Слоистая структура океана и её изменения под влиянием климата

Введение

Слои океанической воды из-за различий в плотности

Океаническая стратификация — это естественное разделение воды океана на горизонтальные слои по плотности, которое обычно стабильно, поскольку теплая вода плавает поверх холодной, а нагрев происходит в основном от солнца, что усиливает это расположение. Стратификация уменьшается при механическом перемешивании, вызванном ветром, но усиливается конвекцией (подъем теплой воды и опускание холодной). Стратификация наблюдается во всех океанических бассейнах, а также в других водоемах. Стратифицированные слои являются барьером для смешивания воды, что влияет на обмен теплом, углеродом, кислородом и другими питательными веществами. Поверхностный смешанный слой — это верхний слой океана, который хорошо перемешивается механическими (ветром) и термическими (конвекционными) эффектами. Изменение климата приводит к увеличению стратификации верхнего слоя океана. Южные океаны (к югу от 30° ю. ш.) испытали наиболее быстрый темп стратификации с 1960 года, за ними следуют Тихий, Атлантический и Индийский океаны. Изменение температуры воды напрямую влияет на расстояние между водными массами. При повышении температуры воды расстояние между водными массами увеличивается, а следовательно, уменьшается плотность. Соленость — это мера массы растворенных твердых веществ, состоящих в основном из соли. Увеличение солености приводит к увеличению плотности. Подобно тому, как пикноклин определяет слой с быстрым изменением плотности, аналогичные слои могут быть определены для быстрого изменения температуры и солености: термоклин и галоклин. Поскольку плотность зависит как от температуры, так и от солености, пикноклин, термоклин и галоклин имеют схожие формы. Разница заключается в том, что плотность увеличивается с глубиной, а соленость и температура уменьшаются. В океане существует определенный диапазон температуры и солености. Используя данные GODAS, члены этой формулы — плотность при нулевом давлении и член, связанный со сжимаемостью воды — сильно зависят от температуры и в меньшей степени от солености: [[File:Densittydependence2.png|thumb|350x350px|Температура поверхности, соленость поверхности и потенциальная плотность поверхности, рассчитанные и отображенные с использованием среднегодовых данных GODAS за 2000 год]]. В некоторых частях океана возникает неустойчивая стратификация, приводящая к конвекции. Если стратификация в водном столбе увеличивается, что подразумевает увеличение значения , турбулентное смешивание и, следовательно, вихревая вязкость уменьшатся. Кроме того, увеличение подразумевает увеличение , что означает, что разница в плотности в этом водном столбе также увеличивается. В течение года океаническая стратификация не является постоянной, поскольку она зависит от плотности, а следовательно, от температуры и солености. Межгодовые колебания стратификации тропической части Тихого океана обусловлены в основном Эль-Ниньо, которое может быть связано с сильными изменениями глубины термоклина в восточной экваториальной части Тихого океана. С другой стороны, перемешивание, вызванное тропическими штормами, также имеет тенденцию уменьшать различия в стратификации между слоями.

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.

Наблюдения по поводу увеличения стратификации

Изменения температуры и солености, вызванные глобальным потеплением и изменением климата, изменяют плотность океана и приводят к изменениям вертикальной стратификации. Регионы с в настоящее время наиболее глубокими смешанными слоями связаны с наибольшим уменьшением толщины смешанного слоя, особенно бассейн Северной Атлантики и Южного океана (и NCAR & UCAR News). На рисунке ниже представлены тенденции изменения стратификации во всех океанических бассейнах. Несмотря на то, что около 70% поверхности Земли покрыто водой, более 75% обмена водой между поверхностью Земли и атмосферой происходит над океанами. Океан поглощает часть энергии солнечного света в виде тепла, которое первоначально поглощается поверхностным слоем. В конечном итоге часть этого тепла распространяется и на более глубокие воды. Парниковые газы поглощают дополнительную энергию от солнца, которая, в свою очередь, поглощается океанами, что приводит к увеличению количества тепла, накапливаемого океанами. Повышение температуры океанов происходит относительно медленно по сравнению с атмосферой. Однако поглощение тепла океаном удвоилось с 1993 года, и океаны поглотили более 90% избыточного тепла Земли с 1955 года. В Арктике уменьшение солености, а следовательно, и плотности, можно объяснить притоком пресной воды от тающих ледников и ледяных щитов. Этот процесс и увеличение стратификации в Арктике будут продолжаться при текущих выбросах углерода. Поскольку кислород играет прямую и важную роль в циклах углерода, азота и многих других элементов, таких как фосфор, железо и магний, деоксигенация будет иметь серьезные последствия. Он играет жизненно важную роль для многих организмов и разнообразия морских животных всех видов. Деоксигенация в приповерхностных водах обусловлена уменьшением перемешивания океана, которое вызвано увеличением стратификации в верхних слоях океана. В течение года глубина смешанного слоя меняется: толщина слоя увеличивается зимой и уменьшается летом. Если смешанный слой достаточно глубок, меньше света достигает фитопланктона. Показано, что фитопланктон играет важную роль в глобальном углеродном цикле. Кроме того, поскольку фитопланктон находится в основании пищевой цепи, уменьшение его численности может иметь далеко идущие последствия. Четкая связь между увеличением стратификации и изменением глубины смешанного слоя пока не установлена и остается неопределенной. Хотя некоторые исследования показывают, что более тонкий смешанный слой должен сопровождать более стратифицированный верхний океан, другие работы сообщают о сезонном углублении смешанного слоя с 1970 года. Существуют данные, подтверждающие утверждение о том, что в период с 1970 по 2018 год увеличилась стратификация в основании смешанного слоя, а также его глубина. В противовес этому результату, другие исследования указывают на уменьшение глубины смешанного слоя, частично вызванное увеличением стратификации верхнего океана. Было обнаружено, что смешанный слой в зоне течения Куросио, на западной стороне Северной части Тихого океана, уменьшился более чем на 30 метров. Это уменьшение толщины вызвано ослаблением ветра и сокращением сезонного вертикального перемешивания. Кроме того, существуют исследования, показывающие, что нагревание поверхности океана и, следовательно, увеличение стратификации, не обязательно приводят к увеличению или уменьшению глубины смешанного слоя. Анализ данных GODAS показывает, что глубина смешанного слоя как увеличивалась, так и уменьшалась с течением времени. В период с 1970 по 2018 год глубина смешанного слоя летом (MLD) углубилась на 2,9 ± 0,5% в десятилетие (или на 5–10 м в десятилетие, в зависимости от региона), при этом наибольшее углубление наблюдалось в Южном океане. Однако наблюдательных данных, подтверждающих глобальное углубление смешанного слоя, недостаточно, и только при сценариях сильных выбросов парниковых газов глобальные глубины смешанного слоя уменьшатся в 21 веке. Хотя практически наверняка стратификация верхнего океана будет увеличиваться в течение 21 века, ученые выражают низкую уверенность в том, как будет изменяться глубина смешанного слоя. thumb|center|500x350px|Среднегодовые значения и изменение среднегодовых значений глубины смешанного слоя в 1980, 2000 и 2020 годах. График построен на основе данных GODAS. thumb|center|500x350px|Определение регионов с увеличением и уменьшением среднегодовых значений глубины смешанного слоя в 1980, 2000 и 2020 годах. График построен на основе данных GODAS.

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.