Термоклін: Прихований шар океану

Три шари, одна сходинка щільності

Опустіть термометр через відкритий океан і він не буде плавно змінюватися залежно від глибини. Замість цього ви перетнете три окремі зони: теплу, добре змішану поверхневу шару (від десяти до кількох сотень метрів, перемішану вітром і хвилями в майже однорідну температуру), термокліну, де температура різко падає на кілька сотень метрів, та холодний, майже ізотермічний глибокий океан нижче 1000–1500 м, який залишається близько 1–4 °C до дна моря. Термоклін — це не просто температурна особливість — оскільки щільність води сильно залежить від температури, він також є пікнокліном: шар швидкого збільшення щільності з глибиною, який діє як бар’єр для вертикального змішування.

Ця щільність бар’єр робить термоклін важливим не лише для океанографічних фактів. Вода нижче нього щільніша за воду вище, тому шар гравітаційно стабільний і сильно протидіє вертикальному обміну — поживні речовини, які опускаються з сонячного поверхневого шару, ефективно утримуються внизу термокліну, якщо тільки вітром-підвищенням або сезонним змішуванням не проривається крізь нього, що є основним контролем океанопродуктивності.

Чому звук згинається: канал SOFAR

Швидкість звуку у воді залежить від температури, солоності та тиску, приблизно:

c ≈ 1449 + 4.6·T − 0.055·T² + 1.34·(S − 35) + 0.016·z (T в °C, S у ПСУ, z глибина у м) Поверхінь води: температура домінує – швидкість звуку швидко падає при опусканні через термокліну, оскільки температура знижується швидше, ніж зростає тиск. Під термокліною температура стабілізується, але тиск продовжує зростати, і оскільки тиск сам по собі збільшує швидкість звуку, тенденція змінюється, і швидкість знову зростає з глибиною. В результаті отримують мінімум швидкості звуку на середній глибині – зазвичай 600–1200 м у помірних широтах – який називається каналом SOFAR (SOund Fixing And Ranging).

Законом Снелла для безперервно змінюваного середовища каже, що звукова хвиля завжди відхиляється до області з меншою швидкістю, точно так само, як і світло відхиляється в щільніше середовище в міражі. Таким чином, промінь, запущений біля осі каналу SOFAR, знову викривується назад до осі, коли він відхиляється вгору (в швидшу воду над собою) або вниз (в швидшу воду нижче себе), тому він коливається навколо осі каналу замість того, щоб виходити з нього – природний акустичний вогнівід. Крик китів і, історично, сигнали локалізаторів нефункціонуючих підводних човнів були виявлені в усьому океані завдяки їзді цим каналом, оскільки промінь рефракції повертається в дугу замість того, щоб розповсюджуватися сферично в трьох вимірах і втрачати 1/r² на одиницю відстані, як це було б у однорідному середовищі.

c ≈ 1449 + 4.6·T − 0.055·T² + 1.34·(S − 35) + 0.016·z     (T in °C, S in PSU, z depth in m)

Сезонні та постійні термічні градієнти

Середньоморські океани несуть два термічні градієнти. Улітку утворюється сезонний термічний градиент, коли сонячне нагрівання зігріває поверхневий шар, а глибинні води залишаються позаду; він зношується щоосібно та взимку через охолодження та змішування, спричинене штормами, які однобічно вирівнюють водний стовп, цикл повторюється щорічно. Під ним знаходиться постійний (головний) термічний градиент завглибиною приблизно 200–1000 м, який підтримується протягом року за рахунок великого балансу між вертикальним змішуванням теплої поверхневої води та повільним підійманням холодної глибокої води — він майже не змінюється з часом і позначає справжній межу між вітром-збудженим верхнім океаном і повільною, холодною безоддею.

Що руйнує бар’єр

Вітрове підіймання (переміщення поверхневих вод у бік узбережжя вітром, що спричинено Екман-транспортом, і заміна їх холодною, збагаченою поживними речовинами водою, що піднімається з-під термоклини) відповідає за найбільш продуктивні рибогосподарські зони у світі, від Каліфорнійського течії до Гольфстриму біля Перу. Урагани роблять це механічно, але теплові – аналогічно: інтенсивний тиск вітру перемішує змішаний шар через термоклину, залучаючи холодну воду з-під термоклини вгору, охолоджуючи поверхню моря позаду сліду урагану – це самообмежувальний зворотній зв’язок, оскільки більш холодна поверхня видаляє паливо для теплової машини та послаблює шторм, якщо він залишається. І під час років Ель-Ніньо ослаблені припливні вітри дозволяють термокліні поглибитись і вирівнятись у східній частині Тихого океану, закриваючи звичайний холодний підйом води біля Південної Америки та змінюючи кліматичні умови в усьому світі.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Thermocline & Ocean Stratification і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.