Стратификация океана

Стратификация океана — это естественное разделение воды океана на горизонтальные слои по плотности , которая, как правило, стабильна, поскольку теплая вода плавает поверх холодной воды, а нагрев происходит в основном от солнца, что усиливает такое расположение. Стратификация уменьшается за счет механического перемешивания, вызванного ветром, но усиливается за счет конвекции (теплая вода поднимается, холодная вода опускается). Стратификация происходит во всех океанических бассейнах, а также в других водоемах . Расслоенные слои являются барьером для смешивания воды, что влияет на обмен тепла, углерода, кислорода и других питательных веществ. Поверхностный перемешанный слой является самым верхним слоем в океане и хорошо перемешивается за счет механического (ветер) и термического (конвекция) воздействия. Изменение климата приводит к увеличению стратификации верхних слоев океана.

Из-за апвеллинга и нисходящего потока , которые вызваны ветром, смешивание различных слоев может происходить за счет подъема холодной, богатой питательными веществами, и опускания теплой воды соответственно. Как правило, слои основаны на плотности воды : более тяжелая и, следовательно, более плотная вода находится ниже более легкой, что представляет собой устойчивую стратификацию . Например, пикноклин — это слой океана, в котором изменение плотности является наибольшим по сравнению с другими слоями океана. Толщина термоклина не везде постоянна и зависит от множества переменных.

В период с 1960 по 2018 год стратификация верхних слоев океана увеличивалась на 0,7–1,2% за десятилетие из-за изменения климата. Это означает, что различия в плотности слоев океанов увеличиваются, что приводит к увеличению барьеров смешивания и другим эффектам. В последние несколько десятилетий, стратификация во всех океанических бассейнах усилилась из-за воздействия изменения климата на океаны . В 2022 году глобальная стратификация верхних слоев океана продолжит усиливаться. Южные океаны (к югу от 30° ю.ш.) испытали самую сильную скорость стратификации с 1960 года, за ними следовали Тихий, Атлантический и Индийский океаны. На усиление стратификации преимущественно влияют изменения температуры океана ; соленость играет роль только локально.

Плотность воды в Мировом океане

Плотность воды в океане, определяемая как масса единицы объема, имеет сложную зависимость от температуры ( $T$), соленость ( $S$) и давление ( $p$), которая, в свою очередь, является функцией плотности и глубины вышележащей воды и обозначается как $\rho (S,T,p)$. Зависимость от давления незначительна, поскольку морская вода практически совершенно несжимаема. Изменение температуры воды напрямую влияет на расстояние между водными участками. Когда температура воды увеличивается, расстояние между водными участками увеличивается и, следовательно, плотность уменьшается. Соленость – это мера массы растворенных твердых веществ, которые состоят в основном из соли. Увеличение солености приведет к увеличению плотности. Подобно тому, как пикноклин определяет слой с быстрым изменением плотности, аналогичные слои могут быть определены для быстрого изменения температуры и солености: термоклин и галоклин . Поскольку плотность зависит как от температуры, так и от солености, пикно-, термо- и галоклины имеют схожую форму. Разница в том, что плотность увеличивается с глубиной, тогда как соленость и температура уменьшаются с глубиной.

Гало-, термо- и пикноклин на 10E, 30S. Для этого изображения годовые средние значения за 2000 год из данных GODAS. был использован.

В океане наблюдается определенный диапазон температуры и солености. Используя данные GODAS, График температуры-солености может показать возможности и возникновение различных комбинаций солености и потенциальной температуры .

График потенциальной температуры – солености. Этот график был создан с использованием данных GODAS. 2020 года.

Возникновение сочетаний потенциальной температуры и солености в океане. Этот график был создан с использованием данных GODAS. 2020 года.

Плотность океанской воды описывается формулой ЮНЕСКО как: $$\rho ={\frac {\rho (S,T,0)}{1-{\frac {p}{K(S,T,p)}}}}.$$Члены этой формулы: плотность при нулевом давлении, $\rho (S,T,0)$и термин, включающий сжимаемость воды, $K(S,T,p)$, сильно зависят от температуры и в меньшей степени от солености: $${\begin{aligned}\rho (S,T,0)=\rho _{SMOW}+B_{1}S+C_{1}S^{1.5}+d_{0}S^{2},&\qquad K(S,T,p)=K(S,T,0)+A_{1}p+B_{2}p^{2},\end{aligned}}$$

Приземная температура, поверхностная соленость и поверхностная потенциальная плотность рассчитаны и нанесены на график с использованием среднегодовых значений за 2000 год по данным GODAS.

с: $${\begin{aligned}{}&\rho _{SMOW}=a_{0}+a_{1}T+a_{2}T^{2}+a_{3}T^{3}+a_{4}T^{4}+a_{5}T^{5},\\{}&B_{1}=b_{0}+b_{1}T+b_{2}T^{2}+b_{3}T^{3}+b_{4}T^{4},\\{}&C_{1}=c_{0}+c_{1}T+c_{2}T^{2},\\\end{aligned}}$$и $${\begin{aligned}{}&K(S,T,0)=K_{w}+F_{1}S+G_{1}S^{1.5},\\{}&K_{w}=e_{0}+e_{1}T+e_{2}T^{2}+e_{3}T^{3}+e^{4}T^{4},\\{}&F_{1}=f_{0}+f_{1}T+f_{1}T+f_{2}T^{2}+f_{3}T^{3},\\{}&G_{1}=g_{0}+g_{1}T+g_{2}T^{2},\\{}&A_{1}=A_{w}+(i_{0}+i_{1}T+i_{2}T^{2})S+j_{0}S^{1.5},\\{}&A_{w}=h_{0}+h_{1}T+h_{2}T^{2}+h_{3}T^{3},\\{}&B_{2}=B_{w}+(m_{0}+m_{1}T+m_{2}T^{2})S),\\{}&B_{w}=k_{0}+k_{1}T+k_{2}T^{2}.\end{aligned}}$$В этих формулах все строчные буквы, $a_{i},b_{i},c_{i},d_{0},e_{i},f_{i},g_{i},i_{i},j_{0},h_{i},m_{i}$ и ${\textstyle k_{i}}$ — это константы, определенные в Приложении А книги «Внутренние гравитационные волны», опубликованной в 2015 году.

Плотность больше зависит от температуры, чем от солености, что можно вывести из точной формулы и показать на графиках с использованием данных GODAS. На графиках температуры поверхности, солености и плотности видно, что места с самой холодной водой на полюсах также являются местами с самой высокой плотностью. С другой стороны, регионы с самой высокой соленостью не являются регионами с самой высокой плотностью, а это означает, что температура в основном влияет на плотность океанов. Конкретным примером является Аравийское море .

Количественная оценка

Стратификацию океана можно определить и количественно оценить по изменению плотности с глубиной. Частота плавучести , также называемая частотой Брунта-Вяйсяля , может использоваться как прямое представление стратификации в сочетании с наблюдениями за температурой и соленостью .

Частота плавучести, $N$, представляет собой собственную частоту внутренних гравитационных волн. Это означает, что вода, смещенная вертикально, имеет тенденцию подпрыгивать вверх и вниз с этой частотой.

Частота плавучести определяется следующим образом: $$N^{2}={\frac {-g}{\rho _{0}}}{\frac {\partial \rho }{\partial z}}.$$Здесь, $g$ гравитационная постоянная , $\rho _{0}$ является эталонной плотностью и $\rho$— потенциальная плотность, зависящая от температуры и солености, как обсуждалось ранее. Считается, что вода имеет устойчивую стратификацию. $\partial \rho /\partial z<0$, что приводит к реальной стоимости $N$. Океан обычно стабилен, и соответствующие $N$-значения в океане лежат примерно между $10^{-4}$ в бездонном океане и $10^{-3}$в верхних частях океана. Период плавучести определяется как $1/N$. В соответствии с предыдущими значениями этот период обычно занимает значения примерно от 10 до 100 минут. В некоторых частях океана появляется неустойчивая стратификация, приводящая к конвекции .

Если расслоение в толще воды увеличивается, что означает увеличение значения $N^{2}$турбулентное перемешивание и, следовательно, турбулентная вязкость уменьшатся. Кроме того, увеличение $N^{2}$, подразумевает увеличение $|\partial \rho /\partial z|$, а это означает, что разница плотностей в этой толще воды также увеличивается. В течение года стратификация океана непостоянна, так как стратификация зависит от плотности, а значит, от температуры и солености. В межгодовых колебаниях тропической стратификации Тихого океана преобладает Эль-Ниньо , что может быть связано с сильными изменениями глубины термоклина в восточной экваториальной части Тихого океана.

Кроме того, тропические штормы чувствительны к условиям стратификации и, следовательно, к ее изменению. С другой стороны, перемешивание тропических штормов также имеет тенденцию уменьшать стратификационные различия между слоями.

Наблюдения по

См. Также: Влияние изменения климата на океаны.

Изменения температуры и солености из-за глобального потепления и изменения климата изменяют плотность океана и приводят к изменениям в вертикальной стратификации. Слоистая конфигурация океана может выступать в качестве барьера для смешивания воды, что влияет на эффективность вертикального обмена тепла, углерода, кислорода и других компонентов. Земли Таким образом, стратификация является центральным элементом климатической системы . Глобальная стратификация верхних слоев океана продолжила тенденцию к увеличению в 2022 году и вошла в семерку крупнейших показателей за всю историю наблюдений.

За последние несколько десятилетий стратификация во всех океанических бассейнах усилилась. Более того, в южных океанах (к югу от 30° ю.ш.) наблюдалась самая сильная с 1960 года скорость стратификации, за ней следовали Тихий океан, Атлантический океан и Индийский океан. Когда верхняя часть океана становится более стратифицированной, смешанный слой поверхностных вод с однородной температурой может стать мельче, но прогнозируемые изменения глубины смешанного слоя к концу 21 века остаются спорными. Регионы с наиболее глубокими в настоящее время смешанными слоями связаны с наибольшим обмелением смешанных слоев, особенно бассейны Северной Атлантики и Южного океана.

Глядя на данные GODAS предоставленные NOAA/OAR/ESRL PSL, частоты плавучести можно найти с января 1980 года по март 2021 года включительно. Поскольку изменение стратификации в основном заметно в верхних 500 метрах океана, необходимы очень конкретные данные, чтобы увидеть это в сюжете. Полученные графики на основе данных GODAS могут указывать на снижение стратификации, если посмотреть на различия в стратификации между 1980, 2000 и 2020 годами. Можно увидеть, что изменение стратификации действительно является самым большим в первый год. 500 метров океана. Примерно на глубине 1000 метров в океан стратификация сходится к стабильному значению, и изменения в стратификации практически отсутствуют.

Годовые и широтные средние значения $N^{2}$для разных океанских бассейнов. Этот график был создан с использованием данных GODAS. 1980, 2000 и 2020 годов.

Изменение годовых и широтных средних значений $N^{2}$для разных океанских бассейнов. Этот график был создан с использованием данных GODAS. 1980, 2000 и 2020 годов.

Во многих научных статьях, журналах и блогах утверждается, что стратификация усилилась во всех океанских бассейнах (например, в Ecomagazine.com и новости NCAR и UCAR ). На рисунке ниже показаны тенденции изменения стратификации во всех океанических бассейнах. Эти данные показывают, что с годами расслоение резко возросло. Наибольшие изменения в стратификации наблюдаются в Южном океане, за ним следует Тихий океан. В Тихом океане увеличение стратификации в восточной экваториальной части оказалось больше, чем в западной экваториальной части. Вероятно, это будет связано с ослаблением пассатов и уменьшением апвеллинга в восточной части Тихого океана, что можно объяснить ослаблением циркуляции Уокера .

На этом рисунке показаны глобальные изменения в стратификации. $N^{2}$ с 1960 года по 2018 год от 0 до 2000 метров. (а) Глобальный, (б) Тихий океан, (в) Атлантический океан, (г) Индийский океан и (д) Южные океаны. Тонкие серые линии показывают межгодовые вариации. Небольшой график (а) показывает темпы $N^{2}$для глобального случая и для бассейнов. Это рассчитывается по центральным разностям сглаженного временного ряда (Glb: Глобальный, Pac: Тихоокеанский, Atl: Атлантический, So: Южный, Ind: Индийский). Тенденции были построены для различных наборов данных и обозначены разными линиями.

Причины и последствия

См. Также: Влияние изменения климата на океаны.

Температура и смешивание

Дополнительная информация: Температура океана.

Изменение температуры доминирует над растущей стратификацией, тогда как соленость играет роль только локально. Океан обладает необычайной способностью хранить и транспортировать большое количество тепла, углерода и пресной воды. Несмотря на то, что примерно 70% поверхности Земли состоит из воды, более 75% водообмена между поверхностью Земли и атмосферой происходит над океанами. Океан поглощает часть энергии солнечного света в виде тепла и первоначально поглощается поверхностью. Со временем часть этого тепла распространяется и на более глубокие воды. Парниковые газы поглощают дополнительную энергию Солнца, которая снова поглощается океанами, что приводит к увеличению количества тепла, хранимого океанами . Повышение температуры океанов происходит довольно медленно по сравнению с атмосферой.

Однако с 1993 года поглощение тепла океаном удвоилось, а с 1955 года океаны поглотили более 90% дополнительного тепла Земли. Температура океана, на глубине примерно 700 метров, повышается почти по всему земному шару. Усиление потепления в верхних слоях океана снижает плотность верхних ~500 м вод, тогда как более глубокие воды не испытывают такого сильного потепления и такого большого уменьшения плотности. Таким образом, стратификация в верхних слоях изменится сильнее, чем в нижних, и эти усиливающиеся вертикальные градиенты плотности действуют как барьеры, ограничивающие перемешивание между верхними слоями и глубоководными слоями.

Имеются ограниченные доказательства того, что сезонные различия в стратификации с годами стали больше.

Соленость

Соленость связана с разницей между испарением и осадками . Океанские течения играют важную роль в перемещении пресных и соленых вод и поддержании баланса.

Испарение приводит к тому, что вода становится более соленой и, следовательно, более плотной. Осадки имеют противоположный эффект, поскольку уменьшают плотность поверхностных вод. Следовательно, можно утверждать, что соленость играет более локальную роль в усилении стратификации, хотя она и менее выражена по сравнению с влиянием температуры. Например, соленость играет важную роль в субтропическом круговороте, северной (-восточной) части Тихого океана, Северной Атлантике и Арктике.

В Арктике уменьшение солености и, следовательно, плотности можно объяснить поступлением пресной воды из тающих ледников и ледяных щитов. Этот процесс и усиление расслоения в Арктике будут продолжаться при нынешних выбросах углерода.

Деоксигенация

Основная статья: Деоксигенация океана

Уменьшение содержания растворенного кислорода и, следовательно, поступления кислорода в недра океана является вероятным следствием усиления стратификации в верхних слоях океана. Поскольку кислород играет прямую и важную роль в круговороте углерода, азота и многих других элементов, таких как фосфор, железо и магний, деоксигенация будет иметь серьезные последствия. Он играет жизненно важную роль для многих организмов и разнообразия океанских животных всех видов.

Деоксигенация подземных вод обусловлена ​​уменьшением перемешивания океана, что вызвано усилением стратификации в верхних слоях океана. Например, в период между 1970 и 1990 годами примерно 15% деоксигенации можно объяснить повышением температуры, а остальную часть - уменьшением переноса из-за стратификации. В период с 1967 по 2000 год снижение концентрации кислорода на мелководье от 0 до 300 метров происходило в прибрежном океане в 10 раз быстрее, чем в открытом океане. Это привело к увеличению зон гипоксии , что может привести к изменению поведения водной флоры и фауны. Увеличение стратификации верхних слоев океана во второй половине XXI века может привести к разрыву связи между поверхностными и более глубокими океанами. Это разделение может также вызвать потерю кислорода в более глубоких слоях океана, поскольку разделение снижает вероятность попадания кислорода в более глубокие океаны.

Тем не менее, на изменение концентрации кислорода также могут влиять изменения циркуляции и ветра. И хотя содержание кислорода во многих районах океанов уменьшилось, оно также может локально увеличиваться из-за различных воздействий на кислород. Например, между 1990 и 2000 годами содержание кислорода в термоклине Индийского океана и южной части Тихого океана увеличилось.

Глубина смешанного слоя (MLD)

Дополнительная информация: Смешанный слой.

Поверхностный перемешанный слой является самым верхним слоем в океане и хорошо перемешивается за счет механического (ветер) и термического ( конвекция ) воздействия. Турбулентность в этом слое возникает в результате поверхностных процессов, например, ветрового перемешивания, поверхностных тепловых потоков и испарения. Смешанный слой по своей сути является слоем, наиболее связанным с атмосферой, и влияет на все погодные системы, особенно на те, которые имеют сильные ветры, такие как ураганы. . Тепло, накопленное в смешанном слое тропической западной части Тихого океана, играет жизненно важную роль в развитии Эль-Ниньо.

Глубина смешанного слоя связана с физическими, химическими и биологическими системами и является одной из важнейших величин в верхних слоях океана. В течение года глубина перемешанного слоя меняется. Толщина слоя увеличивается зимой и уменьшается летом. Если смешанный слой очень глубокий, фитопланктон может достичь меньшего количества света . Было показано, что фитопланктон играет важную роль в глобальном углеродном цикле. Более того, поскольку фитопланктон находится в самом низу пищевой цепи, уменьшение количества фитопланктона может иметь очень масштабные последствия.

Точная связь между увеличением расслоения и изменением глубины перемешанного слоя пока не установлена ​​и остается неопределенной. Хотя некоторые исследования предполагают, что более тонкий смешанный слой должен сопровождать более стратифицированные верхние слои океана. другие работы сообщают о сезонном углублении смешанного слоя с 1970 года. Имеется литература, обосновывающая утверждение, что за период с 1970 по 2018 годы увеличилась расслоенность в основании перемешанного слоя, а также глубина перемешанного слоя. Вопреки этому результату, в другой литературе утверждается об уменьшении глубины перемешанного слоя отчасти в результате увеличения стратификации верхних слоев океана. Было обнаружено, что смешанный слой в продолжении течения Куросио на западной стороне северной части Тихого океана уменьшился более чем на 30 метров. Это обмеление вызвано ослаблением ветра и уменьшением сезонного вертикального перемешивания. Более того, существуют исследования, утверждающие, что нагрев поверхности океана и, следовательно, усиление стратификации не обязательно означает увеличение или уменьшение глубины перемешанного слоя. Использование данных GODAS видно, что глубина перемешанного слоя со временем как увеличивалась, так и уменьшалась.

В период с 1970 по 2018 год глубина смешанного слоя в летнее время (MLD) увеличивалась на 2,9 ± 0,5% за десятилетие (или от 5 до 10 м за десятилетие, в зависимости от региона), а наибольшее углубление наблюдалось в Южном океане. Тем не менее, существуют ограниченные данные наблюдений о том, что смешанный слой глобально углубляется, и только при сценариях сильных выбросов парниковых газов глубина глобального смешанного слоя в 21 веке становится мелкой. Хотя практически несомненно, что стратификация верхних слоев океана увеличится в XXI веке, ученые выражают низкую уверенность в том, как будет развиваться глубина смешанного слоя.

Среднегодовые значения и изменение средних годовых значений глубины смешанного слоя за 1980, 2000 и 2020 годы. Этот график был построен с использованием данных GODAS.

Идентификация регионов с увеличением и уменьшением среднегодовых значений глубины смешанного слоя в 1980, 2000 и 2020 годах. Этот график был построен с использованием данных GODAS.

См. также

• Стратификация озера - разделение воды в озере на отдельные слои.
• Содержание тепла в океане