигать примерно 19 метров. Ниже находится слой сезонного термоклина, где температура резко падает до 9 °C. Часть энергии, ушедшей в глубину, зимой возвращается обратно и влияет на температуру следующего года.

Ученый рассчитал для каждой декады с апреля по сентябрь, какой тепловой поток поступает под верхний квазиоднородный слой в зависимости от его толщины. Если слой тонкий (около 4 метров в начале апреля), тепло легко проникает в термоклин. Когда же слой прогревается до 10–12 метров, большая часть энергии задерживается наверху. Эту зависимость можно напрямую использовать в циркуляционных и климатических моделях.

Сравнение с упрощенной эмпирической схемой, ранее применявшейся для Черного моря, показало, что та занижала поток тепла в слое 4–30 метров на 62% при высоком положении Солнца. Такая погрешность способна серьезно исказить картину сезонного прогрева в климатических прогнозах.

Облачность и цветения: поправки на реальность

Расчеты проводились для ясного неба, но в реальности облачность снижает поступающую солнечную энергию. На черноморском полигоне ИО РАН с июня по сентябрь 2023 года непрерывно измеряли поток фотосинтетически активной радиации. Оказалось, что в среднем облачность уменьшает энергию на 15–20% — это готовый поправочный коэффициент для практического применения.

Отдельный фактор — массовые цветения кокколитофорид, микроскопических водорослей с кальцитовыми чешуйками, которые ежегодно происходят в Черном море в июне. Вода мутнеет, приобретая бирюзовый оттенок, а отражение солнечного света (альбедо) может вырасти в три раза и более. Однако, как отметил Глуховец, за полтора десятилетия наблюдений сильные цветения случались лишь четыре раза, поэтому для среднемноголетних оценок их влиянием пока можно пренебречь. В будущем ученый планирует учесть и этот фактор.

Разработанная модель может быть адаптирована для других акваторий и сезонов — достаточно изменить входные гидрооптические параметры. Исследование опубликовано в журнале «Океанология».