Отторжение рассола — это процесс, который происходит при замерзании соленой воды. Соли не вписываются в кристаллическую структуру водяного льда , поэтому соль вытесняется.
Поскольку океаны соленые, этот процесс важен в природе. Соль, отброшенная формирующимся морским льдом , стекает в окружающую морскую воду , создавая более соленый и плотный рассол . Более плотный рассол опускается, влияя на циркуляцию океана .
Когда вода достигает температуры, при которой она начинает кристаллизоваться и образовывать лед, ионы соли выбрасываются из решеток внутри льда и либо вытесняются в окружающую воду, либо задерживаются среди кристаллов льда в карманах, называемых ячейками рассола. Обычно морской лед имеет соленость от 0 psu на поверхности до 4 psu у основания. [1] Чем быстрее происходит этот процесс замерзания , тем больше клеток рассола остается во льду. Как только лед достигает критической толщины, примерно 15 см, концентрация ионов соли в жидкости вокруг льда начинает увеличиваться, поскольку остатки рассола выбрасываются из ячеек. [1] Такое увеличение связано с появлением сильных конвективных шлейфов, которые вытекают из каналов и внутри льда и несут значительный поток соли. Рассол, стекающий с вновь образовавшегося льда, заменяется слабым потоком относительно пресной воды из жидкой области под ним. Новая вода частично замерзает в порах льда, увеличивая прочность льда.
По мере старения и утолщения морского льда первоначальная соленость льда уменьшается из-за отторжения рассола с течением времени (рис. 2]. [1] В то время как морской лед стареет, опреснение происходит до такой степени, что некоторые многолетние льды имеют соленость менее 1 PSU . [2] Это происходит тремя разными способами:
Отторжение рассола происходит в пачках морского льда на северном и южном полюсах Земли (рис. 3] [ нужны разъяснения ] . Площадь Северного Ледовитого океана исторически колебалась от примерно 14-16 миллионов квадратных километров в конце зимы до примерно 7 миллионов квадратных километров каждый сентябрь. [6] Ежегодное увеличение количества льда играет важную роль в движении океанской циркуляции и формировании глубоководных вод. Плотность воды под вновь образовавшимся льдом увеличивается из-за отвода рассола. Соленая вода также может стать холоднее, не замерзая.
Плотные воды, образующиеся в Арктике, называются глубоководными водами Северной Атлантики (NADW), а придонные воды Антарктики (AABW) формируются в южном полушарии. Эти две области отвода рассола играют важную роль в термохалинной циркуляции всех океанов Земли.
По мере замерзания морского льда он отбрасывает все более соленую воду, которая стекает по узким солевым каналам, пронизывающим лед. Рассол, текущий по солевым каналам и со дна льда, очень холодный и соленый, поэтому он тонет в более теплой и пресной морской воде подо льдом, образуя шлейф . Шлейф холоднее точки замерзания морской воды подо льдом, поэтому морская вода может замерзнуть там, где она касается шлейфа. Лед, замерзающий по краям шлейфа, постепенно образует полую трубку, похожую на сосульку, называемую брайнкл . Эти замороженные сталактитоподобные формы хрупкие на ранних стадиях, но если дренаж рассола прекращается, они могут замерзнуть. В спокойных водах бринкалы могут достигать морского дна, довольно резко замораживая его. [7]
Глубоководные океанические котловины устойчиво стратифицированы , поэтому смешение поверхностных вод с глубоководными океанскими водами происходит очень медленно. Растворенный CO 2 поверхностных вод океана находится примерно в равновесии с парциальным давлением CO 2 в атмосфере. Поскольку уровни CO 2 в атмосфере растут, океаны поглощают некоторое количество CO 2 из атмосферы. Когда поверхностные воды тонут, они переносят значительные количества CO 2 в глубокие океаны, подальше от атмосферы. Поскольку эти воды способны содержать большое количество CO 2 , они помогли замедлить рост концентрации CO 2 в атмосфере , тем самым замедляя некоторые аспекты изменения климата .
Изменение климата может по-разному повлиять на таяние льда и отторжение рассола. Предыдущие исследования показали, что по мере истончения ледяного покрова он станет более слабым изолятором, что приведет к увеличению производства льда осенью и зимой. [8] Последующее увеличение отбраковки рассола зимой будет стимулировать вентиляцию океана и усилить приток теплых атлантических вод. Исследования последнего ледникового максимума (LGM) показали, что резкое сокращение производства морского льда и, следовательно, уменьшение отторжения рассола приведет к ослаблению стратификации в глобальных глубоких океанах и выбросу CO 2 в мелководные океаны. и атмосферу, вызывая глобальную дегляциацию. [9]
Жизнь в морском льду требует энергии и устанавливает ограничения на любом иерархическом, организационном и организменном уровне, начиная от молекул и заканчивая всем, что делает организм. [ необходимы разъяснения ] [9] Несмотря на этот факт, содержащие рассол пустоты и карманы, обнаруженные в морском льду, содержат множество организмов, включая бактерии , автотрофные и гетеротрофные протисты , микроводоросли и многоклеточные организмы . [10]
Отказ от рассола играет решающую роль в циркуляции океана. В прибрежных полыньях это ключ к вентиляции многочисленных водных масс как в Арктике, так и в Антарктике. Прибрежная полынья – это участок открытой воды, окруженный льдом. [11] Причина, по которой прибрежные полыньи являются наиболее активными зонами отторжения рассола, заключается в том, что в этих водах часто дуют прибрежные ветры, которые обеспечивают прямой контакт воды с холодным воздухом. [12] Это приводит к потерям тепла и образованию льда. Одной из областей, которая обычно изучается с целью изучения этих воздействий, являются прибрежные полыньи Охотского моря. Охотское море имеет широкие мелководные шельфы, суровые зимние условия, высокую фоновую соленость и легкий доступ в летнее время, что делает его идеальным местом для исследований. [12] Было проведено множество исследований, посвященных влиянию отбраковки рассола в Охотском море.
В статье Щербины и др. (2003), они хорошо анализируют влияние отбраковки рассола. [13] В Охотском море циркуляция обусловлена отторжением рассола, которое происходит в зимние месяцы. Как это характерно для отказа от рассола, образуется морской лед, который на 70-90% преснее морской воды. Вода под ней становится более соленой и холодной, что приводит к увеличению плотности. Этот участок воды в Охотском море называется плотной шельфовой водой (DSW). Чем соленее и холоднее водный участок, тем плотнее он становится, заставляя его опускаться ниже других участков воды. По этой причине ДСВ начнет тонуть в толще воды. Затем посылка движется на юг вдоль побережья Сахалина. Отсюда вода перемещается в Тихий океан и вентилирует промежуточные воды северной части Тихого океана (NPIW). NPIW, как известно, является самой плотной водой в северной части Тихого океана и ключевой водной массой в циркуляции океана.
Было показано, что отказ от рассола приводит к вентиляции северной части Тихого океана на глубину 300–1000 метров. Некоторые исследования даже показали, что глубина смешивания достигает 2000 метров. [14] Перемешивание и вентиляция водной толщи играют ключевую роль в восполнении кислорода в промежуточных водах. Это также может привести к подъему питательных веществ, что может повлиять на продуктивность. Увеличение первичной продукции может привести к увеличению численности других организмов, таких как криль и киты.