Конвекция открытого океана
Конвекция открытого океана — это процесс, в котором мезомасштабная циркуляция океана и сильные ветры перемешивают слои воды на разных глубинах. Более пресная вода, лежащая над более соленой, или более теплая над более холодной, приводит к расслоению воды, или ее расслоению на слои. Сильные ветры вызывают испарение, поэтому поверхность океана охлаждается, ослабляя стратификацию. В результате поверхностные воды переворачиваются и опускаются, а «более теплые» воды поднимаются на поверхность, запуская процесс конвекции. Этот процесс играет решающую роль в формировании как придонных , так и промежуточных вод, а также в крупномасштабной термохалинной циркуляции , которая во многом определяет глобальный климат. [ 1 ] Это также важное явление, которое контролирует интенсивность Атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции (AMOC). [ 2 ]
Конвекция существует при определенных условиях, которым способствуют сильные атмосферные воздействия из-за тепловых или халинных поверхностных потоков . Это можно наблюдать в океанах, прилегающих к границам, с сухими и холодными ветрами над головой или льдом, вызывающими большие потоки скрытого тепла и влаги. Конвекция океана зависит от слабости стратификации под поверхностным перемешанным слоем . Эти стратифицированные слои воды должны подниматься вблизи поверхности, что приводит к их прямому воздействию интенсивного поверхностного воздействия. [ 1 ] [ 3 ]
Основные места конвекции
[ редактировать ]Глубокая конвекция наблюдается в приполярной части Северной Атлантики ( Гренландское и Лабрадорское моря ), в море Уэдделла в южном полушарии, а также в северо-западной части Средиземного моря . В приполярных регионах верхний смешанный слой начинает углубляться с поздней осени до начала весны, когда конвекция достигает наибольшего уровня, прежде чем явление ослабевает. [ 2 ]
Слабая стратификация плотности Лабрадорского моря наблюдается каждую зиму на глубинах от 1000 до 2000 м, что делает его одним из самых экстремальных мест конвекции океана в мире. На глубокую конвекцию в Лабрадорском море существенное влияние оказывает Североатлантическое колебание (САК). Зимой, когда САК находится в положительной фазе над этим регионом, циклоническая активность выше над Северной Атлантикой с усиленной циркуляцией холодного и сухого воздуха. Во время этой положительной фазы САК потери тепла океаном из Лабрадорского моря выше, что способствует более глубокой конвекции. [ 3 ] По данным Холдсворта и др. (2015), во время отрицательной фазы САК, связанной с отсутствием высокочастотного воздействия, средняя максимальная глубина перемешанного слоя уменьшается более чем на 20%. [ 4 ]
Гренландское море отличается от Лабрадорского моря важной ролью льда в предварительном кондиционировании в период с ноября по февраль. В начале зимы лед распространяется на восток через центральную часть Гренландского моря, и отход рассола под лед увеличивает плотность поверхностного слоя. В марте, когда предобусловливание зашло достаточно далеко и метеорологические условия благоприятны, развивается глубокая конвекция. [ 5 ]
В северо-западной части Средиземного моря глубокая конвекция возникает зимой, когда вода подвергается необходимой предварительной подготовке воздушно-морскими потоками, вызывающими потери плавучести на поверхности. Зимой Львиный залив регулярно подвергается атмосферному воздействию сильных холодных ветров Трамонтана и Мистраль , вызывающих сильное испарение и интенсивное охлаждение поверхностных вод. Это приводит к потерям плавучести и вертикальному глубокому перемешиванию. [ 6 ]
Конвекция в море Уэдделла преимущественно связана с полыньей . По данным Акитомо и др. (1995), Арнольд Л. Гордон был первым, кто обнаружил остатки глубокой конвекции возле поднятия Мод в 1977 году. Эта глубокая конвекция, вероятно, сопровождалась большой полыньей, которая появлялась в центральной части моря Уэдделла каждую зиму в течение 1974-76 годов. . [ 7 ] Кроме того, по мнению Ван Вестена и Дейкстры (2020), образование полыньи Мод Райз, наблюдавшееся в 2016 году, связано с подповерхностной конвекцией. В частности, регион Мод-Райз подвергается предварительному кондиционированию из-за накопления подземного тепла и соли, что приводит к конвекции и способствует образованию полыньи. [ 8 ]
Фазы конвекции
[ редактировать ]В океанской конвекции выделяют три фазы: предварительное кондиционирование, глубокая конвекция и латеральный обмен и распространение. Под предварительным кондиционированием понимается период, в течение которого циркуляция в масштабе циклонического круговорота и сила плавучести объединяются, чтобы предрасположить конвективный участок к локальному опрокидыванию. Участок считается предобусловленным, когда там существует вытянутая по латерали глубокая область относительно слабой вертикальной стратификации плотности, перекрытая локально неглубоким термоклином . События похолодания приводят ко второй фазе — глубокой конвекции, при которой часть столба жидкости может опрокинуться в виде многочисленных шлейфов, распределяющих плотную поверхностную воду по вертикальной оси. Эти шлейфы образуют однородный глубокий дымоход. На этом этапе дымоход становится глубже за счет опрокидывания шлейфа и геострофически приспосабливается . Кроме того, в какой-то момент времени потеря плавучести морской поверхности полностью компенсируется за счет боковой передачи плавучести бароклинными вихрями , которые генерируются на периферии конвективного режима, и, таким образом, может быть достигнуто квазистационарное состояние. Как только поверхностное воздействие уменьшается, вертикальная теплопередача из-за конвекции уменьшается, что приводит к горизонтальной передаче, связанной с завихрением в геострофическом масштабе. Баланс между воздействием на морскую поверхность и потоком плавучести боковых вихрей становится нестабильным. Из-за под действием силы тяжести и вращения планет смешанная жидкость рассеивается и растекается, что приводит к загниванию дымохода. Остаточные куски «сломанного» дымохода называются конусами. Латеральный обмен и распространение также известны как фаза рестратификации. Если условия на поверхности снова ухудшатся, глубокая конвекция может возобновиться, в то время как оставшиеся конусы могут сформировать предпочтительные центры для дальнейшей глубокой конвективной активности. [ 3 ] [ 9 ] [ 10 ]
Явления, связанные с конвекцией
[ редактировать ]
Глубокая конвекция различается в мелкомасштабных и мезомасштабных процессах. Шлейфы представляют собой процесс наименьшего масштаба, тогда как дымоходы (пятна) и вихри представляют собой мезомасштабный процесс. [ 11 ]
шлейфы
[ редактировать ]Шлейфы — это первоначальные вертикальные движения, вызванные конвекцией, которые образуются во время второй фазы конвекции. Они имеют горизонтальный масштаб от 100 м до 1 км, а вертикальный масштаб составляет около 1–2 км с вертикальными скоростями до 10 см/с, которые измеряются акустическими допплеровскими профилометрами тока (ADCP). Сообщается, что временные масштабы, связанные с конвективными шлейфами, составляют от нескольких часов до нескольких дней. [ 3 ] [ 11 ] [ 12 ]
В своей динамической части шлейфы действуют как «проводники» или «смесители». Если они действуют как «проводники», они транспортируют охлажденную и плотную поверхностную воду вниз. Это основной механизм транспорта воды на меньшие глубины и ее возобновления. Однако шлейфы могут действовать как «смесители», а не как нисходящие носители потока. В этом случае конвекция охлаждает и перемешивает участок воды, создавая плотный однородный цилиндр, похожий на дымоход, который в конечном итоге разрушается и подстраивается под действие вращения планеты и силы тяжести. [ 13 ]
Сила Кориолиса и термобаричность играют важную роль в глубоких конвективных шлейфах. Термобаричность – это эффект, при котором в условиях замерзания образуется опускающаяся холодная соленая вода, что приводит к ускорению вниз. Кроме того, во многих экспериментах по численному моделированию и резервуарному моделированию исследуется роль вращения в процессах конвекции и морфологии шлейфов. По данным Палушкевича и др. (1994), планетарное вращение не влияет на отдельные шлейфы вертикально, но влияет на горизонтально. Под действием вращения диаметр шлейфов становится меньше по сравнению с диаметром шлейфов в отсутствие вращения. Напротив, в дымоходах и связанных с ними водоворотах преобладает эффект вращения, вызванный тепловым ветром . [ 11 ]
Конвекционный участок (или «Дымоход»)
[ редактировать ]Конвективное опрокидывание толщи воды происходит за счет вклада большого количества интенсивных плюмов, которые сильно перемешивают толщу. Шлейфы могут перерабатывать большие объемы жидкости, образуя так называемый «дымоход» гомогенизированной жидкости. [ 14 ] Эти вертикально изолированные столбы гомогенизированной воды имеют диаметр от 10 до 50 км и глубину 1–2 км. Уплотняющиеся и опускающиеся поверхностные воды вызывают начальную стадию углубления, тогда как на финальную стадию углубления и фазу перестратификации влияет передача плавучести через боковую поверхность трубы бароклинными вихрями . [ 2 ]
Сезонность
[ редактировать ]Дымоходы глубокой конвекции остаются открытыми в течение одного-трех месяцев, зимой в квазистабильном состоянии, тогда как они могут обрушиться в течение нескольких недель. Трубы разрушаются ранней весной, когда поток плавучести морской поверхности ослабевает и меняется на противоположный, а стратификация слоев воды под перемешанным слоем начинает стабилизироваться. [ 2 ]
Формирование
[ редактировать ]Образование конвекционных труб обусловлено двумя процессами: сильными тепловыми потоками с морской поверхности и циклонической циркуляцией. Дымоход образуется, когда относительно сильный поток плавучести с поверхности океана существует в течение как минимум 1–3 дней. Время, глубина и диаметр дымовой трубы явно зависят от потока плавучести и стратификации окружающего океана. [ 2 ] По мере охлаждения поверхностная вода становится более плотной и переворачивается, образуя конвективно-модифицированный слой глубины. . В центре дымохода смешанный слой углубляется, и глубина как функция времени рассчитывается, как описано ниже.
На начальном этапе интенсивного углубления дымовой трубы, когда эффекты бароклинной неустойчивости считаются несущественными, глубину можно найти как функцию времени с помощью силы плавучести. Плавучесть определяется как: Где ускорение свободного падения, потенциальная плотность и постоянное эталонное значение плотности. Уравнение плавучести смешанного слоя: Где это плавучесть и сила плавучести. Сила плавучести равна где это потеря плавучести. В качестве упрощения можно предположить, что потеря плавучести постоянна во времени ( ) используется. Пренебрегая горизонтальной адвекцией и интегрируя приведенное выше уравнение по перемешанному слою, получаем: Для однородно стратифицированной жидкости мощность частоты плавучести равна: Таким образом, классический результат для непроникающего углубления верхнего перемешанного слоя: [ 14 ]
Уравнение эволюции дымохода
[ редактировать ]
С течением времени и эффектами бароклинной неустойчивости становятся все более важными, временная эволюция дымохода не может быть описана только силой плавучести. Максимальная глубина, которую достигает конвекционный дымоход, должна быть найдена с использованием уравнения эволюции дымохода. Следуя Ковалевскому и др. (2020) и Висбек и др. (1996), рассмотрим дымоход радиуса и зависящая от времени высота . Движущей силой углубления дымохода является потеря плавучести поверхности. что вызывает конвективное опрокидывание, приводящее к образованию однородно смешанной жидкости внутри дымохода. Если предположить, что плотность у основания дымохода непрерывна, то аномалия плавучести частицы, которая перемещается на расстояние Δz внутри дымохода, составляет: По данным Ковалевского и др. (2020) уравнение бюджета плавучести: [ 2 ] Левая часть представляет собой временную эволюцию общей аномалии плавучести, накопленной в зависящем от времени объеме дымовой трубы. . Первый и второй члены в правой части соответствуют полной потере плавучести морской поверхности над дымовой трубой и передаче плавучести между внутренней частью дымовой трубы и бароклинными вихрями соответственно. [ 2 ] Первоначально общая плавучесть зависит только от полной потери плавучести на морской поверхности над дымовой трубой. С течением времени потеря плавучести на морской поверхности над дымоходом становится частично эквивалентной боковому обмену плавучестью между дымоходом и бароклинными вихрями через боковые стенки дымохода. [ 2 ]
Висбек и др. (1996), используя предложение Грина (1970) и Стоуна (1972), параметризовали вихревой поток как: Где – константа пропорциональности, определяемая путем наблюдений и лабораторного моделирования. Переменная представляет собой пульсации горизонтальной компоненты скорости течения, перпендикулярной боковым стенкам дымохода, в то время как, следуя Visbeck et al. (1996), равно: [ 2 ]
Разлагаться
[ редактировать ]Если потеря плавучести сохраняется в течение достаточного времени, то охлаждение морской поверхности ослабевает и начинается фаза рестратификации. В окрестностях конвективного режима расслоение принимает окружающее значение, а в центре трубы расслоение размывается. В результате по периферии дымохода изопикнальные поверхности отклоняются от уровня покоя, наклоняясь к поверхности океана. В связи с наклоном изопикнальных поверхностей возникает тепловой ветер, генерирующий кольцевое течение вокруг границы режима конвекции. Этот ток должен находиться в балансе теплового ветра с градиентом плотности между внутренней и внешней частью дымохода. Ширина области ОЧТ и ее бароклинной зоны первоначально будет порядка радиуса деформации Россби . [ 12 ] [ 14 ]
Существование краевого тока играет важную роль в обрушении дымохода. В центре дымохода слой смеси будет углубляться по мере , пока растущая бароклинная нестабильность не начнет выносить конвектируемую жидкость наружу, в то время как вода снаружи течет в дымоход. В этот момент окружное течение вокруг области охлаждения становится бароклинически неустойчивым и плавучесть передается вбок за счет вихрей неустойчивости. Если вихри достаточно интенсивные, углубление дымохода будет ограничено. В этом пределе, когда боковой поток плавучести полностью уравновешивает потерю плавучести морской поверхности, может быть установлено квазистационарное состояние: [ 2 ] [ 14 ] Решив приведенное выше уравнение, можно найти окончательную глубину конвективного дымохода: Следовательно, конечная глубина перемешивания зависит от силы охлаждения, радиуса охлаждения и расслоения. Следовательно, конечная глубина перемешивания не зависит напрямую от скорости вращения. Однако бароклинная неустойчивость является следствием термического ветра, который критически зависит от вращения. [ 14 ] Масштаб длины бароклинных вихрей, который, как предполагается, определяется радиусом деформации Россби, имеет следующий масштаб: [ 14 ]

Что действительно зависит от скорости вращения f , но не зависит от стратификации окружающей среды.
Наименьшее время, необходимое дымовой трубе для достижения квазиравновесного состояния, эквивалентно времени, которое необходимо ей для достижения глубины и оно равно: [ 14 ] Конечный масштаб времени не зависит от скорости вращения, увеличивается с радиусом области охлаждения r и уменьшается с увеличением потока плавучести поверхности B o. По словам Висбека и др. (1996) в ходе лабораторных экспериментов константы пропорциональности γ и β оказались равными 3,9 ± 0,9 и 12 ± 3 соответственно. [ 14 ]
Конусы
[ редактировать ]Наконец, прекращается охлаждение поверхности, а также конвективная деятельность. Таким образом, дымоход гомогенизированной холодной воды распадается на несколько небольших конусообразных структур, называемых конусами, которые распространяются наружу. Конусы движутся наружу, унося холодную воду далеко от области охлаждения. С течением времени и рассеиванием конусов величина граничного тока уменьшается. Течения, связанные с конусами, на поверхности усилены и циклоничны, а на малых глубинах они более слабы и антициклоничны. [ 15 ]
Влияние глобального потепления на конвекцию океана
[ редактировать ]Глубинная конвективная активность в Лабрадорском море снизилась и обмелела с начала XX века из-за низкочастотной изменчивости североатлантического колебания . Более теплая атмосфера нагревает поверхностные воды, поэтому они не опускаются и не смешиваются с более холодными водами внизу. В результате снижение происходит не резко, а скачкообразно. В частности, в 1920-х и 1990-х годах были зарегистрированы два серьезных падения глубокой конвективной активности. [ 16 ]
Аналогичным образом, в Гренландском море за последние 30 лет наблюдались более мелкие глубокие смешанные слои из-за снижения атмосферного воздействия в зимнее время. Таяние ледникового щита Гренландии также может способствовать еще более раннему прекращению глубокой конвекции. Опреснение поверхностных вод из-за увеличения количества талой воды с ледникового щита Гренландии имеет меньшую плотность, что затрудняет возникновение океанической конвекции. [ 17 ] Уменьшение глубокого зимнего конвективного перемешивания в Северной Атлантике приводит к ослаблению АМОК.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Вадхамс, П.; Холфорт, Дж.; Хансен, Э.; Уилкинсон, JP (2002). «Глубокий конвективный дымоход в зимнем Гренландском море» . Письма о геофизических исследованиях . 29 (10): 76–1–76-4. Бибкод : 2002GeoRL..29.1434W . дои : 10.1029/2001GL014306 . ISSN 1944-8007 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж Ковалевский Д.В.; Башмачников И.Л.; Алексеев, ГВ (2020). «Формирование и распад глубокого конвективного дымохода» . Моделирование океана . 148 : 101583. Бибкод : 2020OcMod.14801583K . дои : 10.1016/j.ocemod.2020.101583 . ISSN 1463-5003 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Лаборатория Моря, Группа (1998). «Эксперимент по глубокой конвекции в Лабрадорском море» . Бюллетень Американского метеорологического общества . 79 (10): 2033–2058. doi : 10.1175/1520-0477(1998)079<2033:TLSDCE>2.0.CO;2 . ISSN 0003-0007 . S2CID 128525901 .
{{cite journal}}
:|first=
имеет общее имя ( справка ) - ^ Холдсворт, Эмбер М.; Майерс, Пол Г. (15 июня 2015 г.). «Влияние высокочастотного атмосферного воздействия на циркуляцию и глубокую конвекцию Лабрадорского моря» . Журнал климата . 28 (12): 4980–4996. Бибкод : 2015JCli...28.4980H . дои : 10.1175/JCLI-D-14-00564.1 . ISSN 0894-8755 .
- ^ Шотт, Ф.; Висбек, М.; Сенд, У. (1994), Маланотте-Риццоли, Паола ; Робинсон, Аллан Р. (ред.), «Глубокая конвекция в открытом океане, Средиземное и Гренландское моря» , Океанские процессы в динамике климата: глобальные и средиземноморские примеры , Серия NATO ASI, Дордрехт: Springer Нидерланды, стр. 203–225, doi : 10.1007/978-94-011-0870-6_9 , ISBN 978-94-011-0870-6 , получено 7 мая 2021 г.
- ^ Маргирье, Феликс; Босс, Энтони; Тестор, Пьер; Л'Эведер, Бландин; Мортье, Лоран; Смид, Дэвид (2017). «Характеристика конвективных шлейфов, связанных с океанической глубокой конвекцией в северо-западной части Средиземноморья, на основе данных высокого разрешения на месте, собранных с помощью планеров» . Журнал геофизических исследований: Океаны . 122 (12): 9814–9826. Бибкод : 2017JGRC..122.9814M . дои : 10.1002/2016JC012633 . ISSN 2169-9291 . S2CID 134732376 .
- ^ Акитомо, К.; Авадзи, Т.; Имасато, Н. (1995). «Глубокая конвекция в открытом океане в море Уэдделла: двумерные численные эксперименты с негидростатической моделью». Глубоководные исследования. Часть I: Статьи океанографических исследований . 42 (1): 53–73. Бибкод : 1995DSRI...42...53A . дои : 10.1016/0967-0637(94)00035-Q . ISSN 0967-0637 .
- ^ Ван Вестен, РМ; Дейкстра, ХА (2020). «Подповерхностное инициирование глубокой конвекции возле поднятия Мод» (PDF) . Дискуссии по науке об океане : 1–15.
- ^ Джонс, Хелен. «Глубокая конвекция в открытом океане» . лужа.mit.edu . Проверено 7 мая 2021 г.
- ^ Маршалл, Джон; Шотт, Фридрих (февраль 1999 г.). «Конвекция в открытом океане: наблюдения, теория и модели» . Обзоры геофизики . 37 (1): 1–64. Бибкод : 1999RvGeo..37....1M . дои : 10.1029/98RG02739 .
- ^ Перейти обратно: а б с Палушкевич, Т.; Гарвуд, RW; Денбо, Дональд В. (1994). «Глубокие конвективные шлейфы в океане» . Океанография . 7 (2): 34–44. дои : 10.5670/oceanog.1994.01 . hdl : 10945/43394 .
- ^ Перейти обратно: а б Палушкевич, Т.; Ромеа, РД (1997). «Одномерная модель параметризации глубокой конвекции в океане» . Динамика атмосферы и океанов . 26 (2): 95–130. Бибкод : 1997ДяТО..26...95П . дои : 10.1016/S0377-0265(96)00482-4 . ISSN 0377-0265 .
- ^ Отправь, Уве; Маршалл, Джон (1995). «Интегральные эффекты глубокой конвекции» . Журнал физической океанографии . 25 (5): 855–872. Бибкод : 1995JPO....25..855S . doi : 10.1175/1520-0485(1995)025<0855:IEODC>2.0.CO;2 . ISSN 0022-3670 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час Висбек, Мартин; Маршалл, Джон; Джонс, Хелен (1996). «Динамика изолированных конвективных областей в океане» . Журнал физической океанографии . 26 (9): 1721–1734. Бибкод : 1996JPO....26.1721V . doi : 10.1175/1520-0485(1996)026<1721:DOICRI>2.0.CO;2 . ISSN 0022-3670 .
- ^ Джонс, Хелен; Маршалл, Джон (1993). «Конвекция с вращением в нейтральном океане: исследование глубокой конвекции в открытом океане» . Журнал физической океанографии . 23 (6): 1009–1039. Бибкод : 1993JPO....23.1009J . doi : 10.1175/1520-0485(1993)023<1009:CWRIAN>2.0.CO;2 . ISSN 0022-3670 .
- ^ Бродо, Лоран; Кенигк, Торбен (01 мая 2016 г.). «Угасание глубокой конвекции северного океана в ансамбле климатических моделей XX и XXI веков» . Климатическая динамика . 46 (9): 2863–2882. Бибкод : 2016ClDy...46.2863B . дои : 10.1007/s00382-015-2736-5 . ISSN 1432-0894 . S2CID 73579392 .
- ^ Мур, GWK; Воге, К.; Пиккарт, РС; Ренфрю, ИА (2015). «Снижение интенсивности конвекции открытого океана в Гренландском и Исландском морях» (PDF) . Природа Изменение климата . 5 (9): 877–882. Бибкод : 2015NatCC...5..877M . дои : 10.1038/nclimate2688 . HDL : 1956/16722 .
Другие источники
[ редактировать ]- Маршалл, Дж.; Шотт, Ф. (1999). «Конвекция в открытом океане: наблюдения, теория и модели» . Обзоры геофизики . 37 (1): 1–64. Бибкод : 1999RvGeo..37....1M . дои : 10.1029/98RG02739 .
- Лазье, Дж.; Хендри, Р.; Кларк, А.; Яшаяев И.; Райнс, П. (2002). «Конвекция и рестратификация в Лабрадорском море» . Глубоководные исследования. Часть I: Статьи океанографических исследований . 49 (10): 1819–1835. дои : 10.1016/S0967-0637(02)00064-X .