Термохалинное кровообращение - Thermohaline circulation

Краткое изложение пути термохалинной циркуляции. Синие пути представляют собой глубоководные течения, а красные пути - поверхностные.
Термохалинное кровообращение

Термохалинное кровообращение (THC) является частью масштабной циркуляция океана это обусловлено глобальными градиенты плотности создается поверхностным теплом и пресной водой потоки.[1][2] Прилагательное термохалин происходит от термо- ссылаясь на температура и -халин ссылаясь на содержание соли факторы, которые вместе определяют плотность морской воды. ветер -приведенные поверхностные токи (такие как Гольфстрим ) путешествовать полюс от экваториального Атлантический океан, охлаждение в пути и, в конечном итоге, опускание на широты (формирование Глубокие воды Северной Атлантики ). Затем эта плотная вода течет в бассейны океана. Хотя основная его часть апвеллы в Южный океан, древнейшие воды (время прохождения около 1000 лет)[3] upwell в северной части Тихого океана.[4] Таким образом, между океанскими бассейнами происходит обширное перемешивание, уменьшая различия между ними и делая Мировой океан - глобальная система. Вода в этих контурах переносит энергию (в виде тепла) и массу (растворенные твердые вещества и газы) по всему земному шару. Таким образом, состояние кровообращения имеет большое влияние на климат земли.

Термохалинную циркуляцию иногда называют океанской конвейерной лентой, великим океанским конвейером или глобальной конвейерной лентой. Иногда он используется для обозначения меридиональный опрокидывание циркуляции (часто сокращенно MOC). Период, термин MOC является более точным и хорошо определенным, так как трудно отделить ту часть циркуляции, которая зависит от температуры и соленость в одиночку, в отличие от других факторов, таких как ветер и приливные силы.[5] Более того, градиенты температуры и солености также могут приводить к эффектам циркуляции, которые не учитываются в самой МОЦ.

Обзор

Глобальная конвейерная лента на карте непрерывного океана

Движение поверхностных течений, вызванных ветром, довольно интуитивно понятно. Например, ветер легко создает рябь на поверхности пруда. Таким образом, ранние океанографы считали глубокий океан, лишенный ветра, совершенно статичным. Однако современные приборы показывают, что скорости течений в глубоководных массах могут быть значительными (хотя и намного меньше, чем у поверхности). Как правило, скорость океанской воды колеблется от долей сантиметров в секунду (в глубине океанов) до иногда более 1 м / с в поверхностных течениях, таких как Гольфстрим и Куросио.

В глубоком океане преобладающей движущей силой являются различия в плотность, вызванные изменениями солености и температуры (увеличение солености и понижение температуры жидкости увеличивают ее плотность). Часто возникает путаница по поводу компонентов циркуляции, которые зависят от ветра и плотности.[6][7] Обратите внимание, что океанские течения из-за приливы также значимы во многих местах; Наиболее заметные в относительно мелководных прибрежных районах, приливные течения также могут быть значительными в глубоководных районах океана. В настоящее время считается, что они облегчают процессы смешивания, особенно диапиктическое смешивание.[8]

Плотность океанской воды не является однородной в глобальном масштабе, но варьируется значительно и дискретно. Между водные массы которые формируются на поверхности и впоследствии сохраняют свою индивидуальность в океане. Но эти резкие границы не следует воображать пространственно, а скорее T-S-диаграмма где выделяются водные массы. Они занимают положение друг над другом в зависимости от плотность, который зависит как от температуры, так и от солености.

Теплая морская вода расширяется и поэтому менее плотная, чем более холодная морская вода. Более соленая вода более плотная, чем более свежая вода, потому что растворенные соли заполняют промежутки между молекулами воды, что приводит к увеличению массы на единицу объема. Более легкий водные массы плавать над более плотными (так же, как кусок дерева или льда будет плавать по воде, см. плавучесть ). Это известно как «стабильная стратификация» в отличие от нестабильной стратификации (см. Частоту Бранта-Вяйсяля).[требуется разъяснение ] где более плотные воды расположены над менее плотными водами (см. конвекция или глубокая конвекция, необходимая для образования водной массы). Когда плотные водные массы образуются впервые, они не стратифицированы стабильно, поэтому они стремятся занять правильное вертикальное положение в соответствии с их плотностью. Это движение называется конвекцией, оно упорядочивает расслоение под действием гравитации. Под влиянием градиентов плотности это создает главную движущую силу глубинных океанских течений, таких как глубокое западное пограничное течение (DWBC).

Термохалинная циркуляция в основном обусловлена ​​образованием глубоководных масс в Северной Атлантике и Южный океан вызвано перепадами температуры и солености воды.

Большое количество плотной воды, опускающейся в высоких широтах, должно быть компенсировано равным количеством воды, поднимающейся в других местах. Обратите внимание, что холодная вода в полярных зонах относительно быстро опускается на небольшую территорию, тогда как теплая вода в умеренных и тропических зонах поднимается более постепенно на гораздо большей площади. Затем он медленно возвращается к полюсу к поверхности, чтобы повторить цикл. Непрерывный диффузный подъем глубокой воды поддерживает существование постоянного термоклина, обнаруживаемого повсюду в низких и средних широтах. Эта модель была описана Генри Стоммелем и Арнольдом Б. Аронсом в 1960 году и известна как коробчатая модель Стоммеля-Аронса для MOC.[9] Это медленное восходящее движение составляет примерно 1 сантиметр (0,5 дюйма) в день над большей частью океана. Если бы это повышение остановилось, движение тепла вниз вызвало бы термоклин спуститься и уменьшить его крутизну.

Формирование глубоководных масс

Плотные водные массы, погружающиеся в глубокие бассейны, формируются в довольно специфических областях Североатлантический и Южный океан. В Северной Атлантике морская вода на поверхности океана сильно охлаждается ветром и низкими температурами окружающего воздуха. Ветер, движущийся над водой, также вызывает сильное испарение, что приводит к снижению температуры, называемому охлаждение испарением связано со скрытой теплотой. При испарении удаляются только молекулы воды, что приводит к увеличению солености оставшейся морской воды и, таким образом, к увеличению плотности водной массы вместе с понижением температуры. в Норвежское море испарительное охлаждение преобладает, и тонущая водная масса, Глубокие воды Северной Атлантики (NADW), заполняет бассейн и разливается на юг через трещины в подводные пороги это соединение Гренландия, Исландия и Великобритания которые известны как Гренландия-Шотландия-хребет. Затем он очень медленно течет в глубину абиссальные равнины Атлантики, всегда в южном направлении. Поток из Арктический океан Однако бассейн в Тихом океане заблокирован узкими отмелями Берингов пролив.

Влияние температуры и солености на максимум плотности морской воды и температуру замерзания морской воды.

в Южный океан, сильный стоковые ветры ветер с антарктического континента на шельфовые ледники взорвет новообразованные морской лед прочь, открытие полыньи Вдоль побережья. Океан, больше не защищенный морским льдом, испытывает жестокое и сильное похолодание (см. полынья ). Между тем морской лед начинает преобразовываться, поэтому поверхностные воды также становятся более солеными, а значит, очень плотными. Фактически, образование морского льда способствует увеличению солености поверхностной морской воды; соленый рассол остается позади, так как вокруг него образуется морской лед (чистая вода предпочтительно замораживается). Повышение солености снижает температуру замерзания морской воды, поэтому холодный жидкий рассол образуется во включениях в сотах изо льда. Рассол постепенно растапливает лед прямо под ним, в конечном итоге капая из ледяной матрицы и опускаясь. Этот процесс известен как отказ от рассола.

Результирующий Донные воды Антарктики (AABW) тонет и течет на север и восток, но настолько плотный, что фактически опускается ниже NADW. AABW сформирована в Море Уэдделла в основном заполнит Атлантический и Индийский бассейны, в то время как ААДВ сформировалась в Море Росса потечет к Тихому океану.

Плотные водные массы, образованные в результате этих процессов, текут вниз по дну океана, как поток в окружающей менее плотной жидкости, и заполняют бассейны полярных морей. Так же, как долины рек направляют ручьи и реки на континенты, рельеф дна ограничивает глубинные и придонные водные массы.

Обратите внимание, что, в отличие от пресной воды, морская вода не имеет максимума плотности при 4 ° C, но становится более плотным по мере охлаждения до температуры замерзания примерно -1,8 ° C. Однако эта точка замерзания является функцией солености и давления, и, таким образом, -1,8 ° C не является общей температурой замерзания для морской воды (см. Диаграмму справа).

Движение глубоководных масс

Поверхностные воды текут на север и опускаются в густой океан около Исландии и Гренландии. Он присоединяется к глобальной термохалинной циркуляции в Индийском океане, а Антарктическое циркумполярное течение.[10]

Формирование и движение глубинных водных масс в северной части Атлантического океана создает тонущие водные массы, которые заполняют бассейн и очень медленно текут в глубокие абиссальные равнины Атлантического океана. Это охлаждение в высоких широтах и ​​нагревание в низких широтах приводят к движению глубинных вод в полярном южном потоке. Глубокая вода течет через Антарктический океан Бассейн вокруг Южная Африка где он разделен на два маршрута: один на Индийский океан и одно прошлое Австралия в Тихий океан.

В Индийском океане некоторая часть холодной и соленой воды из Атлантики - привлеченная потоком более теплой и свежей воды верхнего слоя океана из тропической части Тихого океана - вызывает вертикальный обмен плотной, тонущей воды с более легкой водой выше. Он известен как переворачивание. В Тихом океане остальная часть холодной и соленой воды Атлантического океана подвергается халинному воздействию и быстрее становится теплее и свежее.

Из-за истечения из дна холодной и соленой воды уровень моря в Атлантике немного ниже, чем в Тихом, а соленость или хелинность воды в Атлантике выше, чем в Тихом. Это создает большой, но медленный поток более теплой и свежей воды верхнего слоя океана из тропической части Тихого океана в Индийский океан сквозь Индонезийский архипелаг заменить холодный и соленый Донные воды Антарктики. Это также известно как «халинное воздействие» (чистый приток пресной воды в высоких широтах и ​​испарение в низких широтах). Эта более теплая и свежая вода из Тихого океана течет вверх через Южная Атлантика к Гренландия, где остывает и подвергается охлаждение испарением и опускается на дно океана, обеспечивая непрерывную термохалинную циркуляцию.[11]

Следовательно, недавнее и популярное название термохалинной циркуляции, подчеркивающее вертикальный характер и полюсный характер этого вида циркуляции океана, - это меридиональная опрокидывающаяся циркуляция.

Количественная оценка

Прямые оценки силы термохалинной циркуляции были сделаны на 26,5 ° с.ш. в Северной Атлантике с 2004 года в рамках британо-американской программы RAPID.[12] Комбинируя прямые оценки океанского переноса с использованием измерителей тока и измерений подводного кабеля с оценками геострофическое течение на основе измерений температуры и солености программа RAPID обеспечивает непрерывные, по всей глубине, по всему бассейну оценки термохалинной циркуляции или, точнее, меридиональной опрокидывающейся циркуляции.

Глубинные водные массы, которые участвуют в МОС, имеют химические характеристики, температуру и изотопные соотношения, и их можно проследить, рассчитать их расход и определить их возраст. 231Па / 230Чт соотношения.

Гольфстрим

Основная статья: Гольфстрим
Бенджамин Франклин карта Гольфстрим

В Гольфстрим вместе с его северным расширением в сторону Европы, Североатлантический дрейф, мощный, теплый и быстрый Атлантический океаническое течение что происходит на вершине Флорида, и следует вдоль восточного побережья Соединенные Штаты и Ньюфаундленд перед пересечением Атлантического океана. Процесс западная интенсификация заставляет Гольфстрим быть ускоряющимся на север потоком у восточного побережья Северная Америка.[13] Примерно 40 ° 0′N 30 ° 0′з.д. / 40.000 ° с.ш. 30.000 ° з.д. / 40.000; -30.000, он разделяется на две части, и северный поток пересекает Северная Европа и рециркуляция южного ручья Западная Африка. Гольфстрим влияет на климат восточного побережья Северной Америки от Флориды до Ньюфаундленда и западного побережья Северной Америки. Европа. Несмотря на недавние дебаты, все согласны с тем, что климат западная Европа и Северная Европа теплее, чем в противном случае, из-за Дрейф Северной Атлантики,[14][15] один из ответвлений от хвоста Гольфстрима. Это часть Североатлантический круговорот. Его присутствие привело к развитию сильных циклоны всех типов, как в пределах атмосфера и внутри океан. Гольфстрим также является значительным потенциальным источником возобновляемая энергия поколение.[16][17]

Апвеллинг

Основная статья: Апвеллинг

Все эти плотные водные массы, опускающиеся в океанические бассейны, вытесняют более старые глубоководные массы, которые стали менее плотными в результате перемешивания океанов. Для поддержания баланса вода должна подниматься в другом месте. Однако из-за того, что этот термохалинный апвеллинг настолько распространен и размыт, его скорость очень мала даже по сравнению с движением придонных водных масс. Поэтому трудно измерить, где происходит апвеллинг, используя текущие скорости, учитывая все другие ветровые процессы, происходящие на поверхности океана. Глубокие воды имеют свою собственную химическую подпись, образовавшуюся в результате разложения твердых частиц, попадающих в них в ходе их долгого путешествия на глубину. Ряд ученых пытались использовать эти индикаторы, чтобы определить, где происходит апвеллинг.

Уоллес Брокер, используя боксовые модели, утверждал, что основная часть глубокого апвеллинга происходит в северной части Тихого океана, используя в качестве доказательства высокие содержания кремния, обнаруженные в этих водах. Другие следователи не нашли столь убедительных доказательств. Компьютерные модели океанской циркуляции все чаще определяют большую часть глубокого апвеллинга в Южном океане,[18] связаны с сильными ветрами в открытых широтах между Южной Америкой и Антарктидой. Хотя эта картина согласуется с глобальным синтезом наблюдений Уильяма Шмитца в Вудс-Холе и с низкими наблюдаемыми значениями диффузии, не все результаты наблюдений согласуются. Недавние статьи Линн Тэлли на Институт океанографии Скриппса и Бернадетт Слоян и Стивен Ринтул из Австралии предполагают, что значительное количество плотной глубоководной воды должно быть преобразовано в легкую воду где-то к северу от Южного океана.

Влияние на глобальный климат

Термохалинная циркуляция играет важную роль в обеспечении теплом полярных регионов и, таким образом, в регулировании количества морского льда в этих регионах, хотя перенос тепла за пределы тропиков к полюсам в атмосфере значительно больше, чем в океане.[19] Считается, что изменения в термохалинной циркуляции оказывают значительное влияние на радиационный баланс.

Большой приток талой воды низкой плотности из Озеро Агассис и дегляциация в Северная Америка считается, что это привело к смещению глубоководных образований и опусканию в крайней Северной Атлантике и вызвало климатический период в Европе, известный как Младший дриас.[20]

Отключение термохалинной циркуляции

Основная статья: Отключение термохалинной циркуляции
Смотрите также: Дегляциация и Холодная капля (Северная Атлантика)

В 2005 году британские исследователи заметили, что чистый сток северных Гольфстрим снизилась примерно на 30% с 1957 года. По совпадению, ученые из Вудс-Хоул измеряли опреснение Северной Атлантики как Земля становится теплее. Их результаты показали, что количество осадков увеличивается в высоких северных широтах и полярный лед как следствие тает. Затопив северные моря огромным количеством дополнительной пресной воды, глобальное потепление теоретически могло бы отклонить воды Гольфстрима, которые обычно текут на север, мимо Британских островов и Норвегия, и заставить их вместо этого двигаться к Экватор. Если бы это произошло, климат Европы был бы серьезно затронут.[21][22][23]

Спад AMOC (Атлантическая меридиональная опрокидывающаяся циркуляция ), был привязан к экстремальным региональным повышение уровня моря.[24]

В 2013 году неожиданное значительное ослабление THC привело к один из самых тихих сезонов ураганов в Атлантике с 1994 г.. Основная причина бездействия была вызвана продолжением весеннего режима в Атлантическом бассейне.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Рамсторф, S (2003). «Понятие термохалинной циркуляции» (PDF). Природа. 421 (6924): 699. Bibcode:2003Натура.421..699р. Дои:10.1038 / 421699a. PMID  12610602. S2CID  4414604.
  2. ^ Лаппо, СС (1984). «По причине адвекции тепла на север через экватор в южной части Тихого океана и Атлантического океана». Изучение процессов взаимодействия океана и атмосферы. Московское управление Гидрометеоиздата (на мандаринском языке): 125–9.
  3. ^ Конвейерная лента глобального океана - это постоянно движущаяся система глубоководной циркуляции океана, управляемая температурой и соленостью; Что такое конвейерная лента мирового океана?
  4. ^ Primeau, F (2005). «Описание переноса между поверхностным смешанным слоем и внутренней частью океана с помощью прямой и смежной глобальной океанской модели переноса» (PDF). Журнал физической океанографии. 35 (4): 545–64. Bibcode:2005JPO .... 35..545P. Дои:10.1175 / JPO2699.1.
  5. ^ Вунш, С (2002). «Что такое термохалинная циркуляция?». Наука. 298 (5596): 1179–81. Дои:10.1126 / science.1079329. PMID  12424356. S2CID  129518576.
  6. ^ Wyrtki, K (1961). «Термохалинная циркуляция по отношению к общей циркуляции в Мировом океане». Глубоководные исследования. 8 (1): 39–64. Bibcode:1961DSR ..... 8 ... 39Вт. Дои:10.1016/0146-6313(61)90014-4.
  7. ^ Шмидт, Г., 2005, Замедление Гольфстрима?, RealClimate
  8. ^ Иден, Карстен (2012). Ocean Dynamics. Springer. стр.177. ISBN  978-3-642-23449-1.
  9. ^ Стоммель, Х., Аронс, А. Б. (1960). О глубинной циркуляции Мирового океана. - I. Стационарные планетарные схемы обтекания сферы. Deep Sea Research (1953), 6, 140-154.
  10. ^ Термохалинная циркуляция - конвейерный пояс Великого океана Студия научной визуализации НАСА, визуализации Грега Шираха, 8 октября 2009 г. Эта статья включает текст из этого источника, который находится в всеобщее достояние.
  11. ^ Программа ООН по окружающей среде / ГРИД-Арендал, 2006 г., [1]. Возможное влияние изменения климата
  12. ^ «БЫСТРЫЙ: мониторинг меридиональной перевернутой циркуляции Атлантики на 26,5 с.ш. с 2004 года».
  13. ^ Национальная служба спутников, данных и информации по окружающей среде (2009 г.). Исследование Гольфстрима В архиве 3 мая 2010 г. Wayback Machine. Университет штата Северная Каролина Проверено 6 мая 2009 г.
  14. ^ Хеннесси (1858). Отчет годового собрания: О влиянии Гольфстрима на климат Ирландии. Ричард Тейлор и Уильям Фрэнсис. Получено 6 января 2009.
  15. ^ «Спутники фиксируют ослабление воздействия течения в Северной Атлантике». НАСА. Получено 10 сентября 2008.
  16. ^ Институт экологических исследований и образования. Tidal.pdf В архиве 11 октября 2010 г. Wayback Machine Проверено 28 июля, 2010.
  17. ^ Джереми Элтон Жако. Приливная энергия Гольфстрима может обеспечить до трети энергии Флориды Проверено 21 сентября 2008 г.
  18. ^ Маршалл, Джон; Спир, Кевин (26 февраля 2012 г.). «Прекращение меридиональной опрокидывающей циркуляции через апвеллинг Южного океана». Природа Геонауки. 5 (3): 171–180. Bibcode:2012НатГе ... 5..171М. Дои:10.1038 / ngeo1391.
  19. ^ Тренберт, К; Карон, Дж (2001). «Оценки меридионального переноса тепла в атмосфере и океане». Журнал климата. 14 (16): 3433–43. Bibcode:2001JCli ... 14.3433T. Дои:10.1175 / 1520-0442 (2001) 014 <3433: EOMAAO> 2.0.CO; 2.
  20. ^ Брокер, WS (2006). «Был ли младший дриас вызван наводнением?». Наука. 312 (5777): 1146–8. Дои:10.1126 / science.1123253. PMID  16728622. S2CID  39544213.
  21. ^ Гаррисон, Том (2009). Океанография: приглашение к морским наукам (7-е изд.). Cengage Learning. п. 582. ISBN  9780495391937.
  22. ^ Bryden, H.L .; Х. Р. Лонгворт; Каннингем С.А. (2005). «Замедление меридиональной опрокидывающей циркуляции Атлантики на 25 ° с.ш.». Природа. 438 (7068): 655–657. Bibcode:2005Натура.438..655Б. Дои:10.1038 / природа04385. PMID  16319889. S2CID  4429828.
  23. ^ Curry, R .; К. Мауритцен (2005). «Размывание северной части Северной Атлантики в последние десятилетия». Наука. 308 (5729): 1772–1774. Bibcode:2005Sci ... 308.1772C. Дои:10.1126 / science.1109477. PMID  15961666. S2CID  36017668.
  24. ^ Цзяньцзюнь Инь; Стивен Гриффис (25 марта 2015 г.). «Событие экстремального повышения уровня моря связано с спадом AMOC». КЛИВАР.

Другие источники

внешние ссылки