Войти
Глубина смешанного слоя в зависимости от температуры, а также взаимосвязь с разные месяцы года 
Глубина смешанного слоя в зависимости от месяца года, а также зависимость 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 известна как высота смешения . Турбулентность обычно играет роль в образовании жидких смешанных слоев.
Смешанный слой играет важную роль в физическом климате. Поскольку удельная теплоемкость океанской воды намного больше, чем у воздуха, верхние 2,5 м океана удерживают столько же тепла, как 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 регионах. Кроме того, тепло, хранящееся в океаническом смешанном 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 перемешанного 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».
Существует три основных источника энергии для турбулентного перемешивания в смешанном 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 часть ее рассеивается относительно быстро. Если океанские течения меняются с глубиной, волны могут взаимодействовать с ними, вызывая процесс, известный как ленгмюровская циркуляция, большие водовороты, которые движутся на глубину до десятков метров. Второй - 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 , где свойства воды меняются. Океанографы используют различные определения числа для использования в качестве глубины смешанного слоя в любой момент времени, основываясь на измерениях физических свойств воды. Часто происходит резкое изменение температуры, называемое термоклином, чтобы отметить дно смешанного слоя; иногда также может происходить резкое изменение солености, называемое галоклином. Комбинированное влияние изменений температуры и солености приводит к резкому изменению плотности или пикноклину. Кроме того, резкие градиенты содержания питательных веществ (нутриклин) и кислорода (оксиклин) и максимум концентрации хлорофилла часто совмещены с основанием сезонного смешанного слоя.
Климатология глубины смешанного слоя для северной зимы (верхнее изображение) и северного лета (нижнее изображение). Глубина смешанного слоя часто определяется с помощью гидрографии - измерение свойств воды. Два критерия часто используются для определения глубины смешанного слоя являются температура и сигма-т (плотность) изменение по сравнению с контрольным значения (обычно измерение поверхности). Температурный критерий, использованный в Levitus (1982), определяет смешанный слой как глубину, на которой изменение температуры от температуры поверхности составляет 0,5 ° C. Критерий сигма-t (плотность), используемый в Levitus, использует глубину, на которой произошло изменение сигма-t поверхности, равное 0,125. Ни один из критериев не означает, что активное перемешивание происходит до глубины перемешанного слоя все время. Скорее, глубина смешанного слоя, оцененная по гидрографии, является мерой глубины, до которой происходит перемешивание в течение нескольких недель.
Глубина смешанного слоя зимой в каждом полушарии больше, чем летом. Летом усиление солнечного нагрева поверхностных вод приводит к более стабильной стратификации плотности, уменьшая проникновение ветрового перемешивания. Поскольку морская вода является наиболее плотной непосредственно перед замерзанием, зимнее охлаждение над океаном всегда снижает стабильную стратификацию, позволяя более глубокому проникновению ветровой турбулентности, но также создавая турбулентность, которая может проникать на большие глубины.
Толщина барьерного слоя (BLT) - это слой воды, отделяющий хорошо перемешанный поверхностный слой от термоклина. Более точное определение было бы разницей между глубиной смешанного слоя (MLD), вычисленной по температуре минус глубина смешанного слоя, вычисленная 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 западной экваториальной части Тихого океана. В регионах, где присутствует барьерный слой, стратификация является стабильной из-за сильного воздействия плавучести, связанного с пресной (то есть более плавучей) водной массой, находящейся поверх водной толщи.
В прошлом типичным критерием MLD была глубина, на которой температура поверхности охлаждается за счет некоторого изменения температуры по сравнению с ее значениями. Например, Левитус использовал 0,5 ° C. В примере справа 0,2 ° C используется для определения MLD (то есть D T-02 на рисунке). До того, как на Арго была обнаружена значительная подповерхностная соленость, это была основная методология расчета океанической MLD. Совсем недавно критерий плотности был использован для определения MLD. MLD на основе плотности определяется как глубина, на которой плотность увеличивается от поверхностного значения из-за заданного снижения температуры на некоторое значение (например, 0,2 ° C) от поверхностного значения при сохранении постоянного значения поверхностной солености. На рисунке это определяется D sigma и соответствует слою, который одновременно является изотермическим и изогалинным. BLT - это разность определяемого температурой MLD минус значение, определяемое плотностью (т.е. D T-02 - D sigma).
Большие значения BLT обычно обнаруживаются в экваториальных областях и могут достигать 50 м. Над барьерным слоем 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 субдуцированной соленой воды. в субтропиках (встречается во всех субтропических океанских круговоротах ). 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, в зимний период на экваториальном фланге субтропических максимумов солености формируется барьерный слой. В начале зимы атмосфера охлаждает поверхность, а сильный ветер и отрицательная плавучесть перемешивают температуру до глубокого слоя. В то же время свежая поверхностная соленость переносится из дождливых регионов тропиков. Глубокий температурный слой наряду с сильной стратификацией солености создает условия для образования барьерного слоя.
Для западной части Тихого океана механизм образования барьерного слоя иной. Вдоль экватора восточный край теплого бассейна (обычно изотерма 28 ° C - см. график SST в западной части Тихого океана) является демаркационной областью между теплой пресной водой на западе и холодной, соленой, подняли воду 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 локальной конвергенции, 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 волны Россби являются факторами, которые способствуют формированию глубоких BLT.
До Эль-Ниньо теплый бассейн накапливал тепло и был ограничен далекой западной частью Тихого океана. Во время Эль-Ниньо теплый бассейн перемещается на восток вместе с сопутствующими осадками и текущими аномалиями. выборка западных ветров в это время увеличивается, усиливая событие. Используя данные с корабля возможностей и причалов тропической атмосферы и океана (TAO) в западной части Тихого океана, в течение 1992-2000 годов отслеживалась миграция теплого бассейна на восток и запад с использованием солености морской поверхности (SSS), температуры поверхности моря (SST)., течения и геологические данные из Проводимость, температура, глубина, взятые в различных исследовательских экспедициях. Эта работа показала, что во время западного течения BLT в западной части Тихого океана вдоль экватора (138E-145E, 2N-2S) находилась в пределах 18–35 м, что соответствует теплой SST и служит эффективным механизмом аккумулирования тепла. Формирование барьерного слоя обусловлено направленными на запад (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 / 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 перемешанного слоя, обеспечивающего улучшенную реакцию в сочетании с воздухом и морем. Кроме того, BLT является ключевым фактором в установлении среднего состояния, которое нарушается во время Эль-Ниньо / Ла-Нинья
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 усложняется тем, что самая тяжелая пресная вода составляет 3,98 ° C (градусы 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 (например, в Каспийском море) образование смешанного слоя обычно ведет себя аналогично океану.
Атмосферный смешанный слой возникает в результате конвективных движений воздуха, обычно наблюдаемых ближе к середине дня, когда воздух у поверхности нагревается и поднимается вверх. Таким образом, к нему примешивается неустойчивость Рэлея – Тейлора. Стандартная процедура для определения глубины смешанного слоя состоит 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 связано с сжатием 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 смешанного слоя океана, скорости не будут постоянными во всем смешанном слое атмосферы.
