Стратификация (вода)

Стратификация в воде — это образование в водоеме относительно отдельных и стабильных слоев по плотности . Она происходит во всех водоемах, где наблюдается стабильное изменение плотности с глубиной. Стратификация является препятствием для вертикального перемешивания воды, что влияет на обмен теплом, углеродом, кислородом и питательными веществами. ^[1] Ветровой подъем и опускание открытой воды может вызвать смешивание различных слоев посредством стратификации и вызвать подъем более плотной холодной, богатой питательными веществами или соленой воды и опускание более легкой теплой или пресной воды соответственно. Слои основаны на плотности воды: более плотная вода остается под менее плотной водой в стабильной стратификации при отсутствии принудительного перемешивания.

Стратификация происходит в нескольких типах водоемов, таких как океаны , озера , эстуарии , затопленные пещеры, водоносные горизонты и некоторые реки.

Механизм

Движущей силой стратификации является гравитация , которая сортирует смежные произвольные объемы воды по локальной плотности, действуя на них плавучестью и весом . Объем воды с меньшей плотностью, чем окружающая среда, будет иметь результирующую выталкивающую силу, поднимающую его вверх, а объем с большей плотностью будет тянуться вниз весом, который будет больше результирующих выталкивающих сил, следуя закону Архимеда . Каждый объем будет подниматься или опускаться до тех пор, пока он либо не смешается со своей средой посредством турбулентности и диффузии, чтобы соответствовать плотности окружающей среды, либо не достигнет глубины, на которой он будет иметь ту же плотность, что и окружающая среда, либо не достигнет верхней или нижней границы водоема и не распространится до тех пор, пока силы не будут уравновешены, и водоем не достигнет своей самой низкой потенциальной энергии.

Плотность воды, определяемая как масса на единицу объема, является функцией температуры ( ), солености ( ) и давления ( ), которое, в свою очередь, является функцией глубины и распределения плотности вышележащей толщи воды и обозначается как . $Т$ $S$ $p$ $\rho (S,T,p)$

Зависимость от давления незначительна, так как вода практически несжимаема. ^[2] Повышение температуры воды выше 4 °C вызывает расширение, а плотность уменьшается. Вода расширяется при замерзании, а понижение температуры ниже 4 °C также вызывает расширение и уменьшение плотности. Увеличение солености, массы растворенных твердых веществ, увеличит плотность.

Плотность является решающим фактором стратификации. Сочетание температуры и солености может привести к плотности, которая меньше или больше, чем эффект каждого из них по отдельности, поэтому может случиться, что слой более теплой соленой воды будет располагаться между более холодным и пресным поверхностным слоем и более холодным и соленым более глубоким слоем.

Пикноклин — это слой в водоеме, где изменение плотности относительно велико по сравнению с другими слоями. Толщина пикноклина не везде постоянна и зависит от множества переменных. ^[3]

Так же, как пикноклин — это слой с большим изменением плотности с глубиной, подобные слои могут быть определены для большого изменения температуры, термоклина , и солености, галоклина . Поскольку плотность зависит как от температуры, так и от солености, пикно-, термо- и галоклины имеют схожую форму. ^[4]

Смешивание

Смешивание — это разрушение стратификации. Как только масса воды достигла устойчивого состояния стратификации, и не применяются никакие внешние силы или энергия, она будет медленно перемешиваться путем диффузии до тех пор, пока не станет однородной по плотности, температуре и составу, изменяясь только из-за незначительных эффектов сжимаемости. Это обычно не происходит в природе, где существует множество внешних воздействий для поддержания или нарушения равновесия. Среди них — поступление тепла от солнца, которое нагревает верхний объем, заставляя его немного расширяться и уменьшая плотность, поэтому это имеет тенденцию увеличивать или стабилизировать стратификацию. Поступление тепла снизу, как это происходит из-за раздвижки тектонических плит и вулканизма, является возмущающим влиянием, заставляя нагретую воду подниматься, но это обычно локальные эффекты и малы по сравнению с эффектами ветра, потери тепла и испарения со свободной поверхности, а также изменениями направления течений.

Ветер оказывает влияние на создание ветровых волн и ветровых течений , а также на увеличение испарения на поверхности, что оказывает охлаждающий эффект и концентрирующее воздействие на растворенные вещества, увеличивая соленость, оба из которых увеличивают плотность. Движение волн создает некоторый сдвиг в воде, что увеличивает перемешивание в поверхностных водах, как и развитие течений. Массовое перемещение воды между широтами зависит от сил Кориолиса , которые придают движение поперек направления течения, а движение к или от суши или другого топографического препятствия может оставить дефицит или избыток, который локально понижает или повышает уровень моря, вызывая апвеллинг и даунвеллинг для компенсации. Основные апвеллинги в океане связаны с расхождением течений, которые выносят более глубокие воды на поверхность. Существует по крайней мере пять типов апвеллинга: прибрежный апвеллинг, крупномасштабный ветровой апвеллинг во внутренних частях океана, апвеллинг, связанный с водоворотами, топографически связанный апвеллинг и широкодиффузионный апвеллинг во внутренних частях океана. Даунвеллинг также происходит в антициклонических регионах океана, где теплые кольца вращаются по часовой стрелке, вызывая поверхностную конвергенцию. Когда эти поверхностные воды сходятся, поверхностная вода выталкивается вниз. ^[5] Эти эффекты смешивания дестабилизируют и уменьшают стратификацию.

По типу водоема

Океаны

Гало-, термо- и пикноклин на 10E, 30S. Для этого изображения были использованы годовые средние значения за 2000 год из данных GODAS ^{[6] .}

Стратификация океана — это естественное разделение воды океана на горизонтальные слои по плотности , которое происходит во всех океанических бассейнах. Более плотная вода находится под более легкой водой, представляя собой стабильную стратификацию . Пикноклин — это слой, где скорость изменения плотности самая большая.

Стратификация океана в целом стабильна, поскольку более теплая вода менее плотная, чем более холодная, а большая часть нагрева происходит от солнца, которое напрямую влияет только на поверхностный слой. Стратификация уменьшается за счет механического перемешивания, вызванного ветром, но усиливается конвекцией ( теплая вода поднимается, холодная опускается). Стратифицированные слои действуют как барьер для смешивания воды, что влияет на обмен теплом, углеродом, кислородом и другими питательными веществами. ^[1] Поверхностный смешанный слой является самым верхним слоем в океане и хорошо перемешивается механическими (ветер) и термическими (конвекция) эффектами.

Из-за перемещения поверхностных вод под действием ветра от суши и к ней может происходить подъем и опускание глубинных вод , нарушая стратификацию в тех областях, где холодная, богатая питательными веществами вода поднимается, а теплая вода опускается, смешивая поверхностные и придонные воды.

Толщина термоклина не везде постоянна и зависит от множества переменных.

В период с 1960 по 2018 год стратификация верхнего слоя океана увеличивалась на 0,7–1,2% за десятилетие из-за изменения климата. ^[1] Это означает, что различия в плотности слоев в океанах увеличиваются, что приводит к увеличению барьеров смешивания и другим эффектам. ^{[ необходимо разъяснение ]} Глобальная стратификация верхнего слоя океана продолжила увеличиваться в 2022 году. ^[7] Южные океаны (к югу от 30° ю.ш.) испытали самую сильную скорость стратификации с 1960 года, за ними следуют Тихий, Атлантический и Индийский океаны. ^[1] На усиление стратификации в основном влияют изменения температуры океана ; соленость играет роль только локально. ^[1]

Эстуарии

Эстуарий — частично замкнутый прибрежный водоём с солоноватой водой , в который впадает одна или несколько рек или ручьёв, и имеющий свободный выход к открытому морю . ^[8]

Время пребывания воды в эстуарии зависит от циркуляции в эстуарии, которая обусловлена разницей в плотности из-за изменений солености и температуры. Менее плотная пресная вода плавает над соленой водой, а более теплая вода плавает над более холодной водой при температуре выше 4 °C. В результате, приповерхностные и придонные воды могут иметь разные траектории, что приводит к разным временам пребывания.

Вертикальное перемешивание определяет, насколько сильно соленость и температура будут меняться сверху вниз, глубоко влияя на циркуляцию воды. Вертикальное перемешивание происходит на трех уровнях: от поверхности вниз под действием силы ветра, снизу вверх под действием турбулентности, создаваемой на границе между эстуарными и океаническими водными массами, и внутри за счет турбулентного перемешивания, вызванного водными течениями, которые приводятся в движение приливами, ветром и речным притоком. ^[9]

Различные типы эстуарной циркуляции являются результатом вертикального перемешивания:

Соляной клин эстуариев характеризуется резким интерфейсом плотности между верхним слоем пресной воды и нижним слоем соленой воды . Речная вода доминирует в этой системе, а приливные эффекты играют небольшую роль в моделях циркуляции. Пресная вода плавает на поверхности морской воды и постепенно истончается по мере продвижения к морю. Более плотная морская вода движется по дну вверх по эстуарию, образуя клиновидный слой и становясь тоньше по мере продвижения к суше. По мере того, как между двумя слоями развивается разница скоростей , сдвиговые силы генерируют внутренние волны на интерфейсе, смешивая морскую воду вверху с пресной водой. ^[10] Примером является эстуарий Миссисипи . ^{[ необходима цитата ]}

По мере увеличения приливного воздействия контроль речного потока на характер циркуляции в эстуарии становится менее доминирующим. Турбулентное перемешивание, вызванное течением, создает умеренно стратифицированное состояние. Турбулентные вихри перемешивают водную толщу, создавая массоперенос пресной и морской воды в обоих направлениях через границу плотности. Таким образом, интерфейс, разделяющий верхние и нижние водные массы, заменяется водной толщей с постепенным увеличением солености от поверхности ко дну. Однако двухслойный поток все еще существует с максимальным градиентом солености на средней глубине. Частично стратифицированные эстуарии, как правило, мелкие и широкие, с большим отношением ширины к глубине, чем эстуарии с соляным клином. ^[10] Примером является Темза . ^{[ необходима цитата ]}

В вертикально однородных эстуариях приливной поток больше по сравнению с речным стоком, что приводит к хорошо перемешанному водному столбу и исчезновению вертикального градиента солености. Граница пресной и морской воды устраняется из-за интенсивного турбулентного перемешивания и вихревых эффектов. Соотношение ширины и глубины вертикально однородных эстуариев велико, а ограниченная глубина создает достаточный вертикальный сдвиг на морском дне, чтобы полностью перемешать водную толщу. Если приливные течения в устье эстуария достаточно сильны, чтобы создать турбулентное перемешивание, часто развиваются вертикально однородные условия. ^[10]

Фьорды обычно являются примерами сильно стратифицированных эстуариев; они представляют собой бассейны с порогами и имеют приток пресной воды, который значительно превышает испарение. Океаническая вода импортируется в промежуточном слое и смешивается с пресной водой. Полученная солоноватая вода затем экспортируется в поверхностный слой. Медленный импорт морской воды может течь через порог и опускаться на дно фьорда (глубокий слой), где вода остается стоячей, пока ее не смоет случайный шторм. ^[9]

Обратные эстуарии возникают в сухом климате , где испарение значительно превышает приток пресной воды. Образуется зона максимальной солености, и как речная, так и океаническая вода течет близко к поверхности к этой зоне. ^[11] Эта вода выталкивается вниз и распространяется по дну как в направлении моря, так и в направлении суши. Максимальная соленость может достигать чрезвычайно высоких значений, а время пребывания может составлять несколько месяцев. В этих системах зона максимальной солености действует как пробка, препятствуя смешению эстуарных и океанических вод, так что пресная вода не достигает океана. Вода с высокой соленостью опускается в сторону моря и выходит из эстуария. ^[12]^[13]

Озера

Стратификация озера, как правило, форма термической стратификации, вызванная изменениями плотности из-за температуры воды, представляет собой образование отдельных и четких слоев воды в теплую погоду, а иногда и при замерзании. Обычно стратифицированные озера показывают три четких слоя: эпилимнион, включающий верхний теплый слой, термоклин (или металимнион ): средний слой, глубина которого может меняться в течение дня, и более холодный гиполимнион, простирающийся до дна озера. ^{[ необходима цитата ]}

Термическая стратификация озер представляет собой вертикальную изоляцию частей водоема от смешивания, вызванную изменением температуры на разных глубинах в озере, и обусловлена плотностью воды, изменяющейся в зависимости от температуры. ^[14] Холодная вода плотнее теплой воды той же солености, а эпилимнион обычно состоит из воды, которая не такая плотная, как вода в гиполимнионе. ^[15] Однако температура максимальной плотности пресной воды составляет 4 °C. В умеренных регионах, где вода в озере нагревается и охлаждается в течение сезонов, происходит циклический характер опрокидывания, который повторяется из года в год, поскольку вода в верхней части озера охлаждается и опускается (см. стабильная и нестабильная стратификация ). Например, в димиктических озерах вода в озере переворачивается весной и осенью. Этот процесс происходит медленнее в более глубокой воде, и в результате может образоваться термический бар . ^[14] Если стратификация воды длится в течение длительных периодов, озеро является меромиктическим .

В мелких озерах стратификация на эпилимнион, металимнион и гиполимнион часто не происходит, так как ветер или охлаждение вызывают регулярное перемешивание в течение года. Такие озера называются полимиктическими . Не существует фиксированной глубины, которая разделяет полимиктические и стратифицирующие озера, так как помимо глубины на нее также влияют мутность, площадь поверхности озера и климат. ^[16] Режим перемешивания озера (например, полимиктический, димиктический, меромиктический) ^[17] описывает годовые закономерности стратификации озера, которые происходят в большинстве лет. Однако краткосрочные события также могут влиять на стратификацию озера. Волны тепла могут вызывать периоды стратификации в других смешанных, мелких озерах ^[18], в то время как события смешивания, такие как штормы или большой речной сток, могут нарушить стратификацию. ^[19] Недавние исследования показывают, что сезонно покрытые льдом димиктические озера можно описать как «криостратифицированные» или «криомиктические» в соответствии с их режимами стратификации в зимнее время. ^[19] Криостратифицированные озера демонстрируют обратную стратификацию вблизи поверхности льда и имеют среднюю по глубине температуру около 4 °C, в то время как криомиктические озера не имеют подо льдом термоклина и имеют среднюю по глубине зимнюю температуру ближе к 0 °C. ^[19]

Анхиалиновые системы

Анхиалиновая система — это замкнутый водоем с подземным соединением с океаном . В зависимости от своего образования эти системы могут существовать в одной из двух основных форм: бассейны или пещеры. Основной отличительной характеристикой между бассейнами и пещерами является наличие света; пещерные системы, как правило, афотические , в то время как бассейны — эвфотические . Разница в наличии света оказывает большое влияние на биологию данной системы. Анхиалиновые системы являются особенностью прибрежных водоносных горизонтов , которые стратифицированы по плотности, причем вода у поверхности пресная или солоноватая , а соленая вода вторгается с побережья на глубине. В зависимости от места иногда можно получить доступ к более глубокой соленой воде непосредственно в анхиалиновом бассейне, а иногда она может быть доступна путем пещерного дайвинга . ^[20]

Системы анхиалинов чрезвычайно распространены по всему миру, особенно вдоль неотропических побережий, где геология и системы водоносных горизонтов относительно молоды, а развитие почвы минимально. Такие условия встречаются, в частности, там, где коренная порода представляет собой известняк или недавно образованную вулканическую лаву . Многие системы анхиалинов встречаются на побережьях острова Гавайи , полуострова Юкатан , Южной Австралии , Канарских островов , острова Рождества и других карстовых и вулканических систем. ^[20]

Карстовые пещеры, которые имеют выход в море, могут иметь галоклин, разделяющий пресную воду от морской воды под ней, который может быть виден даже тогда, когда оба слоя прозрачны из-за разницы в показателях преломления.

Ссылки

^ abcde Ли, Г.; Ченг, Л.; Чжу, Дж.; Тренберт, К. Э.; Манн, М. Э.; Абрахам, Дж. П. (2020). «Увеличение стратификации океана за последние полвека». Nature Climate Change . 10 (12): 1116–1123. Bibcode : 2020NatCC..10.1116L. doi : 10.1038/s41558-020-00918-2. S2CID 221985871.
^ Павлович, Р. (2013). «Ключевые физические переменные в океане: температура, соленость и плотность». Nature Education Knowledge . 4 (4): 13.
^ Gnanadesikan, Anand (1999). "Простая предсказательная модель структуры океанического пикноклина". Science . 283 (5410): 2077–2079. Bibcode :1999Sci...283.2077G. doi :10.1126/science.283.5410.2077. PMID 10092229.
^ Уайт, Уильям Б.; Калвер, Дэвид К. (2012). Энциклопедия пещер. Academic Press. стр. 157. ISBN 978-0-12-383832-2.
^ "Движение океана: Определение: Поверхностные течения, вызываемые ветром – апвеллинг и даунвеллинг" . Получено 12 марта 2016 г.
^ «Глобальная система ассимиляции океанических данных NCEP (GODAS) в NOAA ESRL/PSL: Лаборатория физических наук NOAA».
^ Чэн, Лицзин; Абрахам, Джон; Тренберт, Кевин Э.; Фасулло, Джон; Бойер, Тим; Манн, Майкл Э.; Чжу, Цзян; Ван, Фань; Локарнини, Рикардо; Ли, Юаньлун; Чжан, Бин; Ю, Фуцзян; Вань, Лиин; Чэнь, Синжун; Фэн, Личэн (2023). «Еще один год рекордной жары для океанов». Успехи в атмосферных науках . 40 (6): 963–974. Bibcode : 2023AdAtS..40..963C. doi : 10.1007/s00376-023-2385-2 . ISSN 0256-1530. PMC 9832248. PMID 36643611 . Текст скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.
^ Притчард, Д. В. (1967). «Что такое эстуарий: физическая точка зрения». В Лауфе, Г. Х. (ред.). Эстуарии . AAAS Publ. Vol. 83. Вашингтон, округ Колумбия. стр. 3–5. hdl :1969.3/24383.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
^ ab Wolanski, E. (2007). Эстуарная экогидрология . Амстердам, Нидерланды: Elsevier. ISBN 978-0-444-53066-0.
^ abc Kennish, MJ (1986). Экология эстуариев. Том I: Физические и химические аспекты . Boca Raton, FL: CRC Press, Inc. ISBN 0-8493-5892-2.
^ Волански, Э. (1986). «Зона максимальной солености, вызванной испарением, в австралийских тропических эстуариях». Estuarine, Coastal and Shelf Science . 22 (4): 415–424. Bibcode : 1986ECSS...22..415W. doi : 10.1016/0272-7714(86)90065-X.
^ Нунес, РА; Леннон, ГВ (1986). «Распределение физических свойств и сезонные тенденции в заливе Спенсер, Южная Австралия: инверсный эстуарий». Австралийский журнал морских и пресноводных исследований . 37 : 39–53. doi :10.1071/MF9860039.
^ ДеКастро, М.; Гомес-Гестейра, М.; Альварес, И.; Прего, Р. (2004). «Отрицательная эстуарная циркуляция в Риа Понтеведра». Estuarine, Coastal and Shelf Science . 60 : 301–312. doi :10.1016/j.ecss.2004.01.006.
^ ab "Стратификация плотности". Вода в Интернете. 7 октября 2015 г.
^ "Факты оборота озера Ланье". Департамент природных ресурсов Джорджии .
^ Кириллин, Г.; Шатвелл, Т. (октябрь 2016 г.). «Обобщенное масштабирование сезонной термической стратификации в озерах». Earth-Science Reviews . 161 : 179–190. Bibcode : 2016ESRv..161..179K. doi : 10.1016/j.earscirev.2016.08.008 .
^ Льюис-младший, Уильям М. (октябрь 1983 г.). «Пересмотренная классификация озер, основанная на смешивании». Канадский журнал рыболовства и водных наук . 40 (10): 1779–1787. doi :10.1139/f83-207.
^ Вильгельм, Сьюзанн; Адриан, Рита (4 октября 2007 г.). «Влияние летнего потепления на тепловые характеристики полимиктического озера и последствия для кислорода, питательных веществ и фитопланктона». Freshwater Biology . 53 (2): 226–37. doi :10.1111/j.1365-2427.2007.01887.x.
^ abc Янг, Бернард; Уэллс, Мэтью Г.; Макминс, Бейли К.; Дуган, Хилари А.; Русак, Джеймс А.; Вейхенмейер, Геса А.; Брентруп, Дженнифер А.; Хричик, Эллисон Р.; Лаас, Ало; Пилла, Рэйчел М.; Остин, Джей А. (16.02.2021). "Новая термическая классификация покрытых льдом озер". Geophysical Research Letters . 48 (3): e91374. Bibcode : 2021GeoRL..4891374Y. doi : 10.1029/2020GL091374. ISSN 0094-8276. S2CID 233921281.
^ ab Sket, Борис (2012). «Anchihaline (ANCHIALINE) Caves and Fauna». В White, Уильям Б.; Culver, Дэвид К. (ред.). Encyclopedia of Caves (второе изд.). Academic Press. стр. 17–25. doi :10.1016/B978-0-12-383832-2.00003-7. ISBN 978-0-12-383832-2.