Stratifisering (vann) - Stratification (water)

Stratifisering er definert som separasjon av vann i lag basert på en bestemt mengde. To hovedtyper av lagdeling av vann er ensartet og lagvis lagdeling. Lagvis lagdeling forekommer i alle havbassengene. De lagdelte lagene fungerer som en barriere for blanding av vann, noe som kan påvirke utvekslingen av varme, karbon, oksygen og andre næringsstoffer. På grunn av oppstrømning og nedstrømning , som er både vinddrevet, blanding av forskjellige lag kan skje ved hjelp av en økning av kald næringsrikt og varmt vann, henholdsvis. Generelt er lagene basert på tettheten av vann. Intuitivt, tyngre og dermed tettere, ligger vannet under det lettere vannet, noe som representerer en stabil lagdeling . Et eksempel på et lag i havet er pyknoklin , som er definert som et lag i havet der endringen i tetthet er relativt stor sammenlignet med de andre lagene i havet. Tykkelsen på termoklinen er ikke konstant overalt, men avhenger av en rekke variabler. Gjennom årene har lagdeling av havbassengene økt. En økning i stratifisering betyr at forskjellene i tetthet av lagene i havene øker, noe som fører til for eksempel større blandingsbarrierer.

Tetthet av vann i havene

Tettheten av vann i havet, som er definert som masse per volumsenhet, har en komplisert avhengighet av temperatur ( ), saltholdighet ( ) og trykk ( ) (eller tilsvarende dybde) og betegnes som . Avhengigheten av trykk er ikke signifikant, siden sjøvann nesten ikke er komprimerbart. En endring i vanntemperaturen påvirker avstanden mellom vannpakker direkte. Når temperaturen på vannet øker, vil avstanden mellom vannpakker øke og dermed tettheten reduseres. En endring i saltholdighet induserer en motsatt reaksjon. Saltholdighet er et mål på massen av oppløste faste stoffer, som hovedsakelig består av salt. Derfor øker saltholdigheten tettheten. Akkurat som pyknoklin definerer laget med en rask tetthetsendring, kan lignende lag defineres for en rask endring i temperatur og saltinnhold: termoklinen og haloklinen . Siden tettheten avhenger av både temperaturen og saltholdigheten, har pykno-, termo- og haloklin en lignende form. Forskjellen er at tettheten øker med dybden, mens saltholdigheten og temperaturen synker med dybden.

Halo-, termo- og pyknoklin ved 10E, 30S. For dette bildet er det årlige middelet for året 2000 fra GODAS Data brukt.

I havet oppstår et bestemt temperatur- og saltholdighetsområde. Ved hjelp av GODAS-data kan et temperatur-saltholdighetsdiagram vise mulighetene og forekomsten av de forskjellige kombinasjonene av saltholdighet og potensiell temperatur .

Potensiell temperatur - saltopptak. Dette plottet ble generert ved hjelp av GODAS-data fra 2020.
Forekomster av kombinasjoner av potensiell temperatur og saltinnhold i havet. Dette plottet ble generert ved hjelp av GODAS-data fra 2020.

Den eksakte formelen for tetthet i havet kan defineres av UNESCO-formelen. I henhold til denne formelen kan tettheten til havvann bestemmes som følger:

Begrepene i denne formelen, tetthet når trykket er null, og et begrep som involverer vannets kompressibilitet , er både sterkt avhengig av temperaturen og mindre avhengig av saltinnholdet:
Overflatetemperaturen, overflatens saltholdighet og overflatepotensialtettheten beregnet og plottet ved bruk av det årlige gjennomsnittet over år 2000 av GODAS-dataene.

med:

og
I disse formlene er alle små bokstaver og konstanter som er definert i vedlegg A til en bok om interne tyngdebølger, utgitt i 2015.

Tettheten avhenger mer av temperaturen enn av saltholdigheten, som kan trekkes fra den eksakte formelen og kan vises i plott ved hjelp av GODAS-dataene. I plottene angående overflatetemperatur, saltholdighet og tetthet kan man se at steder med det kaldeste vannet, ved polene, også er de stedene med høyest tetthet. Regionene med høyest saltholdighet er derimot ikke regionene med høyest tetthet, noe som betyr at temperaturen mest bidrar til tettheten i havene. Et spesifikt eksempel er det arabiske hav.

Stratifisering av havet

Havstratifisering kan defineres og kvantifiseres ved endring i tetthet med dybde. Det er ikke uvanlig å bruke oppdriftsfrekvensen , eller noen ganger kalt Brunt-Väisälä-frekvensen som direkte representasjon av stratifisering i kombinasjon med observasjoner av temperatur og saltinnhold . Oppdriftsfrekvensen , som representerer den indre frekvensen til interne bølger, er definert som følger:

Her er gravitasjonskonstanten , er en referansetetthet og er den potensielle tettheten avhengig av temperatur og saltholdighet som diskutert tidligere. Vann anses å ha en stabil lagdeling for , noe som fører til en reell verdi på . Havet er vanligvis stabilt, og de tilsvarende verdiene i havet ligger mellom omtrent i avgrunnen og i de øvre delene av havet. Oppdriftstiden er definert som . Tilsvarende de forrige verdiene tar denne perioden vanligvis verdier mellom omtrent 10 og 100 minutter. I noen deler av havet vises ustabil stratifisering som fører til konveksjon . Hvis lagdelingen i en vannsøyle øker, medfører en økning av verdien , turbulent blanding og dermed virvelviskositeten vil avta. Videre innebærer en økning av , en økning på , noe som betyr at forskjellen i tetthet i denne vannsøylen også øker. Gjennom året er den oceaniske stratifiseringen ikke konstant, siden stratifiseringen avhenger av tetthet, og derfor av temperatur og saltinnhold. De årlige svingningene i stratifisering domineres av El Niño , som kan knyttes til de sterke variasjonene i termoklinen. Videre er tropiske stormer følsomme for forholdene ved lagdelingen og dermed for endringen.

Observasjoner om endring i stratifisering i havene

De siste tiårene har lagdelingen i alle havbassengene økt. Videre har lagdeling i sørhavene til og med økt mer enn i de nordlige havene. Ved å se på GODAS-data levert av NOAA / OAR / ESRL PSL, kan oppdriftsfrekvensene bli funnet fra januar 1980 til og med mars 2021. Siden en endring i stratifisering er mest synlig i de øvre 500 meter av havet, veldig spesifikke data er nødvendige for å se dette i et plott. De resulterende plottene fra GODAS Data kan indikere at det også er en reduksjon i stratifisering når man ser på forskjellene mellom stratifiseringen mellom årene 1980, 2000 og 2020. Det er mulig å se at endringen i stratifisering faktisk er den største i den første 500 meter av havet. Fra omtrent 1000 meter ut i havet konvergerer stratifiseringen seg mot en stabil verdi og endringen i stratifisering blir nesten ikke-eksisterende.

Årlige og breddemessige midler for forskjellige havbassenger. Dette plottet ble generert ved hjelp av GODAS-dataene fra 1980, 2000 og 2020.
Endring i årlige og breddemessige midler for forskjellige havbassenger. Dette plottet ble generert ved hjelp av GODAS-dataene fra 1980, 2000 og 2020.

I mange vitenskapelige artikler, magasiner og blogger hevdes det at lagdelingen har økt i alle havbassengene (f.eks. I Ecomagazine.com og NCAR & UCAR News ). I figuren nedenfor er trendene for endringen i stratifisering i alle havbassengene tegnet. Disse dataene viser at lagdeling gjennom årene har økt drastisk. Endringen har blitt sett på som den største i Sørhavet, etterfulgt av Stillehavet. I Stillehavet har økningen i stratifisering i det østlige ekvatorialet funnet seg å være større enn i det vestlige ekvatorialet. Dette vil sannsynligvis være knyttet til svekkelsen av passatvindene og redusert oppvelning i det østlige Stillehavet, noe som kan forklares med svekkelsen av Walker-sirkulasjonen .

Denne figuren viser den globale endringen i stratifisering siden 1960 til 2018 fra 0 til 2000 meter. (a) Globalt, (b) Stillehavet, (c) Atlanterhavet, (d) Det indiske hav og (e) Sørhavet . De tynne grå linjene indikerer de årlige variasjonene. Den lille plottet i (a) viser hastighetene på for den globale saken og for bassengene. Dette beregnes av sentrerte forskjeller i den glatte tidsserien (Glb: Global, Pac: Pacific, Atl: Atlantic, So: Southern, Ind: Indian). Trendene er tegnet for forskjellige datasett, indikert av de forskjellige linjene.

Endring i havstratifisering: årsaker og konsekvenser

Temperatur og blanding

Endringen i temperatur dominerer den økende stratifiseringen, mens saltholdighet bare spiller en rolle lokalt. Havet har en ekstraordinær evne til å lagre og transportere store mengder varme, karbon og ferskvann. Selv om omtrent 70% av jordoverflaten består av vann, skjer mer enn 75% av vannutvekslingen mellom jordoverflaten og atmosfæren over havene. Havet absorberer en del av energien fra sollys som varme og blir i første omgang absorbert av overflaten. Til slutt spres en del av denne varmen også til dypere vann. Klimagasser absorberer ekstra energi fra solen, som igjen absorberes av havene, noe som fører til en økning i varmen som lagres av havene. Økningen av temperaturen i havene går ganske sakte, sammenlignet med atmosfæren. Havopptaket har imidlertid doblet seg siden 1993, og havene har absorbert over 90% av jordens ekstra varme siden 1955. Temperaturen i havet, opp til omtrent 700 meter dypt i havet, har steget nesten over hele kloden. Hvis det øvre havets varme fortsetter å øke og påvirke tettheten, vil lagdeling i de øvre delene av havet endre seg. Stratifiseringen i de øvre lagene vil endre seg mer enn i de lavere lagene, og derved øker barrieren mellom de øvre lagene og dypvannet. Dette vil øke barrieren for blanding.

Saltinnhold

Saltinnholdet er assosiert med forskjellen mellom fordampning og nedbør . Fordampning får vannet til å bli mer saltvann og dermed tettere. Nedbør har motsatt effekt, siden det reduserer overflatevannets tetthet. Derfor kan det sies at saltholdighet spiller en mer lokal rolle i økningen av stratifisering, selv om den er mindre tilstede i forhold til innflytelsen fra temperaturen. For eksempel spiller saltholdighet en viktig rolle i den subtropiske gyren, Nord (øst) Stillehavet, Nord-Atlanteren og Arktis. I Arktis kan reduksjonen av saltholdighet, og dermed tettheten, forklares med tilførsel av ferskvann fra smeltende isbreer og isark. Denne prosessen og økningen av stratifisering i Arktis vil fortsette med dagens karbonutslipp.

De-oksygenering

En nedgang i oppløst , og dermed tilførsel til havets indre, er en sannsynlig effekt av økningen i lagdeling i øvre hav. Siden det spiller en direkte og viktig rolle i syklusene av karbon, nitrogen og mange andre elementer som fosfor, jern og magnesium, vil avoksygenering få store konsekvenser. Av-oksygeneringen i underjordisk vann skyldes reduksjonen i havblanding, som er forårsaket av økningen av stratifisering i øvre hav. For å illustrere, i perioden mellom 1970 og 1990, kan omtrent 15% av av-oksygeneringen forklares med en økning i temperatur og resten ved redusert transport på grunn av stratifisering. I perioden mellom 1967 og 2000 var reduksjonen i oksygenkonsentrasjonen i det grunne vannet, mellom 0 og 300 meter, 10 ganger raskere i kysthavet sammenlignet med åpent hav. Dette har ført til en økning av

hypoksiske soner , noe som kan føre til en endring i oppførselen til vannfloraen og faunaen. Økningen av lagdeling i øvre hav i løpet av andre halvdel av det 21. århundre kan føre til en frikobling mellom overflaten og de dypere havene. Denne frakoblingen kan også forårsake oksygenering i det dypere hav, siden frakoblingen gjør det mindre sannsynlig at oksygen når de dypere havene.

Likevel kan endringen i oksygenkonsentrasjon også påvirkes av endringer i sirkulasjon og vind. Og selv om oksygen har redusert i mange områder av havene, kan det også øke lokalt på grunn av en rekke påvirkninger på oksygenet. Mellom 1990 og 2000 har for eksempel oksygenet i termoklinen i Det indiske hav og Sør-Stillehavet økt.

Blandet lagdybde

Det overflatemiksede laget er det øverste laget i havet. På grunn av turbulensen i dette laget, generert av for eksempel vind, overflatevarmestrømning og fordampning, kan det oppstå en økning i saltholdighet. Varmen lagret i det blandede laget kan drive fenomener som El Niño. Dybden av det blandede laget er assosiert med fysiske, kjemiske og biologiske systemer og er en av de viktigste mengdene i øvre hav. Gjennom året varierer dybden på det blandede laget. Tykkelsen på laget øker om vinteren og avtar om sommeren. Hvis det blandede laget er veldig dypt, kan mindre lys nå planteplanktonet . Fytoplankton har vist seg å være viktig i den globale karbonsyklusen. Siden planteplankton er i bunnen av næringskjeden, kan en reduksjon i planteplankton dessuten få konsekvenser i veldig stor skala.

En nøyaktig sammenheng mellom en økning i stratifisering og en endring i blandingslagdybden er ennå ikke bestemt og er fortsatt usikker. Det er litteratur som underbygger påstanden om at i årene fra 1970 til 2018 har lagdelingen i grunnlaget for det blandede laget så vel som dybden av det blandede laget økt. I motsetning til dette resultatet angir annen litteratur en reduksjon av dybden av det blandede laget, delvis som et resultat av økningen av overhavsstratifisering. Det er funnet at det blandede laget i forlengelsen av Kuroshio Current , på vestsiden av Nord-Stillehavet, har redusert med mer enn 30 meter. Denne stimlingen er forårsaket av svekkelse av vind og reduksjon av sesongens vertikale blanding. Videre eksisterer det forskning som sier at oppvarming av havoverflaten, og dermed en økning i stratifisering, ikke nødvendigvis betyr en økning eller reduksjon i blandingslagdybden. Ved hjelp av GODAS-data kan det sees at dybden av det blandede laget har økt så vel som redusert over tid.

Årlig middel og endring i årlig middel for blandingslagdybden 1980, 2000 og 2020. Denne plottet ble generert ved hjelp av GODAS Data.
Identifikasjon av regioner med økning og reduksjon av årlige midler for blandingslagdybden 1980, 2000 og 2020. Dette plottet ble generert ved hjelp av GODAS Data.

Se også


Referanser