Stratyfikacja (woda) - Stratification (water)
Stratyfikacja jest definiowana jako oddzielenie wody warstwami na podstawie określonej ilości. Dwa główne typy stratyfikacji wody to stratyfikacja jednorodna i warstwowa. Stratyfikacja warstwowa występuje we wszystkich basenach oceanicznych. Warstwy warstwowe stanowią barierę dla mieszania się wody, co może wpływać na wymianę ciepła, węgla, tlenu i innych składników odżywczych. Z powodu upwellingu i downwellingu , które są napędzane przez wiatr, może dojść do mieszania różnych warstw, odpowiednio przez podniesienie się zimnej wody bogatej w składniki odżywcze i ciepłej wody. Generalnie warstwy są oparte na gęstości wody. Intuicyjnie, cięższa, a co za tym idzie, gęstsza woda znajduje się poniżej lżejszej wody, co oznacza stabilne rozwarstwienie . Przykładem warstwy w oceanie jest piknoklina , którą definiuje się jako warstwę w oceanie, w której zmiana gęstości jest stosunkowo duża w porównaniu z innymi warstwami w oceanie. Grubość termokliny nie jest wszędzie stała, ale zależy od wielu zmiennych. Z biegiem lat zwiększyła się stratyfikacja basenów oceanicznych. Wzrost stratyfikacji oznacza, że różnice w gęstości warstw w oceanach rosną, prowadząc na przykład do większych barier mieszania.
Gęstość wody w oceanach
Gęstość wody w oceanie, która jest definiowana jako masa na jednostkę objętości, ma skomplikowaną zależność od temperatury ( ), zasolenia ( ) i ciśnienia ( ) (lub równoważnej głębokości) i jest oznaczona jako . Zależność od ciśnienia nie jest znacząca, ponieważ woda morska jest prawie całkowicie nieściśliwa. Zmiana temperatury wody wpływa bezpośrednio na odległość między działkami wodnymi. Wraz ze wzrostem temperatury wody zwiększa się odległość między działkami wodnymi, a tym samym zmniejsza się gęstość. Zmiana zasolenia wywołuje odwrotną reakcję. Zasolenie jest miarą masy rozpuszczonych ciał stałych, które składają się głównie z soli. Stąd zwiększenie zasolenia zwiększy gęstość. Tak jak piknoklina definiuje warstwę o szybkiej zmianie gęstości, podobne warstwy można zdefiniować dla szybkiej zmiany temperatury i zasolenia: termoklinę i haloklinę . Ponieważ gęstość zależy zarówno od temperatury, jak i zasolenia, podobny kształt mają pikno-, termo- i haloklina. Różnica polega na tym, że gęstość rośnie wraz z głębokością, natomiast zasolenie i temperatura maleją wraz z głębokością.
W oceanie występuje określony zakres temperatur i zasolenia. Korzystając z danych GODAS, wykres temperatura-zasolenie może pokazać możliwości i występowanie różnych kombinacji zasolenia i potencjalnej temperatury .
Dokładną formułę gęstości w oceanie określa formuła UNESCO. Zgodnie z tym wzorem gęstość wody oceanicznej można określić w następujący sposób:
z:
Gęstość zależy bardziej od temperatury niż od zasolenia, co można wywnioskować z dokładnego wzoru i przedstawić na wykresach z wykorzystaniem danych GODAS. Na wykresach dotyczących temperatury powierzchni, zasolenia i gęstości można zauważyć, że lokalizacje o najzimniejszej wodzie na biegunach są również lokalizacjami o największym zagęszczeniu. Z drugiej strony regiony o największym zasoleniu nie są regionami o największej gęstości, co oznacza, że temperatura ma największy wpływ na gęstość oceanów. Konkretnym przykładem jest Morze Arabskie.
Stratyfikacja oceanu
Stratyfikacja oceanów może być zdefiniowana i skwantyfikowana poprzez zmianę gęstości wraz z głębokością. Nierzadko używa się częstotliwości wyporu lub czasami nazywanej częstotliwością Brunta-Väisälä jako bezpośrednią reprezentację stratyfikacji w połączeniu z obserwacjami temperatury i zasolenia . Częstotliwość wyporu , reprezentująca wewnętrzną częstotliwość fal wewnętrznych, definiuje się w następujący sposób:
Obserwacje zmian stratyfikacji w oceanach
W ciągu ostatnich kilku dekad wzrosło rozwarstwienie we wszystkich basenach oceanicznych. Co więcej, w oceanach południowych rozwarstwienie wzrosło nawet bardziej niż w oceanach północnych. Patrząc na dane GODAS dostarczone przez NOAA/OAR/ESRL PSL, częstotliwości wyporu można znaleźć od stycznia 1980 r. do marca 2021 r. włącznie. Ponieważ zmiana stratyfikacji jest widoczna głównie w górnych 500 metrach oceanu, bardzo aby zobaczyć to na wykresie, potrzebne są określone dane. Uzyskane wykresy z danych GODAS mogą wskazywać, że występuje również spadek stratyfikacji, biorąc pod uwagę różnice w stratyfikacji między latami 1980, 2000 i 2020. Można zauważyć, że zmiana stratyfikacji jest rzeczywiście największa w pierwszym 500 metrów oceanu. Od około 1000 metrów w głąb oceanu stratyfikacja zbiega się w kierunku stabilnej wartości, a zmiana stratyfikacji prawie nie zachodzi.
W wielu artykułach naukowych, czasopismach i blogach twierdzi się, że rozwarstwienie wzrosło we wszystkich basenach oceanicznych (np. w Ecomagazine.com i NCAR & UCAR News ). Na poniższym rysunku przedstawiono trendy zmian stratyfikacji we wszystkich basenach oceanicznych. Z danych tych wynika, że na przestrzeni lat rozwarstwienie drastycznie się zwiększyło. Zmiana była postrzegana jako największa na Oceanach Południowych, a następnie na Oceanie Spokojnym. Na Oceanie Spokojnym wzrost stratyfikacji we wschodniej części równika okazał się większy niż w zachodniej części równika. Jest to prawdopodobnie związane z osłabieniem pasatów i zmniejszonym upwellingiem na wschodnim Pacyfiku, co można wyjaśnić osłabieniem krążenia Walkera .
Zmiana stratyfikacji oceanów: przyczyny i konsekwencje
Temperatura i mieszanie
W rosnącej stratyfikacji dominuje zmiana temperatury, podczas gdy zasolenie odgrywa rolę tylko lokalnie. Ocean ma niezwykłą zdolność magazynowania i transportu dużych ilości ciepła, węgla i słodkiej wody. Chociaż około 70% powierzchni Ziemi składa się z wody, ponad 75% wymiany wody między powierzchnią Ziemi a atmosferą odbywa się nad oceanami. Ocean pochłania część energii ze światła słonecznego w postaci ciepła i początkowo jest pochłaniany przez powierzchnię. W końcu część tego ciepła rozprzestrzenia się również na głębsze wody. Gazy cieplarniane pochłaniają dodatkową energię słoneczną, która jest ponownie pochłaniana przez oceany, co prowadzi do wzrostu ilości ciepła zmagazynowanego przez oceany. Wzrost temperatury oceanów postępuje dość wolno w porównaniu z atmosferą. Jednak pochłanianie ciepła przez oceany podwoiło się od 1993 r., a oceany pochłonęły ponad 90% dodatkowego ciepła Ziemi od 1955 r. Temperatura w oceanach, do około 700 metrów w głąb oceanu, rośnie niemal na całym glob. Jeśli ciepło w górnej części oceanu będzie wzrastać, wpływając na gęstość, ulegnie zmianie rozwarstwienie w górnych partiach oceanu. Rozwarstwienie w górnych warstwach zmieni się bardziej niż w dolnych warstwach, a tym samym zwiększy się bariera między górnymi warstwami a głębinową wodą. Zwiększy to barierę mieszania.
Zasolenie
Zasolenie jest związane z różnicą pomiędzy parowaniem a opadem . Parowanie powoduje, że woda staje się bardziej zasolona, a co za tym idzie gęstsza. Opady mają odwrotny skutek, ponieważ zmniejszają gęstość wód powierzchniowych. Można więc stwierdzić, że zasolenie odgrywa bardziej lokalną rolę we wzroście stratyfikacji, chociaż jest ono mniej obecne w porównaniu z wpływem temperatury. Na przykład zasolenie odgrywa ważną rolę w wirach subtropikalnych, Północnym (-Wschodnim) Pacyfiku, Północnym Atlantyku i Arktyce. W Arktyce spadek zasolenia, a tym samym gęstości, można wytłumaczyć napływem słodkiej wody z topniejących lodowców i pokryw lodowych. Ten proces i wzrost stratyfikacji w Arktyce będą kontynuowane przy obecnej emisji dwutlenku węgla.
Odtlenianie
Prawdopodobnym skutkiem wzrostu stratyfikacji w górnej części oceanu jest spadek zawartości substancji rozpuszczonych , a co za tym idzie, dostaw do wnętrza oceanu. Ponieważ odgrywa bezpośrednią i ważną rolę w cyklach węgla, azotu i wielu innych pierwiastków takich jak fosfor, żelazo czy magnez, deoksygenacja będzie miała duże konsekwencje. Deoksygenacja w wodach podpowierzchniowych jest spowodowana zmniejszeniem mieszania się oceanów, co jest spowodowane wzrostem stratyfikacji w górnej części oceanu. Dla zilustrowania, w latach 1970-1990 około 15% deoksygenacji można wytłumaczyć wzrostem temperatury, a resztę zredukowanym transportem w wyniku stratyfikacji. W okresie od 1967 do 2000 roku spadek stężenia tlenu w wodach płytkich, od 0 do 300 metrów, był 10 razy szybszy na oceanie przybrzeżnym niż na otwartym oceanie. Doprowadziło to do wzrostu
stref niedotlenienia , co może prowadzić do zmiany zachowania flory i fauny wodnej. Wzrost stratyfikacji w górnej części oceanu w drugiej połowie XXI wieku może prowadzić do oddzielenia między oceanami powierzchniowymi i głębszymi. To rozdzielenie może powodować odtlenianie również w głębszych oceanach, ponieważ rozdzielenie zmniejsza prawdopodobieństwo, że tlen dotrze do głębszych oceanów.Niemniej jednak na zmianę stężenia tlenu mogą również wpływać zmiany w cyrkulacji i wiatry. I chociaż ilość tlenu spadła w wielu obszarach oceanów, może również wzrosnąć lokalnie, ze względu na różnorodne wpływy na tlen. Na przykład w latach 1990-2000 wzrosła zawartość tlenu w termoklinie Oceanu Indyjskiego i Południowego Pacyfiku.
Mieszana głębokość warstwy
Warstwa mieszana powierzchniowa jest najwyżej położoną warstwą w oceanie. Ze względu na turbulencje w tej warstwie, generowane np. przez wiatry, powierzchniowe strumienie ciepła i parowanie, może wystąpić wzrost zasolenia. Ciepło zmagazynowane w warstwie mieszanej może napędzać zjawiska takie jak El Niño. Głębokość warstwy mieszanej jest związana z systemami fizycznymi, chemicznymi i biologicznymi i jest jedną z najważniejszych wielkości w górnym oceanie. Głębokość warstwy mieszanej zmienia się w ciągu roku. Grubość warstwy wzrasta zimą i zmniejsza się latem. Jeśli zmieszana warstwa jest naprawdę głęboka, do fitoplanktonu dociera mniej światła . Wykazano, że fitoplankton odgrywa ważną rolę w globalnym obiegu węgla. Ponadto, ponieważ fitoplankton znajduje się na dole łańcucha pokarmowego, spadek fitoplanktonu może mieć konsekwencje na bardzo dużą skalę.
Dokładny związek między wzrostem stratyfikacji a zmianą głębokości warstwy mieszanej nie został jeszcze określony i pozostaje niepewny. Istnieje literatura uzasadniająca twierdzenie, że w latach 1970-2018 wzrosło rozwarstwienie w podłożu warstwy mieszanej oraz głębokość warstwy mieszanej. Wbrew temu wynikowi inna literatura podaje spadek głębokości warstwy mieszanej częściowo w wyniku wzrostu stratyfikacji górnego oceanu. Stwierdzono, że warstwa mieszana w przedłużeniu Prądu Kuroshio po zachodniej stronie Północnego Pacyfiku zmniejszyła się o ponad 30 metrów. Zaleganie jest spowodowane osłabieniem wiatru i ograniczeniem sezonowego mieszania pionowego. Ponadto istnieją badania stwierdzające, że nagrzewanie się powierzchni oceanu, a co za tym idzie wzrost stratyfikacji, niekoniecznie oznacza wzrost lub spadek głębokości warstwy mieszanej. Korzystając z danych GODAS można zauważyć, że głębokość mieszanej warstwy z czasem wzrosła, a także zmniejszyła się.
Zobacz też
- Stratyfikacja jeziora – Rozdzielenie wody w jeziorze na odrębne warstwy
- Zmiana klimatu – Obecny wzrost średniej temperatury na Ziemi i jego skutki.