Термоклин (также известный как термический слой или металимнион в озерах) — это отдельный слой, основанный на температуре внутри большого объема жидкости (например, воды , как в океане или озере; или воздуха, например, атмосферы ) с высоким градиентом. отчетливых перепадов температур, связанных с глубиной. В океане термоклин отделяет верхний перемешанный слой от спокойной глубокой воды внизу. [1]
В значительной степени в зависимости от времени года , широты и турбулентного перемешивания ветром термоклины могут быть полупостоянными особенностями водоема, в котором они возникают, или же они могут образовываться временно в ответ на такие явления, как радиационный нагрев/охлаждение поверхностных вод. в течение дня/ночи. Факторы, влияющие на глубину и толщину термоклина, включают сезонные изменения погоды , широту и местные условия окружающей среды, такие как приливы и течения .
Большая часть тепловой энергии солнечного света, падающего на Землю, поглощается в первых нескольких сантиметрах поверхности океана, который нагревается днем и охлаждается ночью, поскольку тепловая энергия теряется в космосе из-за излучения. Волны перемешивают воду вблизи поверхностного слоя и распределяют тепло по более глубоким водам, так что температура может быть относительно однородной на верхних 100 метрах (330 футов), в зависимости от силы волн и наличия поверхностной турбулентности, вызванной течениями. Ниже этого смешанного слоя температура остается относительно стабильной в течение дневных и ночных циклов. Температура глубокого океана постепенно падает с глубиной. Поскольку соленая вода не замерзает, пока не достигнет -2,3 ° C (27,9 ° F) (холоднее по мере увеличения глубины и давления), температура значительно ниже поверхности обычно недалеко от нуля градусов. [2]
Термоклин варьируется по глубине. Он полупостоянный в тропиках, изменчивый в регионах с умеренным климатом и от мелкого до полного отсутствия в полярных регионах, где толща воды холодная от поверхности до дна. [3] Слой морского льда будет действовать как изоляционное покрытие. Первые точные глобальные измерения были проведены во время океанографической экспедиции HMS Challenger . [4]
В открытом океане термоклин характеризуется отрицательным градиентом скорости звука , что делает термоклин важным в подводной войне , поскольку он может отражать активные гидролокационные и другие акустические сигналы. Это происходит из-за разрыва акустического сопротивления воды, вызванного внезапным изменением плотности.
При подводном плавании иногда можно наблюдать термоклин, при котором температура воды резко падает на несколько градусов по Цельсию между двумя водоемами, например, когда более холодная вода, поднимающаяся вверх, сталкивается с поверхностным слоем более теплой воды. Это придает воде вид морщинистого стекла, которое часто используют в окнах ванных комнат, чтобы затемнить обзор, и вызвано изменением показателя преломления столба холодной или теплой воды. Те же самые шлиры можно наблюдать, когда горячий воздух поднимается над асфальтом в аэропортах или на пустынных дорогах и является причиной миражей .
Глубина и сила термоклина в океане могут меняться в зависимости от сезона. [3] Это особенно заметно в средних широтах с более толстым перемешанным слоем зимой и более тонким перемешанным слоем летом. [5] Более прохладные зимние температуры заставляют термоклин опускаться на большую глубину, а теплые летние температуры возвращают термоклин обратно в верхний слой. В районах тропиков и субтропиков термоклин летом может стать даже тоньше, чем в других местах. [5] В более высоких широтах, вокруг полюсов, существует скорее сезонный термоклин, чем постоянный, с более теплыми поверхностными водами. [5] Вместо этого здесь имеется дихотермический слой.
В северном полушарии максимальные температуры на поверхности наблюдаются в августе и сентябре, а минимальные температуры наблюдаются в феврале и марте, при этом общее теплосодержание является самым низким в марте. [5] Это когда сезонный термоклин начинает восстанавливаться после разрушения в холодные месяцы.
Постоянный термоклин — это термоклин, на который не влияет время года и который лежит ниже максимальной глубины годового перемешанного слоя. [6]
Термоклины можно наблюдать и в озерах. В более холодном климате это приводит к явлению, называемому стратификацией . Летом теплая вода, менее плотная, будет находиться поверх более холодной, плотной и глубокой воды, разделяющей их термоклином. Теплый слой называется эпилимнионом , а холодный — гиполимнионом . Поскольку теплая вода в течение дня подвергается воздействию солнца, существует стабильная система, и смешение теплой и холодной воды происходит очень незначительно, особенно в тихую погоду.
.svg/1280px-Lake_Stratification_(11).svg.png)
Одним из результатов этой стабильности является то, что по мере того, как лето продолжается, кислорода под термоклином остается все меньше и меньше, поскольку вода ниже термоклина никогда не циркулирует на поверхности, а организмы в воде истощают доступный кислород. По мере приближения зимы температура поверхностных вод будет падать, поскольку в теплопередаче преобладает ночное охлаждение. Достигается точка, в которой плотность охлаждающейся поверхностной воды становится больше плотности глубинной воды и начинается опрокидывание, поскольку плотная поверхностная вода движется вниз под действием силы тяжести. Этому процессу способствует ветер или любой другой процесс (например, течение), который взбалтывает воду. Этот эффект также наблюдается в водах Арктики и Антарктики, когда на поверхность поднимается вода, которая, хотя и содержит мало кислорода, но содержит больше питательных веществ, чем исходная поверхностная вода. Такое обогащение поверхностных питательных веществ может привести к цветению фитопланктона , что сделает эти территории продуктивными.
Поскольку температура продолжает падать, вода на поверхности может стать достаточно холодной, чтобы замерзнуть, и озеро/океан начнет покрываться льдом. Возникает новый термоклин, где самая плотная вода (4 °C (39 °F)) опускается на дно, а менее плотная вода (вода, приближающаяся к точке замерзания) поднимается наверх. Как только эта новая стратификация установится, она будет продолжаться до тех пор, пока вода не прогреется достаточно для «весеннего оборота», который происходит после таяния льда и повышения температуры поверхностной воды до 4 °C. Во время этого перехода может развиться термобар .
На термоклине могут возникать волны, вызывающие колебания глубины термоклина, измеренной в одном месте (обычно в виде сейш ). С другой стороны, волны могут быть вызваны потоком над приподнятым дном, создавая волну термоклина, которая не меняется со временем, но меняется по глубине по мере движения по течению или против него.
Термоклин – градиент, основанный на четкой разнице температур внутри тела, состоящего из аналогичного вещества. т. е. атмосфера, океан, озеро и т. д.
Термическая граница между тропосферой (нижняя атмосфера) и стратосферой (верхняя атмосфера) представляет собой термоклин. Температура обычно снижается с высотой, но тепло от дневного воздействия солнца выделяется ночью, что может создать теплую область на земле с более холодным воздухом над головой. Это известно как инверсия (еще один пример термоклина). На восходе солнца энергия солнца нагревает землю, вызывая подъем нагретого воздуха, тем самым дестабилизируя и, в конечном итоге, обращая вспять инверсионный слой. Это явление было впервые применено к области изучения шумового загрязнения в 1960-х годах, что способствовало проектированию городских автомагистралей и шумовых барьеров . [7]