9.8: Термохалінна циркуляція

Поверхневі течії, про які ми говорили до цих пір, в кінцевому підсумку керуються вітром, і оскільки вони стосуються лише поверхневих вод, вони впливають лише на 10% обсягу океану. Однак існують і інші значні океанічні течії, які не залежать від вітру, і передбачають переміщення води в інших 90% океану. Ці течії керуються відмінностями в щільності води.

Нагадаємо, що менш щільна вода залишається на поверхні, в той час як більш щільна вода опускається. Води різної щільності мають тенденцію розшаровуватися на шари, з найщільнішою, найхолоднішою водою на дні і більш теплою, менш щільною водою зверху. Саме рух цих шарів щільності створює глибоку циркуляцію води. Оскільки щільність морської води залежить головним чином від температури та солоності (розділ 6.3), ця циркуляція називається термохалінної циркуляцією.

Основними процесами, що підвищують щільність морської води, є охолодження, випаровування та утворення льоду. Випаровування і утворення льоду викликають збільшення щільності шляхом видалення прісної води, залишаючи залишилася морську воду з більшою солоністю (див. Розділ 5.3). Основними процесами, що знижують щільність морської води, є нагрівання та розведення прісною водою через опади, танення льоду або стік прісної води. Зверніть увагу, що всі ці процеси впливають на поверхню, але не обов'язково впливають на глибшу воду. Однак зміна щільності поверхневих вод змушує її опускатися або підніматися, і ці вертикальні рухи, керовані щільністю, створюють глибокі океанські течії. Ці термохалінні течії повільні, близько 10-20 км на рік в порівнянні з поверхневими течіями, які рухаються зі швидкістю декількох кілометрів на годину.

Водні маси

Водна маса - це обсяг морської води з характерною щільністю в результаті її унікального профілю температури і солоності. Як зазначено вище, процеси, що впливають на щільність морської води, насправді відбуваються лише на поверхні. Після того, як водна маса досягла свого особливого профілю температури та солоності через ці поверхневі процеси, вона може опускатися нижче поверхні, і тоді її властивості щільності насправді не зміняться. Тому ми можемо розрізнити конкретні водні маси, взявши вимірювання солоності та температури на різних глибині та шукаючи унікальну комбінацію цих змінних, які надають їй характерну щільність. Це часто здійснюється за допомогою діаграм температурно-солоності (діаграми T-S, див. графу нижче).

В океані є кілька відомих водних мас, особливо в Атлантиці, які відрізняються температурними і солоними характеристиками. Найщільніша океанська вода утворюється в двох первинних місцях поблизу полюсів, де вода дуже холодна і сильно солона в результаті утворення льоду. Найщільніша глибока водна маса утворюється в морі Ведделла в Антарктиді, і стає Антарктичною донною водою (AABW). Подібні процеси в Північній Атлантиці виробляють Північноатлантичні глибоководні води (NADW) в Гренландському морі (рис.\(\PageIndex{1}\)).

Малюнок\(\PageIndex{1}\) Первинні місця глибоководного утворення; Антарктична донна вода утворюється в морі Ведделла, а Північноатлантична Глибока вода утворюється в Гренландському морі (PW).

Ця холодна щільна вода тоне, і як тільки вона видаляється з поверхні, її температура і солоність залишаються незмінними, тому вона зберігає ті ж характеристики, що і рухається по всьому океану в рамках термохалінної циркуляції. AABW опускається на дно в морі Ведделла, а потім рухається на північ по дну в Атлантику, а на схід через Південний океан. У той же час NADW тоне в Гренландському морі. Ця водна маса менш щільна, ніж AABW, і має тенденцію утворювати шар над AABW, коли він протікає через екватор на південь (рис.\(\PageIndex{2}\)). Коли NADW рухається до Антарктичного континенту, він виводиться на поверхню. Нагадаємо, що поблизу Антарктиди є антарктична дивергенція, де поверхневі води рухаються горизонтально один від одного, і змінюються глибоким водоймом (приведення поживних речовин на поверхню і призводить до високої продуктивності; див. Розділ 7.3). Оскільки полярна вода має слабкий термоклін, різниці в щільності не існує великої різниці, що запобігає потраплянню глибокої води на поверхню, тому деякі NADW піднімаються як частина процесу апвелінгу (рис.\(\PageIndex{2}\)).

\(\PageIndex{2}\)Малюнок Основні водні маси Атлантичного океану (PW).

Коли зростання NADW досягає поверхні, деякі подорожують на південь, де це врешті-решт сприятиме виробництву нового AABW. NADW, який рухається на північ, стикається з антарктичною конвергенцією, яка виробляє даунвелінг. Цей потопаючий NADW стає новою водною масою; Антарктична проміжна вода (AAIW), яка занурюється і створює шар між поверхневими водами та NADW (рис.\(\PageIndex{2}\)). Поверхневі води в екваторіальній Атлантиці, також звані поверхневими водами Центральної Атлантики, дуже тепла і низька щільність, тому вона залишається на поверхні і не дуже сприяє термохалінної циркуляції.

В Атлантиці Середземноморська проміжна вода (MIW) протікає через Гібралтарську протоку у відкритий океан. Ця вода тепла і солона від теплих температур і високих випаровувань, характерних для Середземного моря, тому вона щільніше, ніж звичайна поверхнева вода і утворює шар глибиною близько 1-1,5 км. Врешті-решт ця вода буде рухатися на північ до Гренландського моря, де вона буде охолоджуватися і потонути, ставши щільним NADW.

T-S Діаграми

Діаграма температура-солоність (Т-С) використовується для вивчення того, як змінюються температура, солоність та щільність з глибиною, а також для виявлення вертикальної структури товщі води, включаючи водні маси, які вона містить. Температура води знаходиться на осі у, а солоність з'являється на осі х. Часто замість фактичної температури води океанографи будують потенційну температуру, яка є температурою, якої досягла б вода, якби вона була виведена на поверхню і не отримувала додаткового тепла через стиснення на глибині. На діаграмі T-S показані лінії однакової щільності, або ізопікналі, для різних комбінацій температури і солоності (рис.\(\PageIndex{3}\)). Потім ви можете побудувати значення температури і солоності на діаграмі, і використовувати їх точку перетину для розрахунку щільності води. У прикладі\(\PageIndex{3}\) на малюнку температура близько 11 ^o С і солоність 34,6 БП призводить до щільності 1,0265 г/см ³.

Малюнок\(\PageIndex{3}\) Використання діаграми T-S для визначення щільності. Температура близько 11 ^o С (зелена стрілка) і солоність 34,6 БП (червона стрілка) призводить до щільності 1,0265 г/см ³.

Оскільки діапазон щільностей в океані досить малий, часто значення щільності скорочується і виражається сигма-t або σ _t. Сигма-т розраховується як: (щільність — 1) х 1000. Так що це по суті просто дивиться на останні три знака після коми значення щільності. Таким чином, щільність 1,0275 г/см ³ матиме σ _t 27,5.

Для ідентифікації водних мас можуть використовуватися діаграми T-S. Оскільки кожна основна водна маса має свій характерний діапазон температур та солоності, глибокий зразок води, який потрапляє в цей діапазон, імовірно, може походити з цієї водної маси. \(\PageIndex{4}\)На малюнку показаний типовий діапазон температур і солоності для основних атлантичних водних мас.

Рисунок\(\PageIndex{4}\) Характерні діапазони температури та солоності для основних водних мас Атлантики; Центральна поверхнева вода Північної Атлантики (NACSW), Середземноморська проміжна вода (MIW), Антарктична проміжна вода (AAIW), Глибока вода Північної Атлантики (NADW) та Антарктична донна вода (AABW).

Для дослідження водних мас океанографи можуть провести серію вимірювань температури та солоності в діапазоні глибин у певному місці. Якщо товщина води була сильно розшарована і не було змішування між шарами або всередині, як зонд був опущений, ви отримаєте ряд постійних показань температури та солоності, коли ви рухалися через першу водну масу, а потім раптовий стрибок до іншого набору різних, але постійних показань як ви перемістилися через наступну водну масу. Побудова температури проти солоності на діаграмі T-S призведе до чіткої та незалежної точки для кожної маси води. Однак насправді водні маси показуватимуть деяке змішування всередині та між шарами. Таким чином, коли зонди опущені, вони зіткнуться з водою, яка показує риси проміжні між двома точками. Тому зі збільшенням глибини точки на діаграмі T-S будуть поступово переміщатися з однієї точки в іншу, створюючи лінію, що з'єднує дві точки, ілюструючи змішування між цими двома водними масами.

У прикладі на малюнку\(\PageIndex{5}\) NACSW присутній на поверхні (глибина 0 м), а між 0 і близько 800 м відбувається перехід від NACSE до AAIW. Між приблизно 800-2100 м відбувається перехід від AAIW в шар NADW трохи за 2000 м, AABW - найглибша водна маса, на глибині близько 4000 м Перехід між NADW і AABW відбувається між приблизно 2100-4000 м.

Малюнок\(\PageIndex{5}\) Гіпотетична діаграма T-S для Північної Атлантики. Точки являють собою показання, зняті на відповідних глибині (м). Переміщення від поверхні до дна призводить до того, що вода збільшується щільності, проходячи через різні водні маси.

Зверніть увагу, що коли записи заглиблюються на малюнку\(\PageIndex{5}\), щільність завжди збільшується (тобто рухається до нижнього правого кута). Це пояснюється тим, що найщільніша вода повинна розташовуватися на дні, при цьому інші шари розшаровуються відповідно до їх щільності, інакше товща води буде нестійкою.

«Конвеєрна стрічка океану»

Нижня вода з моря Ведделла та Гренландського моря не просто циркулює через Атлантику. NADW рухається на південь через західну Атлантику перед зустріччю з AABW на північ від моря Ведделла. Разом ці водні маси рухаються на схід в Індійський і Тихий океани. До цього часу NADW та AABW почали змішувати, щоб створити те, що називається загальною водою. Глибока Загальна вода рухається на північ у Тихий та Індійський океани і поступово змішується з більш теплою водою, змушуючи її врешті-решт підніматися на поверхню. Як поверхневі води, вона пробирається назад до Північної Атлантики через поверхневі течії Тихого та Індійського океанів. Опинившись у Північній Атлантиці, він остигає і знову утворює NADW, починаючи процес заново. Цей цикл підйому та занурення води, що транспортує воду між поверхневою та глибокою циркуляцією, називається глобальною океанічною «конвеєрною стрічкою», і може знадобитися близько 1000-2000 років (рис.\(\PageIndex{6}\)).

\(\PageIndex{6}\)Малюнок Глобальний океан «Стрічка конвеєра». Холодна, густа вода опускається в морях Гренландії і Ведделла і циркулює по морському дну в Індійський і Тихий океани (блакитні стежки). Врешті-решт вода піднімається на поверхню і повертається до місця утворення донних вод через поверхневі течії (червоні шляхи), щоб знову розпочати цикл (Роберт Сіммон, NASA. Незначні модифікації Роберта Роде також випущені у суспільне надбання (NASA Earth Observatory) [Громадське надбання], через Вікісховище).

Ця глобальна схема циркуляції має ряд важливих наслідків для навколишнього середовища Землі. З одного боку, це життєво важливо для транспортування тепла по всій земній кулі, приносячи теплу воду до полюсів, а холодну воду до тропіків, стабілізуючи температуру в обох середовищах.

Конвеєрна стрічка також допомагає доставляти кисень до глибоководних середовищ існування. Глибока вода починалася як холодна поверхнева вода, яка була насичена киснем, і коли вона затонула, вона принесла цей кисень на глибину. Термохалінна циркуляція переносить цю багату киснем глибоку воду по всьому океану, де кисень буде використовуватися глибоководними організмами. Нижня вода в Атлантиці є відносно високим вмістом кисню, оскільки вона все ще зберігає значну частину свого початкового вмісту кисню, але, подорожуючи по морському дну, кисень витрачається, так що глибока вода в Тихому океані має набагато менше кисню, ніж глибока атлантична вода, з водою Індійського океану десь посередині. У той же час глибока вода буде накопичувати поживні речовини в міру того, як органічна речовина занурюється і розкладається. Атлантична донна вода має мало поживних речовин, оскільки вона не мала багато часу для їх накопичення, а початкова поверхнева вода була бідною поживними речовинами. На той час, коли ця донна вода досягає Індійського океану, а після цього Тихого океану, вона накопичує потопаючі поживні речовини протягом століть, тому глибокі концентрації поживних речовин у Тихому океані більше, ніж в Атлантиці. Тому ми можемо використовувати співвідношення кисню та поживних речовин у глибокій воді, щоб визначити відносний вік водної маси, тобто скільки часу він провів із поверхні. Молодша донна вода повинна бути з високим вмістом кисню та низьким вмістом поживних речовин, тоді як протилежне очікувалося б для старих донних вод.

На океанську конвеєрну стрічку можуть значно вплинути зміни клімату, що порушують термохалінну циркуляцію. Посилене потепління, особливо в Арктиці, може призвести до продовження танення полярних крижаних шапок, додавання великої кількості прісної води до полярної поверхневої води. Цей вхід прісної води може створити поверхневий шар води з низькою щільністю, низькою солоністю, який більше не тоне, порушуючи тим самим конвеєрну стрічку глибокої циркуляції та запобігаючи транспортуванню кисню та поживних речовин до донних громад. Занурення морської води в Гренландському морі також допомагає керувати Гольфстрімом; коли вода тоне, більше поверхневих вод витягується на північ у Гольфстрімі. Якщо ця полярна вода перестане потонути, то Гольфстрім може ослабнути, зменшивши транспортування тепла до полюсів і охолоджуючи північний клімат. Це здається протилежним інтуїтивним, але глобальне потепління може призвести до більш холодних умов в Європі та заморожування портів та міст, які зазвичай не мають льоду через потепління Гольфстріму. Останні дані вже показали, що сила Гольфстріму знижується, ймовірно, через посилене танення арктичних льодів.