Мұхит суының қабаттануы және тығыздық өзгерістері

Кіріспе

Тығыздық айырмашылығына байланысты мұхит суының қабатталуы

Мұхит қабатталуы – мұхит суының тығыздық бойынша көлденең қабаттарға табиғи бөлінуі, ол әдетте тұрақты, себебі жылы су суық судың үстінде жүзеді, ал қыздыру көбінесе күннен болады, бұл реттелісті нығайтады. Желдің күшті механикалық араласуымен қабатталу азаяды, бірақ конвекция арқылы (жылы судың көтерілуі, суық судың түсуі) күшейтіледі. Қабатталу барлық мұхит алаптарында және басқа да су кеңістіктерінде кездеседі. Қабатталған қабаттар судың араласуына кедергі келтіреді, бұл жылу, көміртек, оттегі және басқа да қоректік заттардың алмасуына әсер етеді. Жер бетіндегі аралас қабат – мұхиттың ең жоғарғы қабаты және механикалық (жел) және жылулық (конвекция) әсерлер арқылы жақсы араласады. Климаттың өзгеруі мұхиттың жоғарғы қабатының қабатталуын арттырады. Оңтүстік мұхиттарда (30° оңтүстік ендігінен оңтүстікке қарай) 1960 жылдан бері ең жоғары қабатталу деңгейі байқалды, содан кейін Тынық мұхиты, Атлантика және Үнді мұхиттары. Су температурасының өзгеруі су бөлшектерінің арасындағы қашықтыққа тікелей әсер етеді. Судың температурасы жоғарылағанда су бөлшектерінің арақашықтығы артады, сондықтан тығыздығы төмендейді. Тұздылық – негізінен тұздан тұратын еріген қатты заттардың массасының өлшемі. Тұздылықты арттыру тығыздықты арттырады. Пикноклин тығыздықтың тез өзгеруімен қабатты анықтайтын сияқты, температура мен тұздылықтың тез өзгеруімен ұқсас қабаттарды анықтауға болады: термоклин және галоклин. Тығыздық температура мен тұздылыққа байланысты болғандықтан, пикно, термо және галоклиндердің пішіні ұқсас. Айырмасы – тығыздық тереңдікпен бірге артады, ал тұздылық пен температура тереңдікпен бірге төмендейді. Мұхитта температура мен тұздылықтың белгілі бір диапазоны кездеседі. GODAS деректерін пайдалану арқылы, бұл формуладағы терминдер, қысым нөлге тең болған кездегі тығыздық және судың сығымдалу қабілетін қамтитын термин, екеуі де температураға күшті тәуелді және тұздылыққа аз тәуелді. Мұхиттың кейбір бөліктерінде тұрақсыз қабатталу пайда болады, бұл конвекцияға әкеледі. Егер су бағанында қабатталу артатын болса, онда мәнінің өсуі, турбулентті араласу және осылайша тұншықтыру төмендейді. Сонымен қатар, көбеюі көбеюі дегенді білдіреді, яғни осы су бағанындағы тығыздықтардың айырмашылығы да артады. Жыл бойы мұхит қабатталуы тұрақты емес, өйткені қабатталу тығыздыққа, сондықтан температура мен тұздылыққа байланысты. Тропикалық Тынық мұхиты қабатталуының жылдық ауытқуларына Эль-Ниньо басым, оны шығыс экваторлық Тынық мұхиттағы термоклин тереңдігінің күрт өзгеруімен байланыстыруға болады. Екінші жағынан, тропикалық дауылдардан араласу қабаттар арасындағы қабатталу айырмашылықтарын азайтуға көмектеседі.

Ocean stratification is the natural separation of an ocean's water into horizontal layers by density, which is generally stable because warm water floats on top of cold water, and heating is mostly from the sun, which reinforces that arrangement. Stratification is reduced by wind forced mechanical mixing, but reinforced by convection (warm water rising, cold water sinking). Stratification occurs in all ocean basins and also in other water bodies. Stratified layers are a barrier to the mixing of water, which impacts the exchange of heat, carbon, oxygen and other nutrients. The surface mixed layer is the uppermost layer in the ocean and is well mixed by mechanical (wind) and thermal (convection) effects. Climate change is causing the upper ocean stratification to increase. The southern oceans (south of 30°S) experienced the strongest rate of stratification since 1960, followed by the Pacific, Atlantic, and the Indian Oceans. A change in the temperature of the water impacts on the distance between water parcels directly. When the temperature of the water increases, the distance between water parcels will increase and hence the density will decrease. Salinity is a measure of the mass of dissolved solids, which consist mainly of salt. Increasing the salinity will increase the density. Just like the pycnocline defines the layer with a fast change in density, similar layers can be defined for a fast change in temperature and salinity: the thermocline and the halocline. Since the density depends on both the temperature and the salinity, the pycno , thermo , and haloclines have similar shapes. The difference is that the density increases with depth, whereas the salinity and temperature decrease with depth. In the ocean, a specific range of temperature and salinity occurs. Using the GODAS Data, The terms in this formula, density when the pressure is zero, , and a term involving the compressibility of water, , are both heavily dependent on the temperature and less dependent on the salinity:[[File:Densittydependence2. png|thumb|350x350px|The surface temperature, surface salinity and surface potential density calculated and plotted using the annual mean over the year 2000 of the GODAS Data. In some parts of the ocean unstable stratification appears, leading to convection. If the stratification in a water column increases, implying an increase of the value , turbulent mixing and hence the eddy viscosity will decrease. Furthermore, an increase of , implies an increase of , meaning that the difference in densities in this water column increase as well. Throughout the year, the oceanic stratification is not constant, since the stratification depends on density, and therefore on temperature and salinity. The interannual fluctuations in tropical Pacific Ocean stratification are dominated by El Niño, which can be linked with the strong variations in the thermocline depth in the eastern equatorial Pacific. On the other hand, mixing from tropical storms also tends to reduce stratification differences among layers.

Жас буынның өсуіне қатысты ескертулер

Глобалды жылыну мен климаттың өзгеруіне байланысты температура мен тұздылық өзгерістері мұхиттың тығыздығын өзгертеді және тік қабаттанудың өзгеруіне әкеледі. Қазіргі кезде аралас қабаттар ең терең болатын аймақтар, әсіресе Солтүстік Атлант мұхиты мен Оңтүстік мұхит бассейнінде, ең көп шағылысуды (shoaling) көрсетеді. (NCAR & UCAR News). Төмендегі суретте барлық мұхит бассейндеріндегі қабаттанудың өзгеру трендтері көрсетілген. Жер бетінің шамамен 70%-ы судан тұрса да, Жер беті мен атмосфера арасындағы су алмасудың 75%-дан астамы мұхиттарда жүреді. Мұхит күн сәулесінен энергияның бір бөлігін жылу түрінде сіңіреді, ал бастапқыда бұл энергия беткі қабатқа сіңіріледі. Соңында, бұл жылутың бір бөлігі терең суларға да таралады. Жылыжай газдары күннен қосымша энергияны сіңіреді, бұл энергия мұхиттар тарапынан сіңіріліп, мұхиттарда сақталатын жылу мөлшерінің артуына әкеледі. Мұхиттардың температурасының өсуі атмосфераға қарағанда баяу жүреді. Дегенмен, 1993 жылдан бері мұхиттардың жылуды қабылдауы екі есеге артты және 1955 жылдан бері мұхиттар Жердің қосымша жылуының 90%-дан астамын сіңіріп алды. Арктикада тұздылықтың төмендеуі, демек тығыздықтың төмендеуі, мұздықтар мен мұз қабаттарының еруінен түсетін тұщы судың көбеюімен түсіндіріледі. Бұл процесс және Арктикада қабаттанудың артуы қазіргі көміртегі эмиссиясы деңгейінде жалғасады. Оттегі көміртек, азот және фосфор, темір және магний сияқты көптеген элементтердің циклдарында тікелей және маңызды рөл атқаратындықтан, оттегінің азаюы (deoxygenation) ауқымды салдарларға әкеледі. Ол көптеген организмдер мен теңіз жануарларының әртүрлі түрлері үшін өте маңызды. Су асты суларындағы оттегінің азаюы мұхит араласуының төмендеуіне байланысты, бұл жоғары мұхиттағы қабаттанудың артуынан туындайды. Жыл бойы аралас қабаттың тереңдігі өзгеріп отырады. Қыс айларында қабаттың қалыңдығы артып, жаз айларында азаяды. Егер аралас қабат өте терең болса, фитопланктонға жеткілікті жарық жетпейді. Фитопланктонның жаһандық көміртегі айналымында маңызды рөл атқаратыны дәлелденген. Сонымен қатар, фитопланктон азық тізбегінің төменгі сатысында орналасқандықтан, фитопланктонның азаюы өте кең ауқымда салдарларға әкелуі мүмкін. Қабаттанудың өсуі мен аралас қабаттың тереңдігінің өзгеруі арасындағы нақты байланыс әлі анықталмаған және белгісіз болып қала береді. Кейбір зерттеулер жұқа аралас қабаттың жоғары мұхиттың қабатталған бөлігімен сәйкес келуі керек екенін ұсынады, бірақ басқа зерттеулер 1970 жылдан бері аралас қабаттың маусымдық тереңдеуі туралы хабарлайды. 1970 жылдан 2018 жылға дейінгі аралықта аралас қабаттың негізіндегі қабаттанудың және оның тереңдігінің артқанын растайтын әдебиеттер бар. Бұл нәтижеге қайшы келетін басқа әдебиеттерде жоғары мұхит қабаттануының өсуі нәтижесінде аралас қабаттың тереңдігінің азайғаны айтылады. Солтүстік Тынық мұхитының батыс жағындағы Куросио ағымының кеңейтуіндегі аралас қабаттың тереңдігі 30 метрден астамға төмендегені анықталды. Бұл шағылысу (shoaling) желдің әлсіреуінен және маусымдық тік араласудың азаюынан туындаған. Сонымен қатар, мұхит бетінің жылуы және демек қабаттанудың өсуі, міндетті түрде аралас қабаттың тереңдігінің өсуін немесе төмендеуін білдірмейді деп мәлімдейтін зерттеулер де бар. GODAS деректерін пайдаланып, аралас қабаттың тереңдігі уақыт өте келе артқанын және азайғанын көруге болады. 1970 мен 2018 жылдар аралығында жазғы аралас қабаттың тереңдігі (MLD) он жылдыққа 2,9 ± 0,5% тереңдеді (немесе аймаққа байланысты он жылдыққа 5-10 м), ал Оңтүстік мұхит ең үлкен тереңдеуді бастан кешірді. Дегенмен, аралас қабаттың бүкіл әлем бойынша тереңдеп бара жатқанына бақылау деректері шектеулі, және тек парниктік газдар эмиссиясының күшті сценарийлері бойынша ғана 21-ші ғасырда жаһандық аралас қабаттың тереңдігі төмендейді. Жоғары мұхиттың қабаттануы 21-ші ғасырда артатындығына көз жеткізілгенімен, ғалымдар аралас қабаттың тереңдігі қалай өседі дегенге сенімді емес. thumb|center|500x350px| 1980, 2000 және 2020 жылдардағы аралас қабат тереңдігінің жылдық орташа көрсеткіштері және олардың өзгеруі. Бұл график GODAS деректері арқылы құрылған. thumb|center|500x350px| 1980, 2000 және 2020 жылдардағы аралас қабат тереңдігінің жылдық орташа көрсеткіштерінің өскен және азайған аймақтарын анықтау. Бұл график GODAS деректері арқылы құрылған.

Temperature and salinity changes due to global warming and climate change alter the ocean density and lead to changes in vertical stratification. The regions with the currently deepest mixed layers are associated with the greatest mixed layer shoaling, particularly the North Atlantic and Southern Ocean basin. and NCAR & UCAR News ). In the figure below, the trends of the change in stratification in all of the ocean basins have been plotted. Even though approximately 70% of the Earth's surface consists of water, more than 75% of the water exchange between the Earth's surface and the atmosphere occurs over the oceans. The ocean absorbs part of the energy from sunlight as heat and is initially absorbed by the surface. Eventually a part of this heat also spreads to deeper water. Greenhouse gases absorb extra energy from the sun, which is again absorbed by the oceans, leading to an increase in the amount of heat stored by the oceans. The increase of temperature of the oceans goes rather slow, compared to the atmosphere. However, the ocean heat uptake has doubled since 1993 and oceans have absorbed over 90% of the extra heat of the Earth since 1955. In the Arctic, the decrease of salinity, and hence density, can be explained by the input of freshwater from melting glaciers and ice sheets. This process and the increase of stratification in the Arctic will continue with the current carbon emissions. Since oxygen plays a direct and important role in the cycles of carbon, nitrogen and many other elements such as phosphorus, iron and magnesium, de oxygenation will have large consequences. It plays a vital role for many organisms and the variety of ocean animals of all kinds. The de oxygenation in subsurface waters is due to the decrease in ocean mixing, which is caused by the increase of stratification in the upper ocean. Throughout the year, the depth of the mixed layer varies. The thickness of the layer increases in wintertime and decreases in the summer. If the mixed layer is really deep, less light can reach the phytoplankton. Phytoplankton have been shown to be important in the global carbon cycle. Furthermore, since phytoplankton are at the bottom of the food chain, a decrease in phytoplankton can have consequences on a very large scale. An exact relation between an increase in stratification and a change in the mixed layer depth has not yet been determined and remains uncertain. Although some studies suggest that a thinner mixed layer should accompany a more stratified upper ocean, other work reports seasonal deepening of the mixed layer since 1970. There is literature substantiating the statement that in the years from 1970 to 2018, the stratification in the basis of the mixed layer as well as the depth of the mixed layer have increased. Contradicting this result, other literature states a decrease of the depth of the mixed layer partly as a result of the increase of upper ocean stratification. It has been found that the mixed layer in the extension of the Kuroshio Current, at the west side of the North Pacific, has decreased more than 30 meters. This shoaling is caused by weakening of wind and a reduction of seasonal vertical mixing. Furthermore, there exists research stating that heating of the surface of the ocean, and hence an increase in stratification, does not necessarily mean an increase nor decrease in the mixed layer depth. Using the GODAS Data it can be seen that the depth of the mixed layer has increased as well as decreased over time. Between 1970 and 2018, the summertime mixed layer depth (MLD) deepened by 2.9 ± 0.5% per decade (or 5 to 10 m per decade, depending on the region), and the Southern Ocean experienced the greatest deepening. However, there is limited observational evidence that the mixed layer is globally deepening, and only under strong greenhouse gas emissions scenarios do global mixed layer depths shoal in the 21st century. Although it is virtually certain that upper ocean stratification will increase through the 21st century, scientists express low confidence in how the mixed layer depth will evolve. thumb|center| 500x350px| Annual means and change in annual means of the mixed layer depth of 1980, 2000 and 2020. This plot was generated using the GODAS Data. thumb|center| 500x350px | Identification of regions with increase and decrease of annual means of the mixed layer depth of 1980, 2000 and 2020. This plot was generated using the GODAS Data.