Кіріспе
Активті турбулентті қатпарлар тереңдіктің белгілі бір диапазонын біркелкілендірген қабат Океандық немесе лимнологиялық аралас қабат - белсенді турбулентті қатпарлар тереңдіктің белгілі бір диапазонын біркелкілендірген қабат. Жер бетіндегі аралас қабат - бұл турбулентті жел, жер бетіндегі жылу ағыны немесе тұздылықтың артуына әкелетін булану немесе теңіз мұзын қалыптастыру сияқты процестер тудыратын қабат. Атмосфераның аралас қабаты - бұл температурасы тұрақты және биіктігімен салыстырғанда нақты ылғалдылығы тұрақты болатын аймақ. Атмосфералық қоспаның тереңдігі араласу биіктігі деп аталады. Түршігерлік, әдетте, сұйықтық аралас қабаттардың пайда болуына әсер етеді.
The oceanic or limnological mixed layer is a layer in which active turbulence has homogenized some range of depths. The surface mixed layer is a layer where this turbulence is generated by winds, surface heat fluxes, or processes such as evaporation or sea ice formation which result in an increase in salinity. The atmospheric mixed layer is a zone having nearly constant potential temperature and specific humidity with height. The depth of the atmospheric mixed layer is known as the mixing height. Turbulence typically plays a role in the formation of fluid mixed layers.
Аралас қабаттың маңызы
Аралас қабат физикалық климатқа маңызды рөл атқарады. Мұхит суының меншікті жылулығы ауаға қарағанда әлдеқайда көп болғандықтан, мұхиттың жоғарғы 2,5 м-і оның үстіндегі бүкіл атмосфераға тең жылуды ұстайды. Осылайша 2,5 м аралас қабатты 1 °C-қа өзгерту үшін қажетті жылу атмосфера температурасын 1 °C-қа көтеру үшін жеткілікті болады. Аралас қабаттың тереңдігі мұхит және жағалау аймақтарындағы температура диапазонын анықтау үшін өте маңызды. Сонымен қатар, мұхиттың аралас қабатында сақталған жылу Эль-Ниньо сияқты жаһандық өзгеріске себепші жылу көзі болып табылады. Аралас қабаттың маңыздылығы да сол, өйткені оның тереңдігі теңіз организмдерінің көретін жарықтың орташа деңгейін анықтайды. Аралас қабаттардағы фитопланктон деп аталатын ұсақ теңіз организмдері өздерінің зат алмасуын қамтамасыз ету үшін жеткілікті жарық ала алмайды. Сондықтан, Солтүстік Атлантикада қыста аралас қабаттың тереңдеуі беттік хлорофилл а-ның қатты төмендеуімен байланысты. Алайда, терең араласуы жер бетіндегі қоректік заттарды да толықтырады. Осылайша, аралас қабат көктемде жайнап, жарық деңгейі өскенде, фитопланктон биомассасының бір мезгілде көбеюі жиі болады, ол "көктемгі гүлдену" деп аталады.
Мұхит аралас қабаттарының түзілуі
Ашық мұхиттың аралас қабатында турбулентті араласуды жүргізу үшін үш негізгі энергия көзі бар. Біріншісі - мұхит толқындары, олар екі түрлі әрекет етеді. Біріншісі - мұхит бетіндегі турбуленттілік, ол жеңіл суды төмен қарай қозғап жібереді. Бұл процесс жоғары бірнеше метрге көп энергияны енгізсе де, оның көп бөлігі салыстырмалы түрде тез тарайды. Егер мұхит ағымдары тереңдікке қарай өзгерсе, толқындар олармен өзара әрекеттесіп, Лангмуир айналымы деп аталатын процесті іске асырады, ондаған метр тереңдікке дейін қозғалатын үлкен айналымдар. Екіншісі - желдің әсерінен пайда болатын ағымдар, олар жылдамдықты қиып тұратын қабаттар жасайды. Бұл қашаулар жеткілікті мөлшерге жеткенде, олар қабатталған сұйықтықты жей алады. Бұл процесс көбінесе Келвин Гельмгольц тұрақсыздығының үлгісі ретінде сипатталады және модельделеді, бірақ басқа процестер де рөл атқара алады. Соңында, егер суыту, мұздаған теңіз мұздан тұздықты қосу немесе жер бетіндегі булану жер бетінің тығыздығын арттырса, конвекция пайда болады. Ең терең аралас қабаттар (Лабрадор теңізі сияқты аймақтарда 2000 м-ден асады) осы соңғы процесс арқылы қалыптасады, бұл Рейлигх-Тейлор тұрақсыздығының бір түрі. Мелор мен Дурбиннің ертедегі аралас қабат үлгілері соңғы екі процестерді қамтыды. Жағалау аймақтарында судың жоғары жылдамдығы аралас қабаттың пайда болуына әсер етеді. Аралас қабаттың ерекшелігі - бүкіл қабаттың температурасы мен тұздылығы сияқты қасиеттері біркелкі. Алайда, жылдамдықтар аралас қабаттың ішінде елеулі қиылыстар болуы мүмкін. Аралас қабаттың түбінде судың қасиеттері өзгеріп отыратын градиент болады. Океанографтар судың физикалық қасиеттерін өлшеу негізінде кез келген уақытта аралас қабаттың тереңдігі ретінде пайдалану үшін санның әртүрлі анықтамаларын қолданады. Көбінесе, термоклин деп аталатын температураның күрт өзгеруі аралас қабаттың түбін белгілеу үшін пайда болады; кейде галоклин деп аталатын тұздылықтың күрт өзгеруі де болуы мүмкін. Температура мен тұздылық өзгерістерінің біріккен әсері тығыздықтың күрт өзгеруіне әкеледі. Сонымен қатар, қоректік заттардың (нутриклин) және оттегі (оксиклин) деңгейінің күрт ауысуы және хлорофилл концентрациясының ең жоғары деңгейі көбінесе маусымдық аралас қабаттың негізімен бірге орналасады.
Мұхит аралас қабатының тереңдігін анықтау
Аралас қабаттың тереңдігі судың қасиеттерін өлшеу арқылы анықталады. Аралас қабаттың тереңдігін анықтау үшін жиі қолданылатын екі критерий - температура және сигма t (тітілділік) эталондық мәннен (әдетте бет өлшемі) өзгеруі. Левитуста (1982) қолданылған температуралық критерий аралас қабатты температураның беткі температурадан 0,5 °C өзгерісі болатын тереңдік ретінде айқындайды. Алайда, Қара ат. ал. (2000) температура айырмашылығы 0,8 °C-ға жақын екенін көрсетеді. Levitus A-да қолданылатын сигма t (тітілік) критерийі температурадан есептелген аралас қабаттың тереңдігі (MLD) мен тығыздықты пайдалана отырып есептелген аралас қабаттың тереңдігі арасындағы айырмашылықты толығырақ айқындайды. Бұл айырмашылықты кедергі қабаты ретінде алғаш рет Батыстық Экваторлық Тынық мұхиты айналымын зерттеудің бір бөлігі ретінде Батыс Тынық мұхитындағы байқауларды сипаттайтын қағаздарда кездесті. Кедергі қабат бар аймақтарда қабаттану су бағанасының үстіне орналасқан жаңа (яғни көбірек жүзуге қабілетті) су массасымен байланысты күшті жүзуге мәжбүрлеудің арқасында тұрақты болады. Бұрын MLD үшін типтік критерий - беткі температураның беткі мәндерінен температураның өзгеруімен суытатын тереңдігі. Мысалы, Левитус, әсіресе, кедергілі қабат қыста экваторға қарай субтропикалық тұздылық максимумының флангында қалыптасады. Қыстың басында атмосфера жер бетін суытады, ал қатты жел мен теріс жүзу қабілеті температураны терең қабатына араластырады. Сонымен қатар тропикалық жаңбырлы аймақтардан жаңадан пайда болған тұздылық ағып келеді. Терең температуралық қабат және тұздылықтағы қатты қабаттану кедергі қабаттарының қалыптасуына жағдай жасайды. Батыстық Тынық мұхит үшін кедергі қабатының қалыптасу механизмі басқаша. Экватордың бойында жылы бассейннің шығыс шеті (әдетте 28 °C изотермиялық, қараңыз SST сюжеті батыс Тынық мұхит) батыстағы жылы тұщы су мен орталық Тынық мұхиттағы суық, тұщы, жоғары ағынды су арасындағы шекаралық аймақ болып табылады. Изотермиялық қабатта тозды су шығыстан жылы бассейнге жергілікті конвергенция немесе жылы тұщы судың шығысқа қарай тығыз суды басып тастауы салдарынан тұщы су субдукцияланған кезде (яғни тығыз су массасы басқасынан төмен қозғалады) кедергі қабаты пайда болады. Мұнда жеңіл желдер, қатты жауын-шашын, тұзды судың шығысқа қарай ығысуы, тұзды судың батысқа қарай ығысуы және экваторлық Келвин немесе Россби толқындары терең БЛТ қалыптасуына ықпал ететін факторлар болып табылады.
BLT маңыздылығы
Эль-Ниньодан бұрын жылы бассейн жылуды сақтайды және батыс Тынық мұхитпен шектеледі. Эль-Ниньо кезінде жылы тоған жауын-шашынмен және аномалиялармен бірге шығысқа қарай көшіп кетеді. Бұл уақытта батыс желінің күші артады, бұл оқиғаны күшейтеді. Мүмкіндік кемесі мен Тропикалық атмосфера мұхит (ТАО) мұхитының батыс Тынық мұхитындағы кемежайларынан алынған деректерді пайдалана отырып, 1992-2000 жылдар аралығында теңіздің бетіндегі тұздылық (SSS), теңіздің бетіндегі температура (SST), ағымдар және жер астындағы деректер қолданылып, жылы бассейннің шығыс пен батысқа көшірілуі бақыланды. Бұл жұмыс батысқа қарай ағып жатқан кезде Батыстық Тынық мұхиттың экватор бойымен (138oE 145oE, 2oN 2oS) 18 м 35 м аралығында болатындығын көрсетті, бұл жылы SST-ге сәйкес келеді және жылуды тиімді сақтау механизмі ретінде қызмет етеді. Кедергі қабаттарының пайда болуына батысқа қарай (яғни конвергенция және субдукция) ағымдар әсер етеді. Бұл батысқа қарай ағындар төмен түсетін Россби толқындарымен қозғалады және БЛТ батысқа қарай адавекциясын немесе Россби толқынының динамикасына байланысты терең термоклиннің жағалаудағы галоклинге қарағанда артықшылықты тереңдетуін білдіреді (яғни бұл толқындар жоғарғы су бағанының тік созылуын қолдайды). Эль-Ниньо кезінде батыс желдері жылы тоғанды шығысқа қарай итеріп, жаңа судың шығыстағы жергілікті суық/тұзды/ тығыз судың үстінен жүруге мүмкіндік береді. Атмосфералық/океандық модельдерді біріктіріп, Эль-Ниньодан бір жыл бұрын BLT-ді жою үшін араластыруды реттеу арқылы, кедергі қабатымен байланысты жылу жинақталуы үлкен Эль-Ниньо үшін қажеттілік екенін көрсетті. Батыстық Тынық мұхитта SSS және SST арасында тығыз байланыс бар екендігі көрсетілді және кедергі қабаты тұздылық қабатталған қабаттың ішіндегі жылы бассейнде жылу мен импульсті ұстап тұруда маңызды рөл атқарады. Кейінгі жұмыстар, соның ішінде Арго дрифтерлері, Эль-Ниньо кезінде жылы бассейннің шығысқа қарай көшіп кетуі мен батыс Тынық мұхиттағы кедергі қабаттың жылу сақтау арасындағы байланысты растайды. Кедергі қабатының негізгі әсері - ауа-теңізге қосылған реакцияны күшейтуге мүмкіндік беретін жағалаудағы аралас қабатты сақтау. Сонымен қатар, BLT Эль-Ниньо/Ла-Нинья кезінде бұзылатын орташа жағдайды белгілеудегі негізгі фактор болып табылады.
Лимнологиялық аралас қабаттар
Көлдегі аралас қабаттың қалыптасуы мұхиттағымен ұқсас, бірақ судың молекулалық қасиеттеріне байланысты көлдерде араласуы ықтимал. Судың тығыздығы температураның өзгеруімен өзгереді. Көлдерде температура құрылымы тұщы судың ең ауырлығы 3,98 °C (Селсий градусы) болғанынан күрделіленеді. Сонымен, бетінің өте суық болатын көлдерде аралас қабат көктемде, бет жылыған кезде және күзде, бет суыған кезде қысқа уақытқа дейін төменгі жағына дейін созылады. Бұл айналу өте терең көлдердің оттегімен қамтамасыз етілуі үшін маңызды. Лимнологияны зерттеу барлық ішкі су айдындарын, оның ішінде тұздалған су айдындарын қамтиды. Тұзды көлдер мен теңіздерде (мысалы, Каспий теңізі) аралас қабаттар қалыптасуы, әдетте, мұхитқа ұқсас.
Атмосфералық аралас қабаттардың пайда болуы
Атмосфераның аралас қабаты конвективті ауа қозғалысынан пайда болады, әдетте күннің ортасында, жер бетіндегі ауа жылынып, көтерілгенде байқалады. Осылайша ол Рейли-Тейлор тұрақсыздығымен араласады. Аралас қабаттың тереңдігін анықтаудың стандартты әдісі - ықтимал температураның профилін тексеру, егер ауаның температурасы жылуды жоғалтпай немесе жоғалтпай, бетінде кездесетін қысымға жеткізілсе, онда ауаның температурасы қандай болады. Қысымның осындай өсуі ауаны сығылуын қамтиды, сондықтан потенциалдық температура ин-ситу температурасынан жоғары болады, ал атмосферада жоғарылаған сайын айырмашылық артады. Атмосфералық аралас қабат - бұл (шамамен) тұрақты потенциалдық температурасы бар қабат немесе температурасы шамамен 10 °C/км жылдамдықпен төмендейді, егер бұлттар болмаса. Мұндай қабаттың ылғалдылығы градиент болуы мүмкін. Мұхиттың аралас қабатындағыдай, жылдамдықтар атмосфераның аралас қабатында тұрақты болмайды.