Merehoovuste trikid

Termohaliinne veeringe kui võimalik režiiminihete põhjustaja

Golfi hoovus võib seisma jääda ... ja keskmine õhutemperatuur Põhja-Euroopas järsult langeda.

Sellised on sõnumid, mis levivad kliima soojenemise temaatika taustal. Hiljuti tuvastatud mereökosüsteemide režiiminihked, näiteks elustiku liigilise koosseisu järsk muutus Kariibi mere korallriffidel, Vaikse ookeani põhjaosas ning Põhjameres, on samuti tõstnud päevakorda vajaduse mõista senisest paremini keerukaid tsirkulatsiooni- ja segunemisprotsesse nii ookeanis kui ka ääremeredes. Üha rohkem uuritakse ka termohaliinset tsirkulatsiooni (THC) ehk üldise veeringe komponenti, mille käivitavad soojus- ja mageveevood.

Režiiminihe tähendab ökoloogias ökosüsteemi kiiret üleminekut ühelt stabiilselt olekult ehk režiimilt teisele, kusjuures loomulikult kõiguvad süsteemi olekumuutujad keskoleku ümber. Mitmesed stabiilsed olekud tekivad mittelineaarses süsteemis. Üleminek ühelt režiimilt teisele ei tarvitse olla pidev, vaid võib kulgeda järsu režiiminihkena, mille üks omadus on hüsterees: tagasitulek esialgsesse režiimi ei toimu samade välismõjude juures ja sama faasitrajektoori pidi nagu üleminek, vaid vaja läheb suuremat, vastupidise märgiga välismõju. See põhimõte ilmneb füüsikas näiteks katsetes ferromagneetiliste materjalidega: pärast voolu kahanemist mähises on jääkmagnetismi likvideerimiseks vaja mähises vastassuunalise märgiga voolutugevust. Seejuures ei tarvitse tugeva häirituse korral süsteemi, eriti ökosüsteemi olek taastuda ning režiiminihe võib olla pöördumatu.

Ökosüsteemi režiiminihet on suhteliselt lihtne tuvastada ning see võib ilmneda lühikese aja jooksul. Terminit režiiminihe on hakatud kasutama ka kliimasüsteemi, sealhulgas tuulterežiimi ja merehoovuste kohta, kus samuti esineb mitmeseid stabiilseid olekuid. On arvestatud, et järgmise 200 aasta jooksul on Atlandi ookeani termohaliinse veeringe kollapsi (st kliima jahenemise) tõenäosus kaks kolmandikku; tõhus kliimapoliitika kahandaks selle neljandikuni.

Osa ookeani veeringest

Üsna levinud arvamuse kohaselt põhjustab merevee liikumist tuul. Aga mis paneb liikuma õhu? Algpõhjus on õhumasside erinev soojenemine poolustel ja ekvaatoril ning sellest tekkiv rõhkude vahe. Sama põhjus - veemasside erinev soojenemine - lükkab olulisel määral käima ka ookeanihoovused.

Erinevalt ülakihtide tuuletsirkulatsioonist, kus tuul tõmbab vee kaasa hõõrdumise tõttu, kujutab termohaliinne tsirkulatsioon endast suuremastaabilist ümberpööravat liikumist, mis hõlmab nii ookeani pinna- kui ka süvakihte. Termohaliinset veeringet, mis on koondunud suhteliselt kitsastesse „lintidesse", on Wallace Broeckeri järgi nimetatud ka veekonveieriks.

Merevee tihedus sõltub temperatuurist ja soolsusest, mille „allikad" ja „neelud" paiknevad eri kohtades ning on erisuguse tugevusega. Ekvaatoril domineerivad soojenemine ja aurumine, poolustel jahtumine ja magevee juurdevool. Ekvaatori ja pooluste vahel tekkiv tiheduse erinevus ja rõhu gradient põhjustavad liikumise, mida mõjutab Maa pöörlemine. Esmases lähenduses on termohaliinne veeringe geostroofilises tasakaalus, kus voolamine toimub piki samarõhujooni, seejuures põhjapoolkeral jääb suurem rõhk voolamise suunast paremale.

Tegelik hoovus kujutab endast kombinatsiooni. Näiteks pinnakihis kulgev Golfi hoovus on segu tuuletsirkulatsioonist (80%) ja termohaliinsest veeringest (20%), selle jätkuks olevad Põhja-Atlandi ja Norra hoovused on aga eelkõige termohaliinse iseloomuga. Seega peatub Golfi hoovus, mis on osa Põhja-Atlandi pinnavee subtroopilisest ringvoolust, alles siis, kui kaob passaattuulte ja keskmistel laiustel domineerivate läänetuulte erinevus. Golfi hoovusega sarnane lääneranniku jugavool - Kuroshio - esineb ka Vaikses ookeanis. Ookeanide lääneranniku hoovuste võimendumisel on oluline Maa pöörlemise nurkkiiruse projektsiooni muutumine laiuskraadiga, nn b-efekt. Süvatsirkulatsioon on termohaliinse veeringe osa, kus teatud piirkondades sukeldunud pinnavesi liigub süvakihtides olulise segunemiseta suurtele kaugustele. Süvakihtides on termohaliinse veeringe osakaal kuni 100 protsenti.

18. sajandi teisel poolel, mil mõõdeti esmakordselt ookeani süvakihtide temperatuuri, selgitati seal esineva külma vee päritolu polaaraladel jahtunud ja sukeldunud vee transpordiga tagasi ekvaatori suunas. Kui kujutleme ookeani kahekihilise täituva kastina, siis praeguse tagasivoolu mahu juures täituksid süvakihid ca 1000 aasta jooksul külma ja tiheda veega ning edasine voolamine peatuks. Seega peab „kastis" oleva süvavee tihedus vähenema, nii et uus, juurdetulev vesi oleks suurema tihedusega ning pääseks voolama vana vee alla. Vana vee tihedust kahandab segunemine, samal ajal ei taga lihtne difusiooni tüüpi turbulentne segunemine tiheduste hüppekihi sügavuste taastumist, arvestades, et hüppekihi sügavus kahaneb alumisse kihti juurde tuleva vee arvel.

Termohaliinne veeringe on ookeanis seega eelkõige termiline ega saa toimuda segunemiseta. Kui polaaraladel tekitab segunemist konvektsioon, põhjuseks suurema tihedusega vee paiknemine väiksema tihedusega vee peal, siis muudes piirkondades on segunemist kontrollivate protsesside skaala väga lai. See ulatub sentimeetritest ja sekunditest, nagu väikesemastaabiline turbulents, topeltdifusioon jne, sadade kilomeetriteni ning nädalate ja kuudeni - mesomastaapsed keerised ja filamendid, frondid, apvellingud jne.

Veeosake teeb konveierile täistiiru ca 1000 aastaga. Kas konveierit tõukab pinnavee sukeldumine ja külma süvavee formeerumine - põhiliselt Atlandi põhjaosas ja Põhja-Jäämeres, vähemal määral ka Wedelli meres Antarktika lähedal - või tõmbab süvavee pinnaletõus? Sandströmi teoreemi järgi peab termohaliinse veeringe püsimiseks ülakihis toimuma jahtumine, st soojusvahetus atmosfääriga, ja sügavates kihtides soojenemine, st soojuse ülekanne allapoole turbulentse segunemise tõttu.

Et sügavamad kihid on suure mehaanilise ja soojusliku inertsiga, siis domineerib lühemas ajaskaalas, milleks on kuni 100 aastat, tõukamine. Kui Põhja-Atlandisse ja Põhja-Jäämerre kogunev pinnakihi vesi ei saa sukelduda ja süvakihtides tagasi voolata, tõuseb seal veetase ca meetri võrra. Kaasnev rõhu gradient mõjub sissetulevatele hoovustele vastassuunaliselt, kuni nende blokeerimiseni. Koos sellega pidurdub ka soojuse transport ookeani pinnakihi hoovustega. Mõningate mudelarvutuste kohaselt liigub ookeanis ekvaatoril akumuleerunud soojus siis rohkem lõunapoolkerale. Tõepoolest, jääpuurimise andmetel on põhjapoolkera külmematele perioodidele vastanud soojemad perioodid Antarktikas.

Pikemas ajaskaalas domineerib tõmbamine, st süvavee ülestõusmine segunemise tõttu. Selle tagajärjel kahaneb süvavee tihedus niivõrd, et uue süvavee sukeldumine võib taas alata.

Veeringe järsud muutused ja hüsterees

Termohaliinse veeringe sisse- ja väljalülitamine sõltub oluliselt Põhja-Atlandisse ja Põhja-Jäämerre suubuvast magevee hulgast. Selle muutumist on võimalik uurida mudelite abil, varieerides magevee voolu. Lihtsaimas, Henri Stommeli koostatud termohaliinse tsirkulatsiooni kastmudelis on kaks seotud kasti - ekvatoriaalne ja polaarne. Mudelis on temperatuuri ja soolsuse ajalised muutused võrdelised temperatuuri ja soolsuse vahede ruuduga, kuna transport ühest kastist teise on geostroofika tõttu võrdeline tiheduste vahega (mis omakorda määratakse temperatuuri ja soolsuse vahedest). Mittelineaarsuse tagajärjeks on termohaliinse tsirkulatsiooni mitmesed stabiilsed olekud ning üleminekul esinev hüsterees. Mitmene stabiilne olek sarnaneb matemaatikaülesandele „Kui arvu ruut on 4, siis milline on arv ise?"

Kui pinnavee soolsus magevee juurdevoolu, nt jää sulamise või jõgede voolu tõttu kahaneb, võib jahtunud vee tihedus jääda väiksemaks kui vana Põhja-Atlandi süvavee tihedus ning vesi ei saa sukeldudes tagasi voolata. Magevee voolu kasvades üle kriitilise väärtuse kahaneb termohaliinne tsirkulatsioon hüppeliselt (vt joonis 1) ning lülitub teise stabiilsesse režiimi, kus süvavesi sukeldub peamiselt Antarktika lähistel. Kui magevee vool uuesti kahaneb ning pinnavee soolsus kasvab, on Atlandil ees uus-vana väiksem süvakihtide soolsus ja tihedus. Atlandi termohaliinse veeringe taastumiseks peab magevee vool minema väiksemaks, kui oli veeringe blokeerumisel. Selline ongi THC hüstereesi füüsikaline sisu.

Ehkki enamik nüüdisaegsetest ookeani ning ookeani-atmosfääri-maismaa ühildatud mudelitest prognoosivad termohaliinse veeringe hüstereesi ja põhimõttelist kollapsit, on määramatus liiga suur, et öelda midagi täiesti kindlat lähituleviku kliima kohta. Üks põhjus peitub asjaolus, et ka kõige arvutusmahukamate klimaatilises ajamastaabis töötavate mudelite võrgusamm on sadu kilomeetreid, samas kui oluliste segunemisprotsesside mastaap algab mõnest meetrist. Kõiki nähtusi, mille mastaap jääb mudeli võrgusammust väiksemaks, tuleb kirjeldada poolempiiriliste seostega ehk teisisõnu - parametriseerida. Mainime siinkohal, et difusiooni lähenduses pole mere segunemiskoefitsient mitte (peaaegu) konstant, vaid muutub kuni 10⁵ korda.

Läänemere veekonveier: kas hapnikutingimusi on võimalik parendada?

Läänemere kui olulise magevee juurdevooluga ääremere termohaliinne veeringe on haliinse iseloomuga ehk siis sõltub suuresti just soolsuse muutustest. Jõgede vooluhulgast suubub ca 80 protsenti mere kirdeosas paiknevaisse Botnia, Soome ja Liivi lahte. Edelas on Läänemeri läbi kitsaste ja madalate Taani väinade ühendatud soolase Põhjamerega. Mageda ja soolase vee allikate paiknemine Läänemere eri otstes põhjustab estuaarile tüüpilise suuremastaabilise termohaliinse veevahetuse ning vastavad soolsuse ja ökosüsteemi olekumuutujate gradiendid. Püsiv soolsuse hüppekiht ehk halokliin esineb ainult Ava-Läänemeres, paiknedes mere lääneosas Arkona basseinis ca 40 meetri sügavusel ning langedes Gotlandi basseinis sügavuseni 60-80 meetrit. Läänemere avaosas on stratifikatsioon piisavalt tugev, takistamaks halokliini-aluste kihtide otsest segunemist ülemiste kihtidega. Süvavee uuenemine toimub sissetungiva ja levimisteekonnal muunduva Põhjamere vee külgtranspordi kaudu (vt joonis 2), mis Gotlandi basseinis levib eelkõige sügavusel 80-130 meetrit. Seetõttu ei teki hapnikudefitsiiti nendel sügavustel ja kõrgemal isegi stagnatsiooniperioodidel, kui suured Põhjamere vee sissevoolud - sündmused, kus üheaegselt esinevad suur vooluhulk ja kõrge soolsus - on pikemat aega puudunud.

Läänemere hapnikuvaegus on iseenesest looduslik nähtus, kuid alates 1950. aastatest intensiivistunud eutrofeerumise tõttu on see süvenenud koos oma negatiivsete tagajärgedega, nagu kalavarude vähenemine, fosfori ülestõus põhjasettest, vetikate vohamine jne. Eutrofeerumise vastu on Läänemere valglast pärineva reostuskoormuse vähendamiseks tehtud alates 1970. aastatest suuri investeeringuid, kuid hapnikurežiim pole oluliselt paranenud.

Kas hapnikutingimusi oleks võimalik parendada ka Läänemere vee- ja ainevahetuse insenerliku manipuleerimisega? Uurimusliku modelleerimisülesandena on see küsimus igati asjakohane ning käsitletud on mitut varianti: esiteks hapniku või hapnikurikka vee pumpamist süvakihtidesse; teiseks Öresundi väina sulgemist ja veevahetuse vähendamist; kolmandaks Öresundi väina süvendamist ja veevahetuse suurendamist. Hapniku pumpamiseks vajalik energia võib tulla tuulest ja/või lainetest. Mehaanilise juurdepumpamise ennustatav tulemus on hapnikuvaeguse ulatuse märgatav vähenemine. Veevahetuse piiramine nõrgendaks küll Läänemere stratifikatsiooni, võimaldades tõhusamat vertikaalset segunemist, kuid see ei kompenseeri kahanevat soolase hapnikurikka vee juurdevoolu. Samuti kahaneks kogu mere soolsus, mis seaks ohtu riimveeliste liikide elutingimused. Veevahetuse suurendamine muudaks stratifikatsiooni tugevamaks, takistades vertikaalset segunemist. Suurenev hapnikurikka vee külgvool ei suudaks hapnikudefitsiiti vähendada.

Läänemere termohaliinset veeringet ei tasu inimesel mõjutada, ei NordStreami gaasijuhtmega ega muul viisil. Veeringe on delikaatses tasakaalus olev keerukas süsteem, mille olekust sõltub kogu mere ökosüsteemi tervis.

• Broecker, W. S. 1991. The great ocean conveyor. - Oceanography, 4, 79-89.
• Deyoung, B., Barange, M., Beaugrand, G. et al. 2008. Regime shifts in marine ecosystems: detection, prediction and management. - Trends in Ecology & Evolution, 23, 7, 402-409.
• Europarlamendi teatis „Kliimamuutuse väljakutse struktuuri- ja ühtekuuluvuspoliitikas", IP/B/COMM/NT/2008_01 29/04/2008
• Gustafsson, B.G., Eilola, K., Meier, H.E.M., Savchuk, O. P. Baltic Sea responses to restoration measures. Geophysical Research Letters (in press).
• Rahmstorf, S. 2006. Thermohaline Ocean Circulation. - Encyclopedia of Quaternary Sciences. Edited by S. A. Elias. Elsevier, Amsterdam.
• Schlesinger, M. E. et al. 2006. Assessing the risk of a collapse of the Atlantic thermohaline circulation. - H.J.Schellnhuber, W. Cramer, N. Nakicenovic, T.M.L.Wigley, G.Yohe (Editors). Avoiding Dangerous Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, 37-47.
• Stommel, H. 1961. Thermohaline convection with two stable regimes of flow. - Tellus 13, 224-230.

JÜRI ELKEN (1952) on Tallinna Tehnikaülikooli Meresüsteemide Instituudi direktor ning okeanograafia õppetooli professor. Lõpetanud 1975. aastal Tartu ülikooli geofüüsika erialal. 1983. aastal kaitstud kandidaaditöö käsitles Läänemere sünoptilise muutlikkuse karakteristikuid. Saanud 2002. aastal koos Jüri Kase, Tarmo Kõutsi, Uno Liivi ja Tarmo Soomerega riigi teaduspreemia. Peamised uurimisteemad: veekogude tsirkulatsioon, veemassid, mesomastaapsed protsessid, füüsikaliste protsesside mõju ökosüsteemile, rannikumere veevahetuse ja ainelevi modelleerimine. Tegev Läänemere Operatiivse Okeanograafia Süsteemi (BOOS) juhtkomitees, Rahvusvahelise Läänemere regiooni kliimauuringute programmi BALTEX teaduskomitees jm.