การผสมและการปั่นป่วนในมหาสมุทร

การปั่นป่วนในระดับเซนติเมตรและต่ำกว่านั้นสามารถทำในสิ่งที่กระแสน้ำขนาดใหญ่ทำไม่ได้ นั่นคือการกวนความร้อน เกลือ สารอาหาร และโมเมนตัมข้ามพื้นผิวความหนาแน่น และท้ายที่สุดก็รักษาสมดุลการพลิกกลับของมหาสมุทรทั้งหมดในระดับลึก

Definition

การผสมในมหาสมุทรคือการถ่ายโอนคุณสมบัติที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ เช่น ความร้อน เกลือ และโมเมนตัม โดยการเคลื่อนที่แบบปั่นป่วนขนาดเล็ก ในขณะที่การปั่นป่วนคือการเคลื่อนที่ของของไหลแบบวุ่นวายสามมิติที่ก่อให้เกิดการถ่ายโอนนี้

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงการกำเนิดของการปั่นป่วนโดยลม การพาความร้อน และแรงเฉือน; โครงสร้างและการดึงเข้าของชั้นผสมผิวหน้า; การผสมแบบไดอะไพคนอล (ข้ามไอโซไพคนอล) ในส่วนภายในที่ส่วนใหญ่เกิดจากคลื่นภายในที่แตกตัว; กระบวนการแพร่สองชั้น; และการกำหนดพารามิเตอร์ของการผสมในแบบจำลองมหาสมุทรและภูมิอากาศ

Core questions

• กระบวนการใดบ้างที่ก่อให้เกิดการปั่นป่วนในชั้นผิวหน้าและในส่วนภายในที่มีการแบ่งชั้น?
• การปั่นป่วนกำหนดความลึกและคุณสมบัติของชั้นผสมได้อย่างไร?
• อะไรเป็นตัวควบคุมอัตราการผสมแบบไดอะไพคนอลที่ทำให้น้ำลึกที่มีความหนาแน่นสูงสามารถกลับขึ้นสู่พื้นผิวได้?
• การผสมซึ่งเกิดขึ้นในระดับที่ยังไม่สามารถแก้ไขได้ สามารถนำมาแสดงในแบบจำลองมหาสมุทรขนาดใหญ่ได้อย่างไร?

Key theories

ความไม่เสถียรจากแรงเฉือนและเลขริชาร์ดสัน

การไหลแบบเฉือนที่มีการแบ่งชั้นจะกลายเป็นแบบปั่นป่วนเมื่อผลกระทบที่ไม่เสถียรของแรงเฉือนความเร็วเอาชนะผลกระทบที่ทำให้เสถียรของการแบ่งชั้น ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงที่คาดการณ์ได้จากเลขริชาร์ดสันแบบเกรเดียนท์ที่ต่ำ

พลังงานของการผสมในทะเลลึก

การรักษาสภาพการแบ่งชั้นลึกและการพลิกกลับที่สังเกตได้นั้นต้องอาศัยพลังงานการผสมทั่วโลก ซึ่งส่วนใหญ่มาจากลมและคลื่นภายในที่เกิดจากกระแสน้ำที่แตกตัวเหนือภูมิประเทศที่ขรุขระ

Mechanisms

ความเค้นจากลมและการเย็นตัวของพื้นผิวทำให้เกิดการพาความร้อนและแรงเฉือนที่ผสมผสานมหาสมุทรส่วนบนให้เป็นชั้นที่เกือบเป็นเนื้อเดียวกัน; ในส่วนภายใน คลื่นภายในจะเติบโต ชันขึ้น และแตกตัวเมื่อค่าเลขริชาร์ดสัน (Richardson number) ลดลงต่ำพอที่จะเกิดความไม่เสถียรจากแรงเฉือน ทำให้เกิดหย่อมของการปั่นป่วนที่ผสมน้ำข้ามพื้นผิวความหนาแน่น ผลรวมนี้จะยกน้ำลึกที่มีความหนาแน่นสูงขึ้นและปิดวงจรการพลิกกลับ

Clinical relevance

การผสมกำหนดปริมาณสารอาหารที่ส่งไปยังผิวน้ำที่ได้รับแสงแดด ซึ่งส่งผลต่อการผลิตขั้นต้น ควบคุมความเร็วที่มหาสมุทรดูดซับความร้อนและคาร์บอน และเป็นหนึ่งในแหล่งความไม่แน่นอนที่ใหญ่ที่สุดในการคาดการณ์สภาพภูมิอากาศ เนื่องจากต้องมีการกำหนดพารามิเตอร์แทนที่จะแก้ไขปัญหาโดยตรง

History

งานวิจัย Abyssal Recipes ของ Munk ในปี 1966 ได้ตั้งคำถามว่าต้องมีการผสมมากน้อยเพียงใดเพื่อรักษาสภาพการแบ่งชั้นของมหาสมุทรลึก; การวัดโครงสร้างจุลภาคตั้งแต่ทศวรรษ 1970 เป็นต้นมา ซึ่งสิ้นสุดลงด้วยการทดลองปล่อยสารติดตามและกรอบพลังงานของ Munk-Wunsch ในปี 1998 ได้ยืนยันว่าการผสมเป็นปัจจัยควบคุมหลักที่จำกัดพลังงานต่อการหมุนเวียนทั่วโลก

Key figures

• Walter Munk
• Carl Wunsch
• Lewis Fry Richardson

Seminal works

• thorpe2005
• munkWunsch1998

Frequently asked questions

ทำไมการผสมในมหาสมุทรลึกจึงมีความสำคัญต่อสภาพภูมิอากาศ?

การผสมทำให้น้ำลึกที่เย็นและมีความหนาแน่นสูงสามารถไหลกลับขึ้นสู่ด้านบนได้อย่างช้าๆ ซึ่งเป็นการปิดวงจรการหมุนเวียนทั่วโลกที่กระจายความร้อนและคาร์บอน; อัตราการผสมมีอิทธิพลอย่างมากต่อการที่มหาสมุทรช่วยปรับเปลี่ยนการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ

พลังงานสำหรับการผสมในมหาสมุทรมาจากไหน?

ส่วนใหญ่มาจากลมที่พัดบนพื้นผิวและจากกระแสน้ำที่ขับเคลื่อนคลื่นภายในซึ่งแตกตัวเหนือภูมิประเทศใต้ทะเลที่ขรุขระ โดยเปลี่ยนพลังงานขนาดใหญ่ให้เป็นการปั่นป่วนขนาดเล็ก