Перемешивание и турбулентность в океане

Турбулентность в масштабах сантиметров и менее незаметно совершает то, что не под силу великим течениям: она перемешивает тепло, соль, питательные вещества и импульс через поверхности плотности и в конечном итоге поддерживает глубокую опрокидывающую циркуляцию всего океана.

Definition

Перемешивание в океане — это необратимый перенос таких свойств, как тепло, соль и импульс, мелкомасштабными турбулентными движениями, тогда как турбулентность — это хаотическое, трехмерное движение жидкости, которое производит этот перенос.

Scope

Эта тема охватывает генерацию турбулентности ветром, конвекцией и сдвигом; структуру и вовлечение поверхностного перемешанного слоя; диапикническое (кросс-изопикническое) перемешивание во внутренних слоях, обусловленное в основном разрушающимися внутренними волнами; процессы двойной диффузии; и параметризацию перемешивания в моделях океана и климата.

Core questions

• Какие процессы генерируют турбулентность в поверхностном слое и в стратифицированных внутренних слоях?
• Как турбулентность определяет глубину и свойства перемешанного слоя?
• Что контролирует скорость диапикнического перемешивания, которое позволяет плотным глубинным водам возвращаться на поверхность?
• Как перемешивание, действующее в неразрешенных масштабах, может быть представлено в крупномасштабных моделях океана?

Key theories

Сдвиговая неустойчивость и число Ричардсона

Стратифицированный сдвиговый поток становится турбулентным, когда дестабилизирующий эффект сдвига скорости преодолевает стабилизирующий эффект стратификации, переход, предсказываемый низким градиентным числом Ричардсона.

Энергетика абиссального перемешивания

Поддержание наблюдаемой глубокой стратификации и опрокидывания требует глобального поступления энергии перемешивания, в основном связанного с ветрами и внутренними приливами, разрушающимися над неровным рельефом дна.

Mechanisms

Ветровое напряжение и поверхностное охлаждение генерируют конвекцию и сдвиг, которые перемешивают верхний слой океана в почти однородный слой; во внутренних слоях внутренние волны растут, становятся круче и разрушаются там, где число Ричардсона становится достаточно низким для сдвиговой неустойчивости, создавая участки турбулентности, которые перемешивают воду через поверхности плотности. Кумулятивный эффект поднимает плотные глубинные воды и замыкает опрокидывающую циркуляцию.

Clinical relevance

Перемешивание определяет поступление питательных веществ в освещенные солнцем поверхностные воды и, таким образом, первичную продукцию, контролирует скорость поглощения океаном тепла и углерода и является одним из крупнейших источников неопределенности в климатических прогнозах, поскольку его необходимо параметризовать, а не разрешать.

History

Работа Манка 1966 года «Абиссальные рецепты» поставила проблему того, сколько перемешивания необходимо для поддержания стратификации глубокого океана; измерения микроструктуры с 1970-х годов, кульминацией которых стали эксперименты по выпуску трассеров и энергетическая концепция Манка-Вунша 1998 года, установили перемешивание как центральный, энергетически ограниченный контроль глобальной циркуляции.

Key figures

• Walter Munk
• Carl Wunsch
• Lewis Fry Richardson

Seminal works

• thorpe2005
• munkWunsch1998

Frequently asked questions

Почему перемешивание в глубоком океане важно для климата?

Перемешивание позволяет холодным, плотным глубинным водам медленно подниматься вверх, замыкая глобальную опрокидывающую циркуляцию, которая перераспределяет тепло и углерод; его скорость сильно влияет на то, как океан буферизует изменение климата.

Откуда берется энергия для перемешивания в океане?

Большая часть ее поступает от ветра, дующего на поверхность, и от приливов, вызывающих внутренние волны, которые разрушаются над неровным рельефом морского дна, преобразуя крупномасштабную энергию в мелкомасштабную турбулентность.