Североатлантический круговорот: структура и особенности циркуляции.

Введение

Основная круговая система океанских течений

Северо-Атлантический круговорот Атлантического океана является одним из пяти крупнейших океанических круговоротов. Это круговое океанское течение с ответвлениями в виде вихрей и субкруговоротов, простирающееся в Северной Атлантике от зоны межтропической конвергенции (штиля) до южных районов Исландии и от восточного побережья Северной Америки до западного побережья Европы и Африки. В свою очередь, он в основном подразделяется на Гольфстрим, текущий на север вдоль западного побережья; его часто ошибочно принимаемое за продолжение Северо-Атлантическое течение, простирающееся на севере; Канарское течение, текущее на юг вдоль восточного побережья; и Северо-Экваториальное течение Атлантики на юге. Круговорот характеризуется выраженной термохалинной циркуляцией, приносящей соленую воду с запада из Средиземного моря, а затем направляющей ее на север для формирования Североатлантической глубинной воды. Круговорот задерживает антропогенный (созданный человеком) морской мусор в естественном скоплении отходов, подобно тому, как Северо-Тихоокеанский круговорот содержит Большое тихоокеанское мусорное пятно. В центре круговорота находится Саргассово море, известное своими спокойными водами и обильными скоплениями водорослей.

Структура

Низкие температуры воздуха на высоких широтах вызывают значительный теплообмен между морем и атмосферой, приводя к увеличению плотности и конвекции в водном столбе. Конвекция в открытом океане происходит в виде глубоких шлейфов и особенно интенсивна зимой, когда разница температур между морем и воздухом максимальна. Из 6 свердрупов (Sv) плотных вод, направляющихся на юг через Гренландско-Шотландский хребет (GSR), 3 Sv проходят через Датский пролив, формируя Датское проливное переполнение (DSOW). 0,5–1 Sv течет через Исландско-Фарерский хребет, а оставшиеся 2–2,5 Sv возвращаются через Фарерско-Шетландский канал; эти два потока формируют Исландско-Шотландское переполнение (ISOW). Большая часть потока через Фарерско-Шетландский хребет проходит через канал Фарерского банка и вскоре объединяется с потоком, прошедшим через Исландско-Фарерский хребет, чтобы течь на юг в глубине вдоль восточного склона хребта Рейкьянес. При переполнении ISOW через Гренландско-Шотландский хребет (GSR), он турбулентно захватывает воды промежуточной плотности, такие как вода субполярного режима и вода Лабрадорского моря. Эта группа водных масс затем геострофически движется на юг вдоль восточного склона хребта Рейкьянес, через зону разлома Чарли Гиббса, а затем на север, чтобы соединиться с DSOW. Эти воды иногда называют переполненными водами Нордик (NSOW). NSOW циклонически течет по поверхностному маршруту субполярного вихря (SPG) вокруг Лабрадорского моря и дополнительно захватывает воду Лабрадорского моря (LSW). Характерно пресная вода Лабрадорского моря (LSW) формируется на промежуточных глубинах в результате глубокой конвекции в центральной части Лабрадорского моря, особенно во время зимних штормов. ISOW образуется пропорционально градиенту плотности через Исландско-Шотландский хребет и, следовательно, чувствителен к производству LSW, которое влияет на плотность ниже по течению. Косвенно, увеличение производства LSW связано с усилением SPG и, по гипотезе, обратно коррелирует с ISOW. Это взаимодействие затрудняет простое экстраполирование уменьшения отдельных переполняющихся вод на уменьшение AMOC. Считается, что производство LSW было минимальным до события 8,2 тыс. лет назад, и предполагается, что SPG существовал ранее в ослабленном, неконвективном состоянии. Ведутся дискуссии о степени влияния конвекции в Лабрадорском море на циркуляцию AMOC, особенно в связи между изменчивостью Лабрадорского моря и изменчивостью AMOC. Наблюдательные исследования не дали однозначного ответа о существовании этой связи. Новые наблюдения с использованием массива OSNAP показывают небольшой вклад Лабрадорского моря в опрокидывание, а гидрографические наблюдения с судов, датируемые 1990 годом, демонстрируют аналогичные результаты. Тем не менее, более ранние оценки образования LSW, основанные на различных методах, указывают на более интенсивное опрокидывание.

Low air temperatures at high latitudes cause substantial sea air heat flux, driving a density increase and convection in the water column. Open ocean convection occurs in deep plumes and is particularly strong in winter when the sea air temperature difference is largest. Of the 6 sverdrup (Sv) of dense water that flows southward over the GSR (Greenland Scotland Ridge), 3 Sv does so via the Denmark Strait forming Denmark Strait Overflow Water (DSOW). 0.5 1 Sv flows over the Iceland Faroe ridge and the remaining 2–2.5 Sv returns through the Faroe Shetland Channel; these two flows form Iceland Scotland Overflow Water (ISOW). The majority of flow over the Faroe Shetland ridge flows through the Faroe Bank Channel and soon joins that which flowed over the Iceland Faroe ridge, to flow southward at depth along the Eastern flank of the Reykjanes Ridge. As ISOW overflows the GSR (Greenland Scotland Ridge), it turbulently entrains intermediate density waters such as Sub Polar Mode water and Labrador Sea Water. This grouping of water masses then moves geostrophically southward along the East flank of Reykjanes Ridge, through the Charlie Gibbs Fracture Zone and then northward to join DSOW. These waters are sometimes referred to as Nordic Seas Overflow Water (NSOW). NSOW flows cyclonically following the surface route of the SPG (sub polar gyre) around the Labrador Sea and further entrains Labrador Sea Water (LSW). Characteristically fresh Labrador Sea Water (LSW) is formed at intermediate depths by deep convection in the central Labrador Sea, particularly during winter storms. ISOW is produced in proportion to the density gradient across the Iceland Scotland Ridge and as such is sensitive to LSW production which affects the downstream density More indirectly, increased LSW production is associated with a strengthened SPG and hypothesized to be anti correlated with ISOW This interplay confounds any simple extension of a reduction in individual overflow waters to a reduction in AMOC. LSW production is understood to have been minimal prior to the 8.2 ka event, with the SPG thought to have existed before in a weakened, non convective state. There is a debate about the extent to which convection in the Labrador Sea plays a role in AMOC circulation, particularly in the connection between Labrador sea variability and AMOC variability. Observational studies have been inconclusive about whether this connection exists. New observations with the OSNAP array show little contribution from the Labrador Sea to overturning, and hydrographic observations from ships dating back to 1990 show similar results. Nevertheless, older estimates of LSW formation using different techniques suggest larger overturning.

Сезонная изменчивость

Как и многие океанографические образования, Северный Атлантический Гир испытывает сезонные изменения. Страмма и Сидлер (1988) установили, что гир расширяется и сжимается с сезонной изменчивостью; однако величина объемного переноса, по-видимому, не меняется существенно. В течение зимнего сезона в Северном полушарии гир имеет более зональную структуру, то есть расширяется в широтном направлении и сужается в меридиональном. С переходом от зимы к лету гир смещается к югу на несколько градусов широты. Это происходит одновременно со смещением северо-восточной части гира. Было установлено, что зональные отклонения внутри гира остаются небольшими, в то время как к северу и югу от него они значительны. Данные, собранные в районе Саргассового моря в западной части Северного Атлантического Гира, предоставили аналитические доказательства связи изменчивости этого гира с зимним конвективным смешением. По данным Бейтса (2001), сезонное изменение температуры поверхности на 8-10 °C сопровождается колебанием глубины перемешивания между зимним и летним сезонами в Северном полушарии. Глубина перемешивания увеличивается с 200 метров зимой до примерно 10 метров летом. Питательные вещества большую часть года остаются ниже эвфотической зоны, что приводит к низкой первичной продуктивности. Однако во время зимнего конвективного смешения питательные вещества проникают в эвфотическую зону, вызывая кратковременное цветение фитопланктона весной. Это, в свою очередь, поднимает глубину перемешивания до 10 метров. Изменения в океанической биологии и вертикальном смешении между зимой и летом в Северном Атлантическом Гире сезонно изменяют общее количество углекислого газа в морской воде. Межгодовые тенденции показали, что концентрация углекислого газа в этом гире увеличивается с той же скоростью, что и в атмосфере. Это открытие совпадает с результатами, полученными для Северо-Тихоокеанского Гира. Северный Атлантический Гир также подвержен изменениям температуры под влиянием атмосферных волновых паттернов. Одним из таких паттернов является Североатлантическое колебание (NAO). В его положительной фазе гир нагревается. Это связано с ослаблением западных ветров, что приводит к уменьшению ветрового напряжения и теплообмена, и, следовательно, к увеличению времени для повышения температуры воды в гире.

As with many oceanographic patterns, the North Atlantic Gyre experiences seasonal changes. Stramma and Siedler (1988) determined that the gyre expands and contracts with a seasonal variance; however, the magnitude of volume transport does not seem to change significantly. During the Northern Hemisphere winter season, the gyre follows a more zonal pattern; that is, it expands in the east west direction and thins in the north south direction. As the seasons move from winter to summer, the gyre shifts south by a few degrees latitude. This occurs concurrently with the displacement of the northeastern part of the gyre. It has been concluded that zonal deviations within the gyre remain small while north and south of the gyre they are large. Data collected in the Sargasso Sea region in the western part of the North Atlantic Gyre has led to analytical evidence that the variability of this gyre is linked to wintertime convective mixing. According to Bates (2001), a seasonal variation of 8 10 °C in surface temperature occurs alongside a fluctuation in the mixed layer depth between the Northern Hemisphere winter and summer seasons. The depth rises from 200 meters in winter to about 10 meters in summer. Nutrients remain below the euphotic zone for most of the year, resulting in low primary production. Yet during winter convective mixing, nutrients penetrate the euphotic zone, causing a short lived phytoplankton bloom in the spring. This then lifts the mixed layer depth to 10 meters. The changes in oceanic biology and vertical mixing between winter and summer in the North Atlantic Gyre seasonally alter the total amount of carbon dioxide in the seawater. Interannual trends have established that carbon dioxide concentrations within this gyre are increasing at a similar rate to that occurring in the atmosphere. This discovery concurs with that made in the North Pacific Gyre. The North Atlantic Gyre also undergoes temperature changes via atmospheric wave patterns. The North Atlantic Oscillation (NAO) is one such pattern. During its positive phase, the gyre warms. This is due to a weakening of the westerly winds, resulting in reduced wind stress and heat exchange, providing a greater period of time for the gyre water temperatures to rise.

Загрязнение свинцом

Измеренные образцы аэрозолей, морских частиц и воды в гире с 1990 по 1992 год включали анализ соотношений изотопов свинца. Определенные изотопы указывают на загрязнение, главным образом из Европы и ближнего Востока, переносимое пассатами; другое загрязнение было вызвано преимущественно выбросами из США. Концентрации таких веществ определялись в поверхностных слоях Саргассового моря. 42–57% загрязнения происходило от промышленных и автомобильных источников в США, несмотря на сокращение производства и использования свинцового бензина в Соединенных Штатах. С 1992 года концентрация свинца значительно снижается – предполагается, что эта тенденция сохраняется и в поверхностных слоях Атлантического океана.