การพลิกกลับของกระแสน้ำในมหาสมุทรและการหมุนเวียนของน้ำลึก

ในบางภูมิภาคขั้วโลก น้ำผิวดินจะเย็นลงและมีความเค็มมากพอที่จะจมลงไปหลายกิโลเมตร ทำให้เกิดการพลิกกลับของกระแสน้ำทั่วโลกอย่างช้าๆ ซึ่งช่วยระบายอากาศในส่วนลึกของมหาสมุทรและกำหนดรูปแบบสภาพภูมิอากาศตลอดหลายศตวรรษ

Definition

การหมุนเวียนแบบพลิกกลับ (overturning circulation) คือการไหลของน้ำลึกที่ขับเคลื่อนด้วยความหนาแน่น (เทอร์โมฮาไลน์) ซึ่งน้ำผิวดินจะจมลงในบริเวณขั้วโลก แพร่กระจายไปทั่วมหาสมุทรลึก และค่อยๆ กลับขึ้นสู่ผิวน้ำ ช่วยระบายอากาศและเชื่อมโยงมหาสมุทรทั่วโลกเข้าด้วยกัน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงการก่อตัวของน้ำลึกและน้ำพื้นท้องทะเลในทะเลแถบขั้วโลก โครงสร้างและการขนส่งของการหมุนเวียนแบบพลิกกลับตามแนวเมริเดียน การกระจายและการติดตามมวลน้ำ บทบาทของการผสมในการปิดวงจรการพลิกกลับ และความเป็นไปได้ของสถานะการหมุนเวียนที่เสถียรหลายสถานะ

Core questions

• น้ำลึกและน้ำพื้นท้องทะเลก่อตัวขึ้นที่ไหนและอย่างไร และอะไรเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติของมัน?
• โครงสร้างและความแข็งแรงของการหมุนเวียนแบบพลิกกลับตามแนวเมริเดียนเป็นอย่างไร?
• มวลน้ำแพร่กระจายและผสมกันอย่างไรเพื่อปิดวงจรการพลิกกลับ?
• การหมุนเวียนแบบพลิกกลับอาจมีสถานะเสถียรมากกว่าหนึ่งสถานะและเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันได้หรือไม่?

Key theories

การพลิกกลับแบบเทอร์โมฮาไลน์และการก่อตัวของมวลน้ำ

การเย็นตัวลงและการเพิ่มความเค็มในละติจูดสูงทำให้น้ำผิวดินมีความหนาแน่นมากพอที่จะจมลง ก่อตัวเป็นมวลน้ำลึกที่แพร่กระจายไปตามพื้นผิวความหนาแน่นและกำหนดการหมุนเวียนของน้ำลึก

สมดุลหลายสถานะของการพลิกกลับ

Stommel แสดงให้เห็นว่าผลกระทบที่แข่งขันกันของอุณหภูมิและความเค็มต่อความหนาแน่นสามารถทำให้การพลิกกลับมีสถานะเสถียรมากกว่าหนึ่งสถานะ ซึ่งเพิ่มความเป็นไปได้ของการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันในประวัติศาสตร์สภาพภูมิอากาศ

Mechanisms

ในมหาสมุทรแอตแลนติกเหนือและบริเวณรอบทวีปแอนตาร์กติกา การเย็นตัวอย่างรุนแรงและการขับเกลือออกระหว่างการก่อตัวของน้ำแข็งจะเพิ่มความหนาแน่นของน้ำผิวดินจนกระทั่งน้ำจมลงเพื่อก่อตัวเป็นน้ำลึกและน้ำพื้นท้องทะเล น้ำนี้จะแพร่กระจายไปทั่วส่วนลึกของมหาสมุทรและค่อยๆ ถูกนำกลับขึ้นสู่ผิวน้ำโดยการผสมและการไหลขึ้นที่ขับเคลื่อนด้วยลม ทำให้เกิดการพลิกกลับทั่วโลกซึ่งใช้เวลาประมาณหนึ่งพันปี

Clinical relevance

การหมุนเวียนแบบพลิกกลับจะขนส่งความร้อนที่ทำให้อากาศในภูมิภาคอบอุ่นขึ้น ระบายอากาศในมหาสมุทรลึกด้วยออกซิเจน และกักเก็บคาร์บอน ความกังวลว่าภาวะโลกร้อนและการจืดจางของน้ำอาจทำให้การหมุนเวียนนี้อ่อนแอลง ได้ทำให้การพลิกกลับของกระแสน้ำในมหาสมุทรแอตแลนติกกลายเป็นจุดสนใจของการติดตามสภาพภูมิอากาศและการวิจัยการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลัน

History

การวิเคราะห์มวลน้ำโดยนักสมุทรศาสตร์ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ได้ทำแผนที่การหมุนเวียนของน้ำลึก แบบจำลองของ Stommel ในปี 1961 ได้เปิดเผยสมดุลหลายสถานะ และการสังเคราะห์แบบสายพานลำเลียงของ Broecker ได้เชื่อมโยงการหมุนเวียนของน้ำลึกกับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศอย่างฉับพลันที่บันทึกไว้ในน้ำแข็งและตะกอน ซึ่งกระตุ้นให้เกิดการสังเกตการณ์การพลิกกลับอย่างต่อเนื่อง

Key figures

• Henry Stommel
• Wallace Broecker
• Carl Wunsch

Seminal works

• talley2011
• stommel1961

Frequently asked questions

น้ำลึกอยู่ใต้ผิวน้ำนานแค่ไหน?

น้ำที่จมลงสู่มหาสมุทรลึกสามารถคงอยู่ได้หลายศตวรรษถึงประมาณหนึ่งพันปีก่อนที่การผสมและการไหลขึ้นจะนำกลับสู่ผิวน้ำ ทำให้การหมุนเวียนของน้ำลึกเป็นไปอย่างช้ามาก

การหมุนเวียนแบบพลิกกลับของมหาสมุทรแอตแลนติกอาจล่มสลายได้หรือไม่?

แบบจำลองและบันทึกในอดีตชี้ให้เห็นว่าการพลิกกลับอาจอ่อนแอลงหรือเปลี่ยนสถานะได้หากน้ำผิวดินอุ่นเกินไปหรือจืดเกินไปที่จะจมลง การที่สิ่งนี้จะเกิดขึ้นเมื่อใดและเร็วแค่ไหนยังคงเป็นประเด็นที่กำลังมีการวิจัยอย่างต่อเนื่อง