Свойства морской воды и термохалинная структура

Температура и соленость являются основными переменными океана: вместе с давлением они определяют плотность морской воды посредством нелинейного уравнения состояния, а это поле плотности организует водную толщу в стабильно стратифицированные слои.

Definition

Термохалинная структура относится к вертикальному расположению морской воды по температуре (термо-) и солености (-галинная), а также к результирующему расслоению по плотности, которое контролирует стабильность и формирование различных водных масс.

Scope

Эта тема охватывает определение и измерение температуры, солености и давления; уравнение состояния и современный термодинамический стандарт TEOS-10; потенциальную температуру, консервативную температуру и переменные плотности, такие как сигма-t и нейтральная плотность; а также результирующую вертикальную структуру перемешанного слоя, термоклина, галоклина и пикноклина.

Core questions

• Как определяются и измеряются температура, соленость и плотность по всей водной толще?
• Почему уравнение состояния морской воды нелинейно, и какие явления порождает эта нелинейность?
• Что определяет глубину и интенсивность перемешанного слоя, термоклина и пикноклина?
• Как диаграммы температура-соленость показывают происхождение и смешивание водных масс?

Key theories

Нелинейное уравнение состояния

Плотность морской воды нелинейно зависит от температуры, солености и давления, поэтому смешивание двух водных масс одинаковой плотности может привести к образованию более плотной воды (каббелинг), а сжимаемость изменяется с температурой (термобаричность).

Стратификация и устойчивость

Водная толща стабильна, когда плотность увеличивается с глубиной; частота плавучести (Брунта-Вайсала) количественно определяет эту стабильность и регулирует, насколько легко восстанавливаются вертикальные движения и внутренние волны.

Mechanisms

Солнечное излучение нагревает, а потоки пресной воды (осадки, испарение, таяние и образование льда) изменяют поверхностную соленость, устанавливая плавучесть на поверхности моря; ветер и конвекция перемешивают верхний слой океана в почти однородный слой, под которым температура и соленость изменяются через термоклин и галоклин до глубоководных слоев океана. Результирующая плотность, рассчитанная по уравнению состояния, определяет статическую устойчивость и глубину, до которой поверхностные воды могут опускаться.

Clinical relevance

Точная термодинамика морской воды необходима для расчета содержания тепла и пресной воды в океане, калибровки солености и плотности по данным датчиков CTD (conductivity-temperature-depth) и буев Argo, а также для отслеживания роли океана в накоплении антропогенного тепла.

History

Работа Кнудсена в начале XX века стандартизировала определение солености методом титрования; практическая шкала солености, основанная на электропроводности, появилась в 1978 году, а термодинамически согласованный стандарт TEOS-10, принятый в 2010 году, заменил более ранние формулировки абсолютной соленостью и консервативной температурой.

Key figures

• Martin Knudsen
• Bjorn Helland-Hansen

Seminal works

• talley2011
• iocTeos2010

Frequently asked questions

Что такое термоклин?

Термоклин — это слой океана, где температура быстро убывает с глубиной, отделяя теплые, хорошо перемешанные поверхностные воды от холодных глубоководных слоев океана.

Как сегодня измеряется соленость океана?

В настоящее время соленость определяется главным образом по электропроводности, температуре и давлению, измеряемым приборами CTD и автономными буями, а не с помощью более старых методов химического титрования.