Смешанный слой - Mixed layer

Глубина смешанного слоя в зависимости от температуры, а также по отношению к разным месяцам года
Глубина смешанного слоя в зависимости от месяца в году, а также от температуры

Океанический или лимнологический смешанный слой - это слой, в котором активная турбулентность усреднила 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. Атмосферный смешанный слой представляет собой зону, имеющую почти постоянную потенциальную температуру и удельную влажность с высотой. Глубина атмосферного перемешанного слоя называется высотой перемешивания . Турбулентность обычно играет роль в образовании жидких смешанных слоев.

Океанический смешанный слой

Важность смешанного слоя

Смешанный слой играет важную роль в физическом климате. Поскольку удельная теплоемкость воды в океане намного больше, чем у воздуха, верхние 2,5 м океана содержат столько же тепла, сколько и вся атмосфера над ними. Таким образом, тепла, необходимого для изменения смешанного слоя 2,5 м на 1 ° C, будет достаточно для повышения температуры атмосферы на 10 ° C. Таким образом, глубина смешанного слоя очень важна для определения диапазона температур в океанических и прибрежных районах. Кроме того, тепло, хранящееся в смешанном океаническом слое, является источником тепла, которое вызывает глобальную изменчивость, такую ​​как Эль-Ниньо .

Смешанный слой также важен, поскольку его глубина определяет средний уровень света, видимого морскими организмами. В очень глубоких смешанных слоях крошечные морские растения, известные как фитопланктон , не могут получать достаточно света для поддержания своего метаболизма. Таким образом, углубление смешанного слоя зимой 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 мелеет и уровень освещенности увеличивается, часто происходит сопутствующее увеличение биомассы фитопланктона, известное как «весеннее цветение».

Формирование океанического смешанного слоя

Есть три основных источника энергии для турбулентного перемешивания в перемешанном слое открытого океана. Первый - это океанские волны, которые действуют двояко. Первый - это возникновение турбулентности у поверхности океана, которая перемещает легкую воду вниз. Хотя этот процесс вводит много энергии в верхние несколько метров, большая ее часть относительно быстро рассеивается. Если океанские течения меняются с глубиной, волны могут взаимодействовать с ними, вызывая процесс, известный как циркуляция Ленгмюра , большие водовороты, которые опускаются на глубину до десятков метров. Второй - это ветровые течения, которые создают слои, в которых есть сдвиги скорости. Когда эти ножницы достигают достаточной величины, они могут разъедать слоистую жидкость. Этот процесс часто описывается и моделируется как пример нестабильности Кельвина-Гельмгольца , хотя другие процессы также могут играть роль. Наконец, если охлаждение, добавление рассола из замерзающего морского льда или испарение на поверхности вызывает увеличение поверхностной плотности, возникает конвекция . Самые глубокие смешанные слои (превышающие 2000 м в таких регионах, как Лабрадорское море ) формируются в результате этого заключительного процесса, который является формой неустойчивости Рэлея – Тейлора . Ранние модели смешанного слоя, такие как модели Меллора и Дурбина, включали два последних процесса. В прибрежных зонах большие скорости из-за приливов также могут играть важную роль в создании смешанного слоя.

Смешанный слой характеризуется почти однородными свойствами, такими как температура и соленость по всему слою. Однако скорости могут проявлять значительные сдвиги в смешанном слое. Дно смешанного слоя характеризуется градиентом , при котором свойства воды меняются. Океанографы используют различные определения числа, чтобы использовать его как глубину смешанного слоя в любой момент времени, основываясь на измерениях физических свойств воды. Часто резкое изменение температуры, называемое термоклином, отмечает дно смешанного слоя; иногда также может происходить резкое изменение солености, называемое галоклином . Совместное влияние изменений температуры и солености приводит к резкому изменению плотности, или пикноклина . Кроме того, резкие градиенты содержания питательных веществ (нутриклин) и кислорода (оксиклин) и максимум концентрации хлорофилла часто совмещаются с основанием сезонного смешанного слоя.

Определение глубины смешанного слоя океана

Климатология смешанной глубины слоя для северной зимы (верхнее изображение) и северного лета (нижнее изображение).

Глубина перемешанного слоя часто определяется гидрографией - измерениями свойств воды. Два критерия часто используются для определения глубины смешанного слоя являются температура и сигма- т (плотность) изменение по сравнению с контрольным значением (обычно измерение поверхности). Температурный критерий, используемый Левитусом (1982), определяет смешанный слой как глубину, на которой изменение температуры от температуры поверхности составляет 0,5 ° C. Сигма- т (плотность) критерий , используемый в Levitus использует глубину , на которой изменение от поверхности сигма - т произошло 0,125. Ни один из критериев не означает, что активное перемешивание происходит на глубине перемешанного слоя все время. Скорее, глубина смешанного слоя, оцененная по гидрографии, является мерой глубины, до которой происходит перемешивание в течение нескольких недель.

Пример толщины барьерного слоя для профиля Арго, сделанного 31 января 2002 г. в тропической зоне Индийского океана. Красная линия - это профиль плотности, черная линия - температура, синяя линия - соленость. Глубина одного смешанного слоя, D T-02 , определяется как глубина, на которой температура поверхности понижается на 0,2 ° C (черная пунктирная линия). Плотность смешанного слоя D sigma составляет 40 м (красная пунктирная линия) и определяется как поверхностная плотность плюс разница плотностей, вызванная увеличением температуры на 0,2 ° C. Выше D сигма вода одновременно изотермическая и изогалинная. Разница между D T-02 минус D сигма - это толщина барьерного слоя (синие стрелки на рисунке) [1] .

Толщина барьерного слоя

Толщина барьерного слоя (BLT) - это слой воды, отделяющий хорошо перемешанный поверхностный слой от термоклина . 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 в западной экваториальной части Тихого океана. В регионах, где присутствует барьерный слой, стратификация является стабильной из-за сильного воздействия плавучести, связанного с пресной (т. Е. Более плавучей) водной массой, находящейся поверх водной толщи.

В прошлом типичным критерием MLD была глубина, на которой температура поверхности остывала за счет некоторого отклонения температуры от значений на поверхности. Например, Левитус использовал 0,5 ° C. В примере справа 0,2 ° C используется для определения MLD (т.е. D T-02 на рисунке). До того, как Арго стало известно о значительных значениях подповерхностной солености , это была основная методология расчета океанической MLD. Совсем недавно критерий плотности использовался для определения MLD. MLD на основе плотности определяется как глубина, на которой плотность увеличивается по сравнению с поверхностным значением из-за заданного снижения температуры на некоторое значение (например, 0,2 ° C) от поверхностного значения при сохранении постоянного значения поверхностной солености. (т.е. D T-02 - D sigma ).

Режимы BLT

Большие значения BLT обычно встречаются в экваториальных областях и могут достигать 50 м. Выше барьерного слоя хорошо перемешанный слой может быть вызван местными осадками, превышающими испарение (например, в западной части Тихого океана), речным стоком, связанным с муссонами (например, в северной части Индийского океана), или адвекцией соленой воды, субдуцированной в субтропиках (обнаружено в все субтропические океанские круговороты ). Формирование барьерного слоя в субтропиках связано с сезонным изменением глубины смешанного слоя, более резким градиентом солености морской поверхности (SSS), чем обычно, и субдукцией на этом фронте SSS. В частности, барьерный слой формируется зимой на экваториальном фланге максимумов субтропической солености. В начале зимы атмосфера охлаждает поверхность, а сильный ветер и отрицательная плавучесть повышают температуру до глубокого слоя. В то же время свежая поверхностная соленость переносится из дождливых регионов тропиков. Глубокий температурный слой наряду с сильной стратификацией по солености создает условия для образования барьерного слоя.

Для западной части Тихого океана механизм образования барьерного слоя иной. Вдоль экватора, восточный край теплого бассейна (обычно 28 ° C изотермы - см SST участок в западной части Тихого океана) представляет собой область , граница между теплой пресной водой на запад и холод, соленый, upwelled воды в центральной части Тихого океана. Барьерный слой образуется в изотермическом слое, когда соленая вода погружается (т. Е. Более плотная водная масса движется ниже другой) с востока в теплый бассейн из-за локального схождения, или теплая пресная вода перекрывает более плотную воду на востоке. Здесь слабые ветры, обильные осадки, адвекция воды с низкой соленостью на восток, субдукция соленой воды на запад и нисходящие экваториальные волны Кельвина или Россби являются факторами, которые способствуют формированию глубокой BLT.

Важность BLT

До Эль-Ниньо теплый бассейн накапливал тепло и ограничивался далекой западной частью Тихого океана. Во время Эль-Ниньо теплый бассейн мигрирует на восток вместе с сопутствующими осадками и текущими аномалиями. Выборки из западных ветров увеличиваются в течение этого времени, усиливая событие. Используя данные с корабля возможностей и причалов тропической атмосферы и океана (TAO) в западной части Тихого океана, в течение 1992-2000 годов прослеживалась миграция теплого бассейна на восток и запад с использованием солености морской поверхности (SSS), температуры поверхности моря (SST). , течения и геологические данные из проводимости, температуры и глубины, взятые в различных исследовательских экспедициях. Эта работа показала, что во время западного течения BLT в западной части Тихого океана вдоль экватора (138 o E-145 o E, 2 o N-2 o S) находилась между 18 м - 35 м, что соответствует теплой ТПО и служит эффективным механизм хранения тепла. Формирование барьерного слоя вызывается западными (т. Е. Сходящимися и погружающимися) течениями вдоль экватора около 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 / более плотной воды на востоке. Используя связанные модели атмосферы / океана и настройку смешивания для исключения BLT за год до Эль-Ниньо, было показано, что накопление тепла, связанное с барьерным слоем, является требованием для большого Эль-Ниньо. Было показано, что существует тесная взаимосвязь между SSS и SST в западной части Тихого океана, а барьерный слой играет важную роль в поддержании тепла и количества движения в теплом бассейне внутри стратифицированного по солености слоя. Более поздние работы, в том числе дрифтеры Арго, подтверждают связь между миграцией теплого бассейна на восток во время Эль-Ниньо и накоплением тепла в барьерном слое в западной части Тихого океана. Основное воздействие барьерного слоя - поддержание неглубокого смешанного слоя, обеспечивающего улучшенный отклик в сочетании с воздухом и морем. Кроме того, BLT является ключевым фактором в установлении среднего состояния, которое нарушается во время Эль-Ниньо / Ла-Нинья.

Лимнологическое образование смешанного слоя

Формирование смешанного слоя в озере аналогично образованию в океане, но смешение более вероятно в озерах исключительно из-за молекулярных свойств воды . Вода меняет плотность при изменении температуры. В озерах температурная структура осложняется тем фактом, что самая тяжелая пресная вода составляет 3,98 ° C (градуса Цельсия). Таким образом, в озерах, где поверхность становится очень холодной, смешанный слой весной на короткое время простирается до дна, когда поверхность нагревается, а осенью, когда поверхность остывает. Это переворачивание часто важно для поддержания оксигенации очень глубоких озер.

Изучение лимнологии охватывает все внутренние водоемы, в том числе водоемы с солью. В соленых озерах и морях (таких как Каспийское море) образование смешанного слоя обычно ведет себя аналогично океану.

Формирование атмосферного смешанного слоя

Атмосферный смешанный слой является результатом конвективных движений воздуха, которые обычно наблюдаются ближе к середине дня, когда воздух у поверхности нагревается и поднимается вверх. Таким образом, он смешан неустойчивостью Рэлея – Тейлора . Стандартная процедура определения глубины смешанного слоя заключается в исследовании 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 повышение давления включает сжатие воздуха, потенциальная температура выше, чем температура на месте, причем разница увеличивается по мере того, как человек поднимается выше в атмосфере. Атмосферный смешанный слой определяется как слой (приблизительно) постоянной потенциальной температуры или слой, в котором температура падает со скоростью приблизительно 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 смешанном слое атмосферы.

Рекомендации

  • Mellor, GL; Дурбин, П.А. (1975). «Структура и динамика перемешанного слоя поверхности океана» . Журнал физической океанографии . 5 (4): 718–728. Bibcode : 1975JPO ..... 5..718M . DOI : 10,1175 / 1520-0485 (1975) 005 <0718: TSADOT> 2.0.CO; 2 .

Внешние ссылки

  • Снежный эффект озера для ссылки на изображение НАСА со спутника SeaWiFS, показывающее облака в атмосферном смешанном слое.
  • Посетите веб-сайт Ifremer / Los Mixed Layer Depth Climatology по адресу Redirection, чтобы получить доступ к актуальной океанской климатологии смешанных слоев глубины, данным, картам и ссылкам.

дальнейшее чтение

  • Уоллес, Джон Майкл; Хоббс, Питер Виктор (2006). Наука об атмосфере: вводный обзор (2-е изд.). Академическая пресса. п. 483. ISBN. 9780127329512.