Много солнца в теплой воде: российский океанолог предложил метод для расчета летнего прогрева Черного моря 

Распределение солнечного тепла в толще воды интересует не только отдыхающих у моря. От солнечного света зависит «урожайность» микроводорослей (фитопланктона) — основы всей пищевой цепи в океане, а значит, и его биологическая продуктивность в целом. Также подобные расчеты необходимы для оценки и прогнозирования изменений климата, работы моделей, описывающих формирование океанических и морских течений. Основываясь на результатах многолетних наблюдений, Дмитрий Глуховец построил модель, учитывающую оптические характеристики воды Черного моря, что позволило с высокой точностью рассчитать поток тепла от солнца с апреля по сентябрь.

Солнечные лучи, проходя сквозь морскую воду, прогревают ее неравномерно. Часть тепла расходуется на нагрев верхнего слоя Черного моря — квазиоднородного слоя, в котором температура не зависит от глубины. В зависимости от сезона его толщина может сильно меняться, достигая примерно 19 метров к сентябрю. Остаток солнечной энергии поглощается в так называемом слое сезонного термоклина, где температура резко падает с глубиной до значения 9°С. Эта зона играет важную роль в биологических процессах и вертикальном перемешивании воды. Часть ушедшей в глубину энергии возвращается обратно зимой и влияет на то, насколько холодным будет следующий год. 

На процессы поглощения солнечного излучения сильно влияют оптические характеристики морской воды. В открытом океане, где вода чиста и бедна органикой, они почти полностью определяются концентрацией хлорофилла в фитопланктоне. Но Черное море у Геленджика ведет себя иначе. В его водах много так называемого желтого вещества — сложной смеси из многих сотен органических молекул, которые поступают с речным стоком, либо образуются прямо в море в ходе жизнедеятельности фито- и зоопланктона и при его разложении. Желтое вещество интенсивно поглощает солнечный свет, особенно в синей и ультрафиолетовой области спектра, и его вклад в общее поглощение радиации здесь настолько велик, что стандартные «океанские» модели ошибаются на десятки процентов. Поэтому Дмитрий Глуховец, взяв за основу программу HydroLight, которая численно решает уравнение переноса излучения в системе атмосфера—океан, модифицировал ее параметры, увеличив показатели поглощения света желтым веществом до реальных условий черноморского полигона ИО РАН. Усреднив полученные за многолетние наблюдения данные, исследователь получил 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. Когда ученый сверил итоги работы адаптированной программы с натурными измерениями показателя диффузного ослабления облученности сверху, расхождение оказалось меньше 4%, что даже ниже погрешности самих приборов. Исследование опубликовано в журнале «Океанология».

Океанолог рассчитал для каждой декады с апреля по сентябрь, какой тепловой поток приходит под верхний квазиоднородный слой в зависимости от его текущей толщины. Если верхний слой тонкий, например четыре метра в начале апреля, то солнечное тепло легко проскакивает на глубину и греет термоклин. Если же он прогрелся до 10–12 метров, то большая часть тепла и света задерживается выше, и слой термоклина получает гораздо меньше энергии. Полученную зависимость можно напрямую использовать в циркуляционных моделях моря, а также для климатических моделей и прогнозов.

«В Черном море в июне ежегодно происходят массовые цветения кокколитофорид — микроскопических водорослей, которые покрыты кальцитовыми чешуйками,— комментирует Дмитрий Глуховец, руководитель лаборатории оптики океана Института океанологии РАН и доцент кафедры термогидромеханики МФТИ.— Вода в это время мутнеет, приобретая бирюзовый оттенок. Эти события резко меняют альбедо — отражение солнечного света от поверхности и толщи морской воды, оно может вырасти в три раза и более. Меньше света проникает в глубину, а значит, меняется и прогрев вод. Поэтому в годы интенсивных цветений наши расчеты солнечного потока, выполненные для чистой воды, нуждаются в серьезной поправке. Но интенсивные цветения происходят не каждый год: за полтора десятилетия наблюдений произошло лишь четыре сильных эпизода, так что для среднемноголетних оценок их влиянием пока можно пренебречь, хотя в будущем мы планируем учесть этот важный фактор».

Величины удельного потока тепла, приходящего в слой сезонного термоклина, в
зависимости от толщины ВКС H и номера декады. Средние значения толщины ВКС за
2010–2023 гг. для каждой декады [4] показаны черной линией / © «Океанология»

Ученый сравнил свою модель с упрощенной эмпирической схемой, которую иногда применяют для Черного моря. Оказалось, что та занижала поток тепла в слое 4–30 метров на 62% при высоком положении Солнца. Такая ошибка, если ее зашить в климатический прогноз, способна значительно исказить картину сезонного прогрева. 

Расчеты велись для ясного неба — идеальная картинка, которая в реальности бывает не каждый день. Для решения этой проблемы на черноморском полигоне ИО РАН в июне—сентябре 2023 года непрерывно измерялся поток фотосинтетически активной радиации. Оказалось, что среднестатистическая облачность снижает поступающую энергию примерно на 15–20% по сравнению с безоблачным небом. Это уже готовый поправочный коэффициент для практики.

Разработанная региональная модель может быть адаптирована для других акваторий и сезонов путем изменения входных гидрооптических параметров.