Смешанный слой
Океанический или лимнологический смешанный слой — это слой, в котором активная турбулентность гомогенизировала некоторый диапазон глубин. Поверхностный смешанный слой — это слой, в котором эта турбулентность создается ветрами, поверхностными тепловыми потоками или такими процессами, как испарение или образование морского льда, которые приводят к увеличению солености. атмосферы Перемешанный слой представляет собой зону, имеющую почти постоянную потенциальную температуру и удельную влажность с высотой. Глубина атмосферного перемешанного слоя известна как высота перемешивания . Турбулентность обычно играет роль в формировании смешанных слоев жидкости .
Океанический смешанный слой
[ редактировать ]Важность смешанного слоя
[ редактировать ]Смешанный слой играет важную роль в физическом климате. Поскольку удельная теплоемкость океанской воды намного больше, чем у воздуха, верхние 2,5 м океана удерживают столько же тепла, сколько и вся атмосфера над ними. Таким образом, тепла, необходимого для изменения перемешанного слоя толщиной 2,5 м на 1 °С, будет достаточно, чтобы повысить температуру атмосферы на 1 °С. Таким образом, глубина смешанного слоя очень важна для определения диапазона температур в океанических и прибрежных регионах. Кроме того, тепло, хранящееся в океаническом смешанном слое, является источником тепла, которое приводит к глобальной изменчивости, такой как Эль-Ниньо .
Смешанный слой также важен, поскольку его глубина определяет средний уровень света, видимого морскими организмами. В очень глубоких смешанных слоях крошечные морские организмы, известные как фитопланктон, не могут получать достаточно света для поддержания своего метаболизма. Поэтому углубление перемешанного слоя в зимнее время в Северной Атлантике связано с сильным уменьшением поверхностного хлорофилла а. Однако такое глубокое перемешивание также пополняет приповерхностные запасы питательных веществ. Таким образом, когда весной смешанный слой становится мелководным и уровень освещенности увеличивается, часто происходит сопутствующее увеличение биомассы фитопланктона, известное как «весеннее цветение».
Образование океанического смешанного слоя
[ редактировать ]Существует три основных источника энергии, вызывающих турбулентное перемешивание в перемешанном слое открытого океана. Во-первых, это океанские волны, которые действуют двояко. Первый — это создание турбулентности у поверхности океана, которая перемещает легкую воду вниз. [1] Хотя этот процесс переносит большое количество энергии в верхние несколько метров, большая ее часть рассеивается относительно быстро. [2] Если океанские течения меняются в зависимости от глубины, волны могут взаимодействовать с ними, вызывая процесс, известный как циркуляция Ленгмюра , — большие водовороты, которые перемещаются на глубину десятков метров. [3] [4] Второй — ветровые течения, которые создают слои, в которых возникают сдвиги скорости. Когда эти сдвиги достигают достаточной величины, они могут разъедать стратифицированную жидкость. Этот процесс часто описывается и моделируется как пример неустойчивости Кельвина-Гельмгольца , хотя и другие процессы могут играть свою роль. Наконец, если охлаждение, добавление рассола из замерзшего морского льда или испарение на поверхности приводят к увеличению поверхностной плотности, конвекция произойдет . Самые глубокие смешанные слои (превышающие 2000 м в таких регионах, как море Лабрадор ) формируются в результате этого заключительного процесса, который является формой нестабильности Рэлея-Тейлора . Ранние модели смешанного слоя, такие как модели Меллора и Дурбина, включали два последних процесса. В прибрежных зонах большие скорости, обусловленные приливами, также могут играть важную роль в формировании смешанного слоя.
Смешанный слой характеризуется почти однородными свойствами, такими как температура и соленость, по всему слою. Однако скорости могут демонстрировать значительные сдвиги внутри смешанного слоя. Дно перемешанного слоя характеризуется градиентом , где изменяются свойства воды. Океанографы используют различные определения числа, которое следует использовать в качестве глубины смешанного слоя в любой момент времени, на основе измерений физических свойств воды. Часто происходит резкое изменение температуры, называемое термоклином, которое отмечает дно смешанного слоя; может происходить резкое изменение солености, называемое галоклином иногда также . Совместное влияние изменений температуры и солености приводит к резкому изменению плотности или пикноклину . Кроме того, резкие градиенты содержания питательных веществ (нутриклин) и кислорода (оксиклин), а также максимум концентрации хлорофилла часто совпадают с основанием сезонного смешанного слоя.
Определение глубины смешанного слоя океана
[ редактировать ]
Глубину перемешанного слоя часто определяют с помощью гидрографии — измерений свойств воды. Двумя критериями, часто используемыми для определения глубины смешанного слоя, являются температура и изменение сигма- t (плотности) от эталонного значения (обычно измерения поверхности). Температурный критерий, используемый в Левитусе [5] (1982) определяет смешанный слой как глубину, на которой отклонение температуры от температуры поверхности составляет 0,5 °C. Однако работа, проделанная Кара и др. ал. (2000) предполагают, что разница температур составляет около 0,8 °C. [6] Критерий сигма - т (плотность), используемый в Левитусе [5] изменение сигмы поверхности на использует глубину, на которой произошло 0,125. Ни один из критериев не подразумевает, что активное перемешивание происходит на глубине перемешанного слоя постоянно. Скорее, глубина смешанного слоя, оцененная по гидрографическим данным, является мерой глубины, на которой происходит перемешивание в течение нескольких недель.
Толщина барьерного слоя
[ редактировать ]Толщина барьерного слоя (ТБС) представляет собой слой воды, отделяющий хорошо перемешанный поверхностный слой от термоклина . [7] Более точным определением будет разница между глубиной смешанного слоя (MLD), рассчитанной по температуре, минус глубина смешанного слоя, рассчитанная с использованием плотности. Первое упоминание об этом различии как о барьерном слое было в статье, описывающей наблюдения в западной части Тихого океана в рамках исследования циркуляции западного экваториального Тихого океана. [8] В регионах, где присутствует барьерный слой, стратификация стабильна из-за сильной силы плавучести , связанной с пресной (т.е. более плавучей) массой воды, находящейся на вершине водного столба.
В прошлом типичным критерием MLD была глубина, на которой температура поверхности снижается за счет некоторого изменения температуры по сравнению с поверхностными значениями. Например, Левитус [5] использовалось 0,5 °C. В примере справа для определения MLD используется 0,2 °C (т. е. D T-02 на рисунке). До появления данных об обильной подземной солености, полученных от Арго , это была основная методология расчета океанической MLD. Совсем недавно для определения MLD стал использоваться критерий плотности. MLD, полученная на основе плотности, определяется как глубина, на которой плотность увеличивается по сравнению с поверхностным значением из-за заданного снижения температуры на некоторую величину (например, 0,2 °C) от поверхностного значения при сохранении постоянного значения поверхностной солености. (т.е. Д Т-02 — Д сигма ).
режимы BLT
[ редактировать ]Большие значения BLT обычно встречаются в экваториальных регионах и могут достигать 50 м. Над барьерным слоем хорошо перемешанный слой может образоваться из-за местных осадков, превышающих испарение (например, в западной части Тихого океана), связанного с муссонами речного стока (например, в северной части Индийского океана) или адвекции соленой воды, субдуцированной в субтропиках (обнаруженной в все субтропические океанские круговороты ). Формирование барьерного слоя в субтропиках связано с сезонным изменением глубины смешанного слоя, более резким, чем обычно, градиентом солености поверхности моря (ПСМ) и субдукцией поперек этого фронта НДС. [9] В частности, барьерный слой формируется в зимний период на экваториальном фланге субтропических максимумов солености. В начале зимы атмосфера охлаждает поверхность, а сильный ветер и отрицательная плавучесть перемешивают температуру в глубоких слоях. В то же время пресная поверхностная соленость переносится из дождливых регионов тропиков. Глубокий температурный слой наряду с сильной стратификацией солености создает условия для формирования барьерного слоя. [10]
Для западной части Тихого океана механизм формирования барьерного слоя иной. Вдоль экватора восточный край теплого бассейна (обычно изотерма 28 ° C - см. график SST в западной части Тихого океана) представляет собой демаркационную область между теплой пресной водой на западе и холодной соленой водой, поднимающейся вверх в центральной части Тихого океана. Барьерный слой образуется в изотермическом слое, когда соленая вода погружается (т.е. более плотная водная масса перемещается ниже другой) с востока в теплый бассейн из-за локальной конвергенции или теплая пресная вода перекрывает более плотную воду на востоке. Здесь слабые ветры, обильные осадки, адвекция на восток воды с низкой соленостью, субдукция соленой воды на запад и нисходящие экваториальные волны Кельвина или Россби являются факторами, которые способствуют формированию глубокого BLT. [11]
Важность BLT
[ редактировать ]До Эль-Ниньо теплый бассейн хранил тепло и был ограничен дальней западной частью Тихого океана. Во время Эль-Ниньо теплый бассейн мигрирует на восток вместе с сопутствующими осадками и аномалиями течений. В это время усиливается приток западных ветров , что усиливает событие. Используя данные «Корабля возможностей» и причалов «Тропическая атмосфера – океан» (ТАО) в западной части Тихого океана, в течение 1992–2000 годов отслеживалась миграция теплого бассейна на восток и запад с использованием солености поверхности моря (SSS) и температуры поверхности моря (SST). , течения и подземные данные о проводимости, температуре и глубине, полученные во время различных исследовательских круизов. [12] Эта работа показала, что во время западного течения BLT в западной части Тихого океана вдоль экватора (138 тот Е-145 тот И, 2 тот Н-2 тот S) составляла от 18 до 35 м, что соответствовало теплому ТПМ и служило эффективным механизмом хранения тепла. Формирование барьерного слоя обусловлено течениями , направленными на запад (т.е. сходящимися и погружающимися) вдоль экватора вблизи восточного края фронта солености, который определяет теплый бассейн. Эти западные течения вызываются нисходящими волнами Россби и представляют собой либо адвекцию BLT на запад, либо преимущественное углубление более глубокого термоклина по сравнению с более мелким галоклином из-за динамики волн Россби (т.е. эти волны способствуют вертикальному растяжению верхнего слоя воды). Во время Эль-Ниньо западные ветры гонят теплый бассейн на восток, позволяя пресной воде течь поверх местной более холодной/соленой/плотной воды на востоке. Используя совмещенные модели атмосферы и океана и настроив перемешивание для исключения BLT за год до Эль-Ниньо, было показано, что накопление тепла, связанное с барьерным слоем, является необходимым условием для большого Эль-Ниньо. [13] Было показано, что существует тесная взаимосвязь между НДС и ТПО в западной части Тихого океана, а барьерный слой играет важную роль в поддержании тепла и импульса в теплом бассейне внутри стратифицированного слоя солености. [14] Более поздние работы, в том числе с участием дрифтеров Арго, подтверждают связь между миграцией теплого бассейна на восток во время Эль-Ниньо и накоплением тепла в барьерном слое в западной части Тихого океана. [15] Основное воздействие барьерного слоя заключается в поддержании мелкого смешанного слоя, что позволяет улучшить реакцию воздуха и моря. Кроме того, BLT является ключевым фактором в установлении среднего состояния, которое нарушается во время Эль-Ниньо/ Ла-Нинья. [16]
Образование лимнологического смешанного слоя
[ редактировать ]Образование смешанного слоя в озере аналогично таковому в океане, но смешивание в озерах происходит скорее исключительно за счет молекулярных свойств воды . Вода меняет плотность при изменении температуры. В озерах структура температуры осложняется тем, что пресная вода самая тяжелая при температуре 3,98 °C (градусов Цельсия). Таким образом, в озерах, поверхность которых становится очень холодной, смешанный слой ненадолго распространяется до самого дна весной, когда поверхность нагревается, а также осенью, когда поверхность охлаждается. Это опрокидывание часто важно для поддержания насыщения кислородом очень глубоких озер.
Изучением лимнологии охватываются все внутренние водоемы, в том числе и водоемы, содержащие соль. В соленых озерах и морях (таких как Каспийское море) формирование смешанного слоя обычно ведет себя аналогично океану.
Образование смешанного слоя атмосферы
[ редактировать ]Атмосферный смешанный слой возникает в результате конвективных движений воздуха, обычно наблюдаемых ближе к середине дня, когда воздух у поверхности нагревается и поднимается вверх. Таким образом, он смешивается с нестабильностью Рэлея – Тейлора . Стандартная процедура определения глубины смешанного слоя заключается в изучении профиля потенциальной температуры — температуры, которую имел бы воздух, если бы он был доведен до давления, обнаруженного на поверхности, без получения или потери тепла. Поскольку такое увеличение давления предполагает сжатие воздуха, потенциальная температура выше, чем температура на месте, причем разница увеличивается по мере увеличения высоты в атмосфере. Смешанный слой атмосферы определяется как слой (приблизительно) постоянной потенциальной температуры или слой, в котором температура падает со скоростью примерно 10 °C/км, при условии, что он свободен от облаков. Однако такой слой может иметь градиенты влажности. Как и в случае со смешанным слоем океана, скорости не будут постоянными во всем перемешанном слое атмосферы.
Ссылки
[ редактировать ]- Меллор, ГЛ; Дурбин, Пенсильвания (1975). «Структура и динамика перемешанного слоя поверхности океана» . Журнал физической океанографии . 5 (4): 718–728. Бибкод : 1975JPO.....5..718M . doi : 10.1175/1520-0485(1975)005<0718:TSADOT>2.0.CO;2 .
- ^ Като, Х.; Филлипс, О.М. (1969). «О проникновении турбулентного слоя в стратифицированную жидкость». Дж. Гидромеханика . 37 (4): 643–655. Бибкод : 1969JFM....37..643K . дои : 10.1017/S0022112069000784 . S2CID 122260276 .
- ^ Агравал, ЮК; Террей, Э.А.; Донелан, Массачусетс; Хван, Пенсильвания; Уильямс, Эй Джей; Дреннан, ВМ; Кама, КК; Китайгородский С.А. (1992). «Усиленное рассеивание кинетической энергии под поверхностными волнами». Природа . 359 (6392): 219–220. Бибкод : 1992Natur.359..219A . дои : 10.1038/359219a0 . S2CID 4308649 .
- ^ Крейк, ДОБАВИТЬ; Лейбович, С. (1976), «Рациональная модель ленгмюровских циркуляций», Journal of Fluid Mechanics , 73 (3): 401–426, Бибкод : 1976JFM....73..401C , doi : 10.1017/S0022112076001420 , S2CID 18089261
- ^ Гнанадэсикан, А.; Веллер, Р.А. (1995), «Структура и изменчивость спирали Экмана в присутствии поверхностных гравитационных волн», Журнал физической океанографии , 25 (12): 3148–3171, Бибкод : 1995JPO....25.3148G , doi : 10.1175/1520-0485(1995)025<3148:saiote>2.0.co;2
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Левитус, Сидней (декабрь 1982 г.). Климатологический атлас Мирового океана (PDF) . Профессиональный документ NOAA 13. Роквилл, Мэриленд, США: Министерство торговли США, Национальное управление океанических и атмосферных исследований. п. 173. Архивировано из оригинала (PDF) 12 октября 2011 года . Проверено 29 января 2020 г.
- ^ Кара, А. Бироль; Рочфорд, Питер А.; Херлберт, Харли Э. (2000). «Оптимальное определение глубины смешанного слоя океана» . Журнал геофизических исследований: Океаны . 105 (С7): 16803–16821. Бибкод : 2000JGR...10516803K . дои : 10.1029/2000JC900072 .
- ^ Спринталл Дж. и М. Томчак, Свидетельства существования барьерного слоя в поверхностном слое тропиков, Журнал геофизических исследований: Океаны, 97 (C5), 7305-7316, 1992.
- ^ Лукас, Р.; Линдстрем, Э. (1991). «Смешанный слой западной экваториальной части Тихого океана». Журнал геофизических исследований: Океаны . 96 (S01): 3343–3357. Бибкод : 1991JGR....96.3343L . дои : 10.1029/90jc01951 .
- ^ Сато, К., Т. Суга и К. Ханава, Барьерные слои в субтропических круговоротах мирового океана, Письма о геофизических исследованиях, 33 (8), 2006.
- ^ Миньо, Дж., КдБ Монтегут, А. Лазар и С. Краватт, Контроль солености на глубине смешанного слоя в мировом океане: 2. Тропические районы, Журнал геофизических исследований: Океаны, 112 (C10), 2007.
- ^ Боск, К.; Делькруа, Т.; Мэйс, К. (2009). «Изменчивость барьерного слоя в теплом бассейне западной части Тихого океана с 2000 по 2007 год» (PDF) . Журнал геофизических исследований: Океаны . 114 (С6): C06023. Бибкод : 2009JGRC..114.6023B . дои : 10.1029/2008jc005187 .
- ^ Делькруа, Т.; Макфаден, М. (2002). «Межгодовая соленость поверхности моря и изменения температуры в теплом бассейне западной части Тихого океана в 1992-2000 гг.». Журнал геофизических исследований: Океаны . 107 (С12): СРФ 3-1-СРФ 3-17. Бибкод : 2002JGRC..107.8002D . дои : 10.1029/2001jc000862 .
- ^ Мэйс, К.; Пико, Дж.; Беламари, С. (2005). «Важность барьерного слоя солености для возникновения Эль-Ниньо» . Журнал климата . 18 (1): 104–118. Бибкод : 2005JCli...18..104M . дои : 10.1175/jcli-3214.1 .
- ^ Мэйс, К.; Андо, К.; Делькруа, Т.; Кесслер, WS; Макфаден, MJ; Ремих, Д. (2006). «Наблюдаемая корреляция поверхностной солености, температуры и барьерного слоя на восточной окраине теплого бассейна западной части Тихого океана» . Письма о геофизических исследованиях . 33 (6): L06601. Бибкод : 2006GeoRL..33.6601M . дои : 10.1029/2005gl024772 .
- ^ Миньо, Дж.; Монтегут, CdB; Лазарь, А.; Краватт, С. (2007). «Контроль солености по глубине смешанного слоя Мирового океана: 2. Тропические районы» . Журнал геофизических исследований: Океаны . 112 (С10): С10010. Бибкод : 2007JGRC..11210010M . дои : 10.1029/2006jc003954 .
- ^ Мэйс, К.; Беламари, С. (2011). «О влиянии барьерного слоя солености на среднее состояние Тихого океана и ЭНСО» . Научные онлайн-письма об атмосфере . 7 : 97–100. Бибкод : 2011SOLA....7...97M . дои : 10.2151/sola.2011-025 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Снег с эффектом озера для ссылки на изображение НАСА со спутника SeaWiFS, показывающее облака в смешанном слое атмосферы.
- Посетите веб-сайт Ifremer/Los Mixed Layer Depth Climatology по адресу Redirection, чтобы получить доступ к новейшей океанской смешанной глубинной климатологии, данным, картам и ссылкам.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Уоллес, Джон Майкл; Хоббс, Питер Виктор (2006). Наука об атмосфере: вводный обзор (2-е изд.). Академическая пресса. п. 483. ИСБН 9780127329512 .