Sự pha trộn và nhiễu loạn trong đại dương

Nhiễu loạn ở quy mô centimet trở xuống lặng lẽ hoàn thành những gì các dòng hải lưu lớn không thể: nó khuấy động nhiệt, muối, chất dinh dưỡng và động lượng qua các bề mặt mật độ và cuối cùng duy trì sự luân chuyển sâu của toàn bộ đại dương.

Definition

Sự pha trộn đại dương là sự truyền không thể đảo ngược các thuộc tính như nhiệt, muối và động lượng bởi các chuyển động hỗn loạn quy mô nhỏ, trong khi nhiễu loạn là chuyển động chất lỏng hỗn loạn, ba chiều tạo ra sự truyền này.

Scope

Chủ đề này bao gồm sự phát sinh nhiễu loạn do gió, đối lưu và cắt; cấu trúc và sự cuốn theo của lớp hỗn hợp bề mặt; sự pha trộn xuyên tầng đẳng tỷ trọng (diapycnal) trong lòng đại dương chủ yếu do sóng nội bị vỡ; các quá trình khuếch tán kép; và sự tham số hóa của sự pha trộn trong các mô hình đại dương và khí hậu.

Core questions

• Những quá trình nào tạo ra nhiễu loạn trong lớp bề mặt và trong lòng đại dương phân tầng?
• Nhiễu loạn thiết lập độ sâu và các thuộc tính của lớp hỗn hợp như thế nào?
• Điều gì kiểm soát tốc độ pha trộn xuyên tầng đẳng tỷ trọng cho phép nước sâu đậm đặc trở lại bề mặt?
• Làm thế nào có thể biểu diễn sự pha trộn, hoạt động ở các quy mô không được giải quyết, trong các mô hình đại dương quy mô lớn?

Key theories

Bất ổn định cắt và số Richardson

Dòng chảy cắt phân tầng trở nên hỗn loạn khi hiệu ứng gây mất ổn định của sự cắt vận tốc vượt qua hiệu ứng ổn định của sự phân tầng, một sự chuyển đổi được dự đoán bởi số Richardson gradient thấp.

Năng lượng của sự pha trộn đáy biển

Duy trì sự phân tầng sâu và sự luân chuyển được quan sát đòi hỏi một nguồn cung cấp năng lượng pha trộn toàn cầu, chủ yếu bắt nguồn từ gió và từ thủy triều nội tạo ra sóng vỡ trên địa hình gồ ghề.

Mechanisms

Sức căng của gió và sự làm mát bề mặt tạo ra đối lưu và cắt làm pha trộn lớp đại dương phía trên thành một lớp gần như đồng nhất; ở bên trong, sóng nội phát triển, dốc lên và vỡ khi số Richardson giảm đủ thấp để gây ra sự bất ổn định cắt, tạo ra các mảng nhiễu loạn pha trộn nước qua các bề mặt mật độ. Hiệu ứng tích lũy làm cho nước sâu đậm đặc dâng lên và đóng lại vòng tuần hoàn lật úp.

Clinical relevance

Sự pha trộn thiết lập nguồn cung cấp chất dinh dưỡng cho các vùng nước bề mặt có ánh sáng mặt trời và do đó là sản xuất sơ cấp, kiểm soát tốc độ đại dương hấp thụ nhiệt và carbon, và là một trong những nguồn gây ra sự không chắc chắn lớn nhất trong các dự báo khí hậu vì nó phải được tham số hóa thay vì được giải quyết.

History

Tác phẩm "Abyssal Recipes" năm 1966 của Munk đã đặt ra vấn đề về lượng pha trộn cần thiết để duy trì sự phân tầng của đại dương sâu; các phép đo cấu trúc vi mô từ những năm 1970 trở đi, đỉnh điểm là các thí nghiệm giải phóng chất theo dõi và khuôn khổ năng lượng Munk-Wunsch năm 1998, đã xác định sự pha trộn là một yếu tố kiểm soát trung tâm, bị giới hạn năng lượng đối với tuần hoàn toàn cầu.

Key figures

• Walter Munk
• Carl Wunsch
• Lewis Fry Richardson

Seminal works

• thorpe2005
• munkWunsch1998

Frequently asked questions

Tại sao sự pha trộn ở đại dương sâu lại quan trọng đối với khí hậu?

Sự pha trộn cho phép nước sâu lạnh, đậm đặc từ từ dâng lên, đóng lại vòng tuần hoàn lật úp toàn cầu phân phối lại nhiệt và carbon; tốc độ của nó ảnh hưởng mạnh mẽ đến cách đại dương điều hòa biến đổi khí hậu.

Năng lượng cho sự pha trộn đại dương đến từ đâu?

Hầu hết năng lượng đến từ gió thổi trên bề mặt và từ thủy triều tạo ra sóng nội vỡ trên địa hình đáy biển gồ ghề, chuyển đổi năng lượng quy mô lớn thành nhiễu loạn quy mô nhỏ.