Smíšená vrstva - Mixed layer
Oceánská nebo limnologická smíšená vrstva je vrstva, ve které aktivní turbulence homogenizovala určitý rozsah hloubek. Povrchová směsná vrstva je vrstva, kde tato turbulence je generována větry, povrchovými tepelnými toky nebo procesy, jako je odpařování nebo tvorba mořského ledu, které vedou ke zvýšení slanosti. Atmosférická směsná vrstva je zóna mající téměř konstantní potenciální teplotu a specifickou vlhkost s výškou. Hloubka atmosférické smíšené vrstvy se nazývá výška míchání . Turbulence obvykle hraje roli při tvorbě vrstev smíšených s tekutinami .
Oceánská smíšená vrstva
Důležitost smíšené vrstvy
Smíšená vrstva hraje důležitou roli ve fyzickém podnebí. Protože měrné teplo oceánské vody je mnohem větší než vzduchové, horní 2,5 m oceánu drží tolik tepla jako celá atmosféra nad ním. Teplo potřebné ke změně smíšené vrstvy 2,5 m o 1 ° C by tedy bylo dostatečné ke zvýšení teploty atmosféry o 10 ° C. Hloubka smíšené vrstvy je tedy velmi důležitá pro stanovení teplotního rozsahu v oceánských a pobřežních oblastech. Kromě toho teplo uložené v oceánské smíšené vrstvě poskytuje zdroj tepla, který pohání globální variabilitu, jako je El Niño .
Smíšená vrstva je také důležitá, protože její hloubka určuje průměrnou úroveň světla pozorovaného mořskými organismy. Ve velmi hlubokých smíšených vrstvách nejsou malé mořské rostliny známé jako fytoplankton schopny získat dostatek světla k udržení svého metabolismu. Prohlubování smíšené vrstvy v zimním období v severním Atlantiku je proto spojeno se silným poklesem povrchového chlorofylu a. Toto hluboké míchání však také doplňuje zásoby povrchových živin. Když se tedy smíšená vrstva na jaře stane mělkou a zvýší se úroveň světla, často dochází k souběžnému nárůstu biomasy fytoplanktonu, známého jako „jarní květ“.
Tvorba oceánské smíšené vrstvy
Existují tři primární zdroje energie pro řízení turbulentního míchání ve smíšené vrstvě otevřeného oceánu. První jsou vlny oceánu, které působí dvěma způsoby. První je generování turbulencí poblíž povrchu oceánu, které působí tak, že míchá lehkou vodu dolů. Ačkoli tento proces vstřikuje velké množství energie do horních několika metrů, většina z nich se rozptýlí relativně rychle. Pokud se oceánské proudy mění s hloubkou, vlny s nimi mohou interagovat a řídit proces známý jako cirkulace Langmuir , velké víry, které se míchají do hloubek desítek metrů. Druhým jsou proudy poháněné větrem, které vytvářejí vrstvy, ve kterých jsou nůžky rychlosti. Když tyto nůžky dosáhnou dostatečné velikosti, mohou se najíst do stratifikované tekutiny. Tento proces je často popisován a modelován jako příklad Kelvin-Helmholtzovy nestability , i když mohou hrát roli i jiné procesy. A konečně, pokud chlazení, přidání solanky z mrznoucího mořského ledu nebo odpařování na povrchu způsobí zvýšení hustoty povrchu, dojde ke konvekci . Nejhlubší smíšené vrstvy (přesahující 2 000 mv oblastech, jako je Labradorské moře ) se vytvářejí prostřednictvím tohoto finálního procesu, který je formou Rayleigh – Taylorovy nestability . První modely smíšené vrstvy, jako jsou Mellor a Durbin, zahrnovaly poslední dva procesy. V pobřežních zónách mohou při vytváření smíšené vrstvy hrát důležitou roli také velké rychlosti způsobené přílivem a odlivem.
Smíšená vrstva se vyznačuje tím, že má téměř rovnoměrné vlastnosti, jako je teplota a slanost v celé vrstvě. Rychlosti však mohou ve smíšené vrstvě vykazovat významné smyky. Dno smíšené vrstvy je charakterizováno gradientem , při kterém se mění vlastnosti vody. Oceánografové používají různé definice počtu, které lze použít jako hloubku smíšené vrstvy v daném okamžiku, na základě měření fyzikálních vlastností vody. Často dochází k náhlé změně teploty nazývané termoklin , která označuje spodní část smíšené vrstvy; někdy může dojít k náhlé změně slanosti, která se nazývá haloklin . Kombinovaný vliv změn teploty a slanosti má za následek náhlou změnu hustoty nebo pycnocline . Navíc ostré přechody v živinách (nutricline) a kyslíku (oxycline) a maximum v koncentraci chlorofylu jsou často umístěny společně se základnou sezónní smíšené vrstvy.
Stanovení hloubky oceánské smíšené vrstvy
Hloubku smíšené vrstvy často určuje hydrografie - měření vlastností vody. Dvě kritéria často používané ke stanovení hloubky smíšené vrstvy , jsou teplota a Sigma- t (hustota) změna z referenční hodnoty (obvykle měření povrchu). Kritérium teploty použité v Levitu (1982) definuje smíšenou vrstvu jako hloubku, ve které je změna teploty od povrchové teploty 0,5 ° C. Sigma- t (hustota) kritériem v Levitus používá hloubku, v níž změna z povrchu Sigma- t došlo od 0,125. Ani z jednoho kritéria nevyplývá, že k aktivnímu míchání dochází do hloubky smíšené vrstvy vždy. Spíše je hloubka smíšené vrstvy odhadnutá z hydrografie měřítkem hloubky, do které dochází k míchání v průběhu několika týdnů.
Tloušťka ochranné vrstvy
Tloušťka bariérové vrstvy (BLT) je vrstva vody oddělující dobře promíchanou povrchovou vrstvu od termoklinu . Přesnější definicí by byl rozdíl mezi hloubkou smíšené vrstvy (MLD) vypočítanou z teploty minus hloubka smíšené vrstvy vypočítaná pomocí hustoty. První zmínka o tomto rozdílu jako bariérové vrstvě byla v článku popisujícím pozorování v západním Pacifiku v rámci studie Western Equatorial Pacific Ocean Circulation Study. V oblastech, kde je přítomna bariérová vrstva, je stratifikace stabilní kvůli silnému vztlaku, který je spojen s čerstvou (tj. Vznášející se) vodní hmotou, která sedí na vrcholu vodního sloupce.
V minulosti bylo typickým kritériem pro MLD hloubka, ve které se povrchová teplota ochlazuje určitou změnou teploty od povrchových hodnot. Například Levitus používal 0,5 ° C. V příkladu vpravo je 0,2 ° C použito k definici MLD (tj. D T-02 na obrázku). Před bohatou slaností podpovrchové vody dostupnou od společnosti Argo to byla hlavní metodika pro výpočet oceánské MLD. V poslední době bylo k definici MLD použito kritérium hustoty. MLD odvozená z hustoty je definována jako hloubka, kde se hustota zvyšuje z povrchové hodnoty v důsledku předepsaného snížení teploty o určitou hodnotu (např. 0,2 ° C) z povrchové hodnoty při zachování konstantní hodnoty slanosti povrchu. (tj. D T-02 - D sigma ).
Režimy BLT
Velké hodnoty BLT se obvykle nacházejí v rovníkových oblastech a mohou dosahovat až 50 m. Nad bariérovou vrstvou může být dobře promíchaná vrstva způsobena místními srážkami převyšujícími odpařování (např. V západním Pacifiku), odtokem z řeky souvisejícím s monzunem (např. V severním Indickém oceánu) nebo advekcí slané vody subdukované v subtropech (nalezené v všechny subtropické oceánské gyry ). Tvorba bariérové vrstvy v subtropech je spojena se sezónními změnami hloubky smíšené vrstvy, ostřejším gradientem slanosti mořského povrchu (SSS) než obvykle a subdukcí přes tuto frontu SSS. Bariérová vrstva se zejména vytváří v zimním období v rovníkovém křídle subtropických maxim slanosti. Na začátku zimy atmosféra ochladí povrch a silný vítr a negativní vztlak nutí míchat teplotu k hluboké vrstvě. Současně je zasažena čerstvá povrchová slanost z deštivých oblastí v tropech. Hluboká teplotní vrstva spolu se silnou stratifikací slanosti dává podmínky pro vytvoření bariérové vrstvy.
U západního Pacifiku je mechanismus tvorby bariérových vrstev odlišný. Podél rovníku je východní okraj teplého bazénu (typicky 28 ° C izoterma - viz pozemek SST v západním Pacifiku) demarkační oblastí mezi teplou sladkou vodou na západ a studenou, slanou, převázanou vodou v centrálním Pacifiku. Bariérová vrstva se vytvoří v izotermické vrstvě, když se slaná voda subdukuje (tj. Hustší vodní hmota se pohybuje pod druhou) z východu do teplého bazénu v důsledku místní konvergence nebo teplá sladká voda přepíše hustší vodu na východ. Zde jsou faktory, které přispívají k hluboké tvorbě BLT , slabé větry, silné srážky, východ s nízkou slaností vody, subdukce slané vody na západ a klesající rovníkové vlny Kelvina nebo Rossbyho .
Důležitost BLT
Před El Nino teplý bazén akumuluje teplo a je omezen na daleký západní Pacifik. Během El Nino se teplý bazén stěhuje na východ spolu se současnými srážkami a současnými anomáliemi. Načtení z Westerlies se zvyšuje v průběhu této doby, posílení událost. Pomocí údajů z lodi příležitosti a kotviště tropické atmosféry - oceánu (TAO) v západním Pacifiku byla sledována migrace teplého bazénu na východ a západ v letech 1992–2000 pomocí slanosti povrchu moře (SSS), teploty povrchu moře (SST) , proudy a podpovrchová data z vodivosti, teploty, hloubky pořízená na různých výzkumných plavbách. Tato práce ukázala, že během toku na západ se BLT v západním Pacifiku podél rovníku (138 o E-145 o E, 2 o N-2 o S) pohybovala mezi 18 m - 35 m, což odpovídá teplé SST a sloužilo jako efektivní akumulační mechanismus pro teplo. Tvorba bariérové vrstvy je poháněna západními (tj. Konvergujícími a subdukčními) proudy podél rovníku poblíž východního okraje slané fronty, která definuje teplý bazén. Tyto proudy na západ jsou poháněny downwellingovými Rossbyho vlnami a představují buď západní advekci BLT, nebo preferenční prohloubení hlubšího termoklinu oproti mělčímu haloklinu díky dynamice Rossbyho vln (tj. Tyto vlny upřednostňují vertikální protažení horního vodního sloupce). Během El Nina pohání západní vítr teplý bazén na východ, který umožňuje čerstvé vodě jezdit po místní chladnější / slanější / hustší vodě na východ. Použitím spojených modelů atmosféry a oceánu a vyladěním míchání k eliminaci BLT po dobu jednoho roku před El Nino se ukázalo, že hromadění tepla spojené s bariérovou vrstvou je pro velké El Nino požadavkem. Ukázalo se, že existuje těsný vztah mezi SSS a SST v západním Pacifiku a bariérová vrstva pomáhá udržovat teplo a hybnost v teplém bazénu ve vrstvě slanosti. Pozdější práce, včetně Argo drifters, potvrzují vztah mezi migrací teplého bazénu na východ během El Nino a akumulací tepla bariérovou vrstvou v západním Pacifiku. Hlavním dopadem bariérové vrstvy je udržování mělké smíšené vrstvy umožňující zvýšenou reakci spojenou vzduchem a mořem. Kromě toho je BLT klíčovým faktorem při stanovení průměrného stavu, který je narušen během El Nino / La Niña
Limnologické formování smíšené vrstvy
Tvorba smíšené vrstvy v jezeře je podobná tvorbě v oceánu, ale ke smíchání v jezerech dochází pravděpodobněji pouze díky molekulárním vlastnostem vody . Voda mění hustotu, protože mění teplotu. V jezerech teplotní strukturu komplikuje skutečnost, že sladká voda je nejtěžší při teplotě 3,98 ° C (stupně Celsia). Takže v jezerech, kde je povrch velmi chladný, se smíšená vrstva na jaře krátce rozšíří až ke dnu, jak se povrch ohřívá, stejně jako na podzim, když se povrch ochladí. Toto převrácení je často důležité pro udržení okysličování velmi hlubokých jezer.
Studium limnologie zahrnuje všechny vnitrozemské vodní útvary, včetně vodních ploch se solí. Ve slaných jezerech a mořích (například v Kaspickém moři) se smíšená tvorba vrstev obecně chová podobně jako oceán.
Tvorba atmosférické smíšené vrstvy
Atmosférická smíšená vrstva je výsledkem konvekčních pohybů vzduchu, které jsou obvykle vidět uprostřed dne, když se vzduch na povrchu ohřívá a stoupá. Je tedy smíchán Rayleigh-Taylorovou nestabilitou . Standardní postup pro stanovení hloubky smíšené vrstvy je zkoumání profilu potenciální teploty , teploty, kterou by měl vzduch, kdyby byl přiveden na tlak nalezený na povrchu bez získání nebo ztráty tepla. Protože takové zvýšení tlaku zahrnuje stlačování vzduchu, je potenciální teplota vyšší než teplota in-situ, s tím, jak se v atmosféře stoupá, rozdíl se zvyšuje. Atmosférická smíšená vrstva je definována jako vrstva (přibližně) konstantní potenciální teploty nebo vrstva, ve které teplota klesá rychlostí přibližně 10 ° C / km za předpokladu, že je bez mraků. Taková vrstva však může mít gradienty vlhkosti. Stejně jako v případě oceánské smíšené vrstvy nebudou rychlosti v celé atmosférické smíšené vrstvě konstantní.
Reference
- Mellor, GL; Durbin, PA (1975). "Struktura a dynamika smíšené vrstvy povrchu oceánu" . Journal of Physical Oceanography . 5 (4): 718–728. Bibcode : 1975JPO ..... 5..718M . doi : 10.1175 / 1520-0485 (1975) 005 <0718: TSADOT> 2.0.CO; 2 .
externí odkazy
- Lake effect snow pro odkaz na snímek NASA ze satelitu SeaWiFS ukazující mraky v atmosférické smíšené vrstvě.
- Navštivte webovou stránku Ifremer / Los Mixed Layer Depth Climatology na Redirection, kde najdete přístup k aktuální oceánské smíšené vrstvě Climatology, datům, mapám a odkazům.
Další čtení
- Wallace, John Michael; Hobbs, Peter Victor (2006). Atmosférická věda: Úvodní průzkum (2. vyd.). Akademický tisk. p. 483. ISBN 9780127329512.