| Повече ▼

9.9: Upwelling и Downwelling - Geosciences

9.9: Upwelling и Downwelling - Geosciences


Upwelling и Downwelling

Повишаване е вертикалното движение на студена, богата на хранителни вещества вода от дълбоки води към повърхността, което води до висока производителност (растеж на планктон).
• Може да изведе студена, богата на хранителни вещества вода на повърхността (фотична зона), освен ако термоклинът не е силен и го предотвратява.
Хранителни вещества не са храна, а действат като тор.
• Напълващата вода, богата на хранителни вещества, захранва фитопланктона, основата на хранителната верига.

Намаляване е вертикалното движение на повърхностните води надолу във водния стълб. Регионите, в които се наблюдава понижаване, обикновено имат ниска биологична производителност.
• Намаляването отвежда разтворения кислород там, където се консумира от разлагащата се органична материя.


Фигура 9.18. Региони по света, където се наблюдава издигане на крайбрежието.

Където възниква оптимизиране

Различните повърхностни води се появяват там, където повърхностните води се отдалечават от зона на повърхността на океана.
Екваториално повишаване възниква, когато югозападен вятър духа през екватора (Фигура 9.19); Транспортът Екман принуждава движението на повърхностните води на юг (на юг от екватора) и на север (на север от екватора). Повишаването на дълбоките океански води е най -интензивно в екваториалните райони.
Изкачване на крайбрежието възниква там, където вятърът, духащ по крайбрежието, е повлиян от текущите движещи се повърхностни води на Екман в морето, или ветровете, издухващи сушата, издърпват повърхностните води далеч от брега, издърпвайки по -дълбоки води нагоре, за да заменят повърхностните води. Вижте Фигура 9.18 за места, където най -често се среща крайбрежно издигане.
• Други места, където възниква повишаване на температурата, включват наоколо подводни препятствия (гийоти) или остри завои по бреговете.


Фигура 9.19. Екваториално повишаване включва пасатите, духащи през екватора и ефекта на Кориолис, който поема, тъй като различните течения се отдалечават от екватора.

NOAA анимация: Подобряване на крайбрежието

Крайбрежно повишаване и понижаване

Континенталните ръбове на света са места, където се извършват крайбрежни изкачвания и понижавания (Фигура 9.18). Изкачването на брега се влияе от геометрията на крайбрежието, посоките на вятъра и влиянието на ефекта на Кориолис (транспорт на Екман). Фигури 9-20 и 9-21 илюстрират как посоката на движението на вятъра определя как се извършва крайбрежното издигане и понижаване в Северното полукълбо (например в Калифорния). Фигура 9.22 показва региони на крайбрежно издигане по континенталната граница на Калифорния-разкрити изображения на температурата на повърхността на океана. Надигащата се вода по крайбрежието е по -студена от водата по -далеч от брега.


Свързан ледено-океански модел на издигане в пределната ледена зона

Динамично свързан цифров модел лед-океан за граничната ледена зона (MIZ) е предложен и използван за изследване на динамиката на нагоре в MIZ. Нелинейният модел на морски лед има променлива концентрация на лед и включва вътрешно напрежение на леда. Моделът е принуден от напрежения върху повърхностите въздух/океан и въздух/лед. Основното свързване между леда и океана е под формата на напрежение между интерфейса лед/океан. Моделът на океана е линеен модел с намалена гравитация. Напрежението на вятъра, упражнявано от атмосферата в океана, е пропорционално на фракцията на откритите води, докато напрежението между повърхностите лед/океан е пропорционално на концентрацията на лед. Предлага се нов механизъм за издигане на ръба на леда въз основа на геострофично равновесно решение за средата с морски лед. Показано е, че повишаването на височината, докладвано в предишните модели, призоваващо неподвижно ледено покритие, е заменено от слабо понижаване поради движението на леда. По -голямата част от динамиката на възходящото издигане може да бъде разбрана чрез анализ на разминаването на транспорта в горния океан по целия ръб на леда. Въз основа на числовия модел се предлага аналитичен модел, който възпроизвежда по -голямата част от динамиката на възходящия поток на по -сложния числов модел.


Резюме на обикновен език

Източногренландското течение допринася за мащабната океанска циркулация в Северния Атлантик. Това течение транспортира както сладководен, така и морски лед на юг от Северния ледовит океан и доставя водни маси към дълбоката циркулация в Атлантическия океан. Използваме измервания от Източногренландското течение между Исландия и Гренландия от октомври 2011 г. до април 2012 г., за да анализираме променливостта, задвижвана от вятъра, в един клон на настоящата система. Чрез комбиниране на океанографските данни с атмосферните данни установихме, че вятърът е индуцирал вертикални движения в шелфа на Източногренландското течение през зимата. Като цяло тези събития, задвижвани от вятъра, се случват около пет пъти месечно и водят до значителна модулация на обемния транспорт и преразпределение на водните маси както вертикално, така и хоризонтално. Интегрираният ефект от такива епизоди се очаква да бъде значителен поради големия регион, повлиян от условията на вятъра, благоприятни за този тип океанска реакция.


Морска обменна биота - биологичната помпа

Повърхностните води на световните океани са дом на голям брой организми, които включват фотосинтезиращ фитопланктон в основата на хранителната верига. Тези растения (и цианобактерии) използват CO2 газ, разтворен в морска вода и го превръща в органична материя и също като сухоземните растения, фитопланктонът също диша, връщайки CO2 към повърхностните води.

В същото време много планктонни организми извличат разтворени карбонатни йони от морската вода и ги превръщат в CaCO3 (калциев карбонат) черупки. Когато тези планктонни организми умрат, меките им части се консумират и разлагат много бързо, преди да могат да се установят в по -дълбоките води на океаните. По този начин това разлагане връща въглерод под формата на CO2, до морска вода.

Някои от органичните останки и неорганичните черупки на калциев карбонат ще потънат в дълбоките океани, като по този начин ще прехвърлят въглерода от плитките повърхностни води в огромния резервоар на дълбоките океани. Този трансфер често се нарича биологична помпа и причинява концентрацията на CO2 газ, а също и DIC в повърхностните води да бъде по -малко от това на по -дълбоките води. Това може да се види на фигурата по -долу, която показва вертикалното разпределение на DIC (а също и алкалност) в профилен изглед за някои от големите региони на световния океан.

Защо алкалността е намалена в повърхностните води? По същата причина, поради която DIC е изчерпан. Планктонните организми произвеждат обвивки от CaCO3, и когато те потънат на морското дъно, те носят със себе си йони Ca 2+, като по този начин намаляват алкалността. Голяма част от това CaCO3 по -късно се разтваря, когато достигне по -дълбоките части на океаните, което обяснява по -високите стойности на алкалност в дълбоките води, както се вижда на фигурата по -горе. Чрез контролиране на концентрацията на CO2 газ, разтворен в повърхностните води, планктонните организми оказват силно влияние върху концентрацията на CO2 в атмосферата. Например, ако биологичната помпа е изключена, атмосферният CO2 ще се повиши до около 500 ppm (спрямо текущите 408 ppm), ако помпата работи с максимална якост (т.е. пълно използване на хранителните вещества), атмосферния CO2 ще спадне до 140 ppm. Ясно е, че тази биологична помпа е важен процес.

Алкалността е много важна, тъй като когато се намали, видове, които правят черупки от CaCO3 ще се разтвори. Днес най -чувствителните видове са тези, които правят черупки от форма на CaCO3 наречена арагонит, която е по -податлива на разтваряне от калцита, другата форма на CaCO3. Коралът е арагонитова група, която е много податлива, както ще видим в Модул 7.

Какво контролира силата на тази биологична помпа? Фотосинтезиращият планктон изисква хранителни вещества в допълнение към CO2 за да процъфтяват специално, те се нуждаят от азот и фосфор. Повечето от тези растения се нуждаят от P, N и C в съотношение 1: 16: 125 и тъй като понастоящем съотношението P към N в океанската вода е около 1:16, и P и N ограничават растежа на тези фитопланктони . Фотосинтетичната активност на планктона може да бъде определена от спътници, настроени да записват разлики във водния цвят поради наличието на хлорофил. Това разпределение е показано на фигурата по -долу.

Ако хранителните вещества в морската вода бяха използвани във възможно най -голяма степен, практически нямаше да има разтворени P и N в морската вода. Но всъщност, както е показано на фигурата по -долу, концентрацията на P ни казва, че биологичната помпа не работи с максимална ефективност. На картата по -долу лилавите региони представляват региони без фосфат в повърхностните води на океаните, което означава, че просто има недостиг на хранителни вещества или че всички хранителни вещества се оползотворяват. По -специално, студените, полярни региони не използват всички налични хранителни вещества. Това може да се дължи отчасти на температурата, но може да бъде свързано и с недостиг на желязо, незначително хранително вещество, което очевидно липсва в по -студените райони, особено в Южния океан, околовръстен от Антарктида.

В допълнение към хранителните вещества, силата на тази биологична помпа е чувствителна към рН на океанската вода. Организмите в океаните са адаптирани към рН около 8,3 или 8,4, но както споменахме по -рано, ако океаните поемат твърде много CO2 твърде бързо рН ще намалее и ще го премести извън оптималния диапазон за организмите в океаните. По този начин, по -ниските нива на рН (т.е. по -висока киселинност) вероятно ще означават намаляване на силата на биологичната помпа, което от своя страна ще ограничи способността на океаните да абсорбират повече въглерод.

Намаляване

Както бе споменато по -горе, понижаването (потъване на гъста вода) пренася студени и/или солени повърхностни води в дълбоката вътрешност на океаните и в резултат на това се пренася и въглерод. Следователно големината на потока е функция от обема на течащата вода и средната концентрация на въглерод в студените повърхностни води, която сама по себе си е функция от общото количество въглерод, съхраняван в този резервоар, като се приеме, че размерът на резервоара не се променя значително през няколкостотин години, за които е предназначен този модел.

Намаляването се случва предимно в близост до полюсите, където повърхностните води се охлаждат силно при контакт с въздуха. Това охлаждане води до увеличаване на плътността. Образуването на лед от морска вода в ръбовете на Антарктида увеличава солеността на морската вода там, увеличавайки плътността на водата. След това тази гъста вода потъва и тече през дълбоките океани, като ефективно ги смесва в рамките на около 1000 години (Атлантическият океан се смесва малко по -бързо, което помага да се обясни по -малкият ΣCO2 и градиенти на алкалност, видяни на фигурата по -горе).

Повишаване

Повишаването е точно обратното на понижаването и когато дълбоките води се издигат на повърхността, те носят със себе си въглерод, хранителни вещества и алкалност. По този начин общият пренос на въглерод е функция от обема на водата, участваща в този поток, и от количеството въглерод, съхраняван в дълбокия океански резервоар. Надигането се случва в районите на океаните, където ветровете и повърхностните течения се разминават, като в отговор повърхностните води се отдалечават от регион, дълбоките води се издигат нагоре, за да запълнят „празнотата“. Повишаването се случва по екватора, където има силно разминаване, а също и по ръбовете на някои континенти, като например западното крайбрежие на Южна Америка. Тази възходяща вода носи със себе си и хранителни вещества като азот и фосфор, което прави тези води високопродуктивни.

Обърнете внимание, че количеството въглерод, пренесено от този поток, е по -голямо от потока надолу. Това не е така, защото обемът на потока е различен в тези два процеса, а по -скоро защото концентрацията на въглерод в дълбоките води на океана е по -голяма от тази в плитките повърхностни води, отчасти поради работата на споменатата биологична помпа по -горе.

Утаяване

Част от въглерода, както органичен, така и неорганичен (т.е. калциеви карбонатни черупки), произведен от морска биота и пренесен в дълбоките океани, се утаява на морското дъно и се натрупва там, като в крайна сметка образува утаечни скали. Величината на този поток е малка - около 0,6 Gt C/годишно - спрямо общото количество, пренесено чрез потъване от повърхностните води - 10 Gt C/годишно. Причината за тази разлика е преди всичко в това, че дълбоките води на океаните разтварят материали от черупки от калциев карбонат под около 4 км, водата е толкова корозивна, че на практика не може да се натрупва калциев карбонат на морското дъно. В допълнение, част от органичния въглерод се консумира от организми, живеещи в дълбоките води и в седиментния материал, облицоващ морското дъно. Това потребление води до отделяне на CO2 в долните води и по този начин намалява количеството въглерод, който се отстранява от океана чрез този процес. Заслужава да се отбележи, че процесът на консумация на органичен въглерод на морското дъно е друг микробен процес и е много подобен на дишането на почвата, описано по -рано. Тъй като микробите, живеещи на морското дъно, се нуждаят от кислород, за да изпълнят ефективно тази задача, доставката на кислород към морското дъно чрез дълбоки течения е важна част от този процес.

Вулканизъм и метаморфизъм

Когато седиментните скали, отложени върху океанската кора, се субдуцират в изкоп, където се сближават две тектонски плочи на земната повърхност, те могат да се стопят или претърпят метаморфизъм и в двата случая, въглеродът, съхраняван в калциев карбонат - варовик, се освобождава под формата на CO2, който в крайна сметка се освобождава на повърхността. СО2 може да излезе при изригване на вулкан или бавно да се дифундира от вътрешността чрез горещи извори, но и в двата случая представлява прехвърляне на въглерод от резервоара на седиментни скали в атмосферата. Величината на този поток е доста малка и тук се регулира до стойност от 0,6 Gt C/yr, за да се създаде модел в стационарно състояние. Този поток е дефиниран като константа в модела, макар че в действителност той ще варира в зависимост от времето на големите вулканични изригвания. Изключително голямо вулканично изригване може да излъчва въглерод със скорост около 0,2 Gt C/yr за година или две, създавайки незначителни колебания.


2 Методология

Целта на този анализ е да се разбере ролята на температурата (Θ) и солеността (С) преобръщане на трансформации в Южния океан. Walin (1982) въвежда рамка за свързване на интензитета на повърхностните топлинни потоци и смесването със скоростта на трансформация. Той сравнява обемите вода в Θ класове с диаверсните трансформации на водата между Θ класове, засегнати от топлинните потоци въздух-море и смесването. Тук ние разширяваме този анализ до две проследяващи измерения, Θ и С (Döös et al., 2012 Groeskamp et al., 2014 Zika et al., 2012) и към океан с променлива във времето (Evans et al., 2014).

(1) По -горе, G термините могат да се разглеждат като аналогични на скоростта в (Θ,С) координати и така 1 може да се разглежда като уравнение за непрекъснатост в (Θ,С) пространство. Ако се счита за достатъчно дълго интегриране, така че системата да е стабилна (т.е. , където горната част е средно време) и ако е малък (т.е. за глобалния океан или когато водните маси са под определени Θ и С стойностите никога не са в контакт с границите) термохалинова поточна функция (Ψ Döös et al., 2012 Groeskamp et al., 2014 Zika et al., 2012) може да бъде определена при Θ = Θ ∗ и С = С ∗ такова, че (2)

Както е обсъдено от Hieronymus et al. (2014), и двата термина за трансформация (GΘ и GС), а оттам и функцията на потока, може да бъде свързана чисто с диабатични конвергенции на топлина и сол. След това Evans et al. (2014) и Groeskamp et al. (2017) успяха да използват сезонния цикъл на V и базирани на наблюдения оценки на потоците въздух-море, за да се преценят и двете G термини чрез обратно изчисление.

Тук се фокусираме върху разбирането на средната циркулация на водните маси на Южния океан в (Θ,С) координати (Ψ) и как тази циркулация излиза от сезонния цикъл на образуване и унищожаване на водна маса, описан с 1.


9.9: Upwelling и Downwelling - Geosciences

Добре дошли в GEOS 420, Моделиране на земната система, уеб страница за пролетта 2021 г.

Горе: геологът от Йосемити Грег Сток изучава намаляващите ледници на Сиера Невада.
Снимка от Тим ​​Палмър. За повече вижте книгата му „Калифорнийски ледници“.

Пролет 2021 г. Лекции по Zoom: MWF, 10:00 - 10:50 AM.

Задължителна книга: Земната система, трето издание от Kump et al.

Пн. 25 януари, прегледайте учебната програма и започнете глава 14: Плейстоценово заледяване. Фораминифери и изотопи.
Ср., 27 януари, ледници и междуледници от утайки и ледени ядра. Доказателства за ледници и ледени покриви.
Петък, 29 януари, орбитални вариации на Земята и хармоници на теорията на Миланкович, суперпозиция и спектрален анализ.
Понеделник, 1 февруари, яркостта на Слънцето, системният подход към моделирането, границата на KT, вулканичните изригвания.
Ср., 3 февр., Страници 295-302 на глава 15: Холоценът, цикълът на слънчевите петна, минимумът на Маундер, Малък ледников период.
Петък, 5 февруари, преглед/обсъждане на материали, обхванати досега.
Понеделник, 8 февруари, Започнете глава 2: Системи, компоненти, съединители, обратна връзка и Daisyworld (стр. 21 - 28)
Ср., 10 февр., Пълна глава 2: Отговор на Daisyworld на увеличаване на слънчевата светлина (стр. 28 - 33)
Пет, 12 февруари, Започнете Глава 3: Земята в сравнение с близките планети, природата на ЕМ-лъчението.
Понеделник, 15 февруари, Слънце като точков източник, закон на обратния квадрат, след това функции на Планк и радиация на черно тяло.
Ср., 17 февр., Видове модели и моделиране. Тогава планетен енергиен баланс без атмосфера.
Пет., 19 февр., Еднослоен модел на парников ефект. След това прости модели на кутии и диференциални уравнения.
Пн., 22 февр., Състав и средна вертикална структура на атмосферата. Процеси на пренос на енергия.
Ср., 24 февр., Груб поглед върху абсорбцията на радиация, дължаща се на парникови газове и закона на Бугер-Ламбер.
Петък, 26 февруари, класът е отменен поради заболяване.
Понеделник, 1 март, Спектроскопия на парникови газове: абсорбционни линии, HITRAN.
Ср., 3 март., Влиянието на облаците върху глобалния климат.
Петък, 5 март, параметризиране, радиационно-конвективни модели (RCM) и общи циркулационни модели (GCM).
Понеделник, 8 март, Пълна глава 3. GCM и обратна връзка. Започнете глава 4. Атмосферна циркулация
Ср., 10 март, градиенти на налягането, хидростатично уравнение, барометричен закон, ефект на Кориолис и геострофични ветрове
Петък, 12 март, специална задача №2.
Понеделник, 15 март, пролетни ваканции. Няма класове.
Ср., 17 март, пролетни ваканции. Няма класове.
Петък, 19 март, пролетни ваканции. Няма класове.
Понеделник, 22 март, Преглед на специална задача №1.
Ср., 24 март., Продължете обсъждането на научното програмиране и специалната задача №1.
Петък, 26 март, приключете обсъждането на специална задача №1. След това възобновете атмосферната циркулация.
Понеделник, 29 март, Обобщение на атмосферната циркулация с акцент върху тропиците, средните ширини и полярните региони.
Ср., 31 март, празник: Ден на Сезар Чавес. Няма класове.
Петък, 2 април, обща циркулация на стратосферата. Сезонно обръщане на геострофичния поток и Brewer-Dobson.
Понеделник, 5 април, Започнете глава 5: Циркулация на океана. Екман спирала.
Ср., 7 април, екман спирала, големи океански колела и конвергенция и понижаване в гири.
Петък, 9 април, разминаване и повишаване, след което започват източни и западни гранични течения.
Понеделник, 12 април, Планетарно вихрене, запазване на абсолютната вихреност и асиметрия на океанските винтове.
Ср., 14 април.
Петък, 16 април, продължаване на ENSO и въздействието на ENSO.
Понеделник, 19 април, тест за глава 5 (циркулации в горния океан и само ENSO.)
Ср., 21 април, температура, соленост и плътност на морската вода и дълбоки циркулации на океана.
Петък, 23 април, образуване на дънни води, термохалинова циркулация, AMOC.
Понеделник, 26 април, Топлинни двигатели, термопомпи, теорема на Sandstrom и термохалиновата циркулация.
Ср., 28 април, завършване гл. 5 и започнете гл. 6: Криосфера. Компоненти на криосферата.
Петък, 30 април, значение на криосферата, движение/динамика на леда.
Понеделник, 3 май, Образуване на сняг и ледников лед, за кратко вечна замръзналост. След това започнете морския лед.
Ср., 5 май, завърши гл. 6. Морски лед, обратна връзка, катабатични ветрове, полиня.
Петък, 7 май, викторина на гл. 6. Глобална промяна: GMST и CO2.
Понеделник, 10 май, Въглероден цикъл, след това метан и метанови хидрати.
Ср., 12 май, Обсъждане на изменението на климата: покачване на морското равнище, размразяване на вечна замръзналост, загуба на ледници.
Петък, 14 май, седмица на прегледа
Ср., 19 май, Цялостен изпит.


5. Заключения

[14] Предполагаме съществуването на брегова възвисяваща се махалка в Атлантическия океан. Антифазната връзка между двете големи крайбрежни зони на възходящо издигане на Атлантическия океан е свързана с вариации в меридионалния (междуекваториален) океански топлинен транспорт (Фигура 4). По -специално, ние предполагаме, че увеличаването на интензитета на повишаване на височината край Намибия през плиоцена [ Марлоу и др., 2000 г.) се дължи на затварянето на CAS и работата на атлантическата брегова възвисяваща се колебание. За по -добро разбиране на плиоценовите климатични процеси, бъдещите проучвания трябва да се съсредоточат върху реконструкцията на възходящото издигане на мавританската зона на издигане.


Гледай видеото: Geoscience: the Earth and its Resources. TUDelftX on edX