Отторжение рассола — это процесс, который происходит при замерзании соленой воды. Соли не вписываются в кристаллическую структуру водяного льда , поэтому соль выталкивается.
Поскольку океаны соленые, этот процесс важен в природе. Соль, отброшенная формирующимся морским льдом, стекает в окружающую морскую воду , создавая более соленый, более плотный рассол . Более плотный рассол тонет, влияя на циркуляцию океана .
Когда вода достигает температуры, при которой она начинает кристаллизоваться и образовывать лед, ионы соли выталкиваются из решеток внутри льда и либо вытесняются в окружающую воду, либо задерживаются среди ледяных кристаллов 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 ячеек рассола остается во льду. Как только лед достигает критической толщины, примерно 15 см, концентрация ионов соли в жидкости вокруг льда начинает увеличиваться, поскольку оставшийся рассол выталкивается из ячеек. [1] Это увеличение связано с появлением сильных конвективных струй, которые вытекают из каналов и внутри льда и несут значительный поток соли. Рассол, который стекает из новообразованного льда, заменяется слабым потоком относительно пресной воды из жидкой области под ним. Новая вода частично замерзает в порах льда, увеличивая твердость льда.
По мере того, как морской лед стареет и утолщается, его первоначальная соленость уменьшается из-за отторжения рассола с течением времени. [1] По мере того, как морской лед стареет, опреснение происходит до такой степени, что соленость некоторых многолетних льдов составляет менее 1 PSU . [2] Это происходит тремя различными способами:
Отторжение рассола происходит в морских ледяных покровах вокруг северного и южного полюсов Земли [ необходимо разъяснение ] . Площадь Северного Ледовитого океана исторически колебалась от примерно 14-16 миллионов квадратных километров в конце зимы до примерно 7 миллионов км 2 в сентябре. [6] Ежегодное увеличение льда играет важную роль в движении циркуляции океана и формировании глубинных вод. Плотность воды под недавно образованным льдом увеличивается из-за отторжения рассола. Более соленая вода также может стать холоднее без замерзания.
Плотная вода, которая образуется в Арктике, называется Североатлантической глубокой водой (NADW), тогда как Антарктическая донная вода (AABW) образуется в южном полушарии. Эти две области отторжения рассола играют важную роль в термохалинной циркуляции всех океанов Земли.
По мере того, как морской лед замерзает, он отталкивает все более соленую воду, которая стекает через узкие каналы рассола, пронизывающие лед. Рассол, текущий через каналы рассола и выходящий из нижней части льда, очень холодный и соленый, поэтому он тонет в более теплой, пресной морской воде подо льдом, образуя шлейф . Шлейф холоднее, чем точка замерзания морской воды подо льдом, поэтому морская вода может замерзнуть там, где она касается шлейфа. Лед, замерзающий по краям шлейфа, постепенно образует полую сосулькообразную трубку, называемую бриниклом . Эти замороженные сталактитоподобные формы хрупкие на ранних стадиях, но если дренаж рассола прекращается, они могут замерзнуть насквозь. В спокойных водах бриниклы могут достигать морского дна, замораживая его довольно резко. [7]
Глубокие океанические бассейны устойчиво стратифицированы , поэтому смешивание поверхностных вод с глубинными океаническими водами происходит очень медленно. Растворенный CO 2 поверхностных вод океана примерно находится в равновесии с парциальным давлением CO 2 в атмосфере. По мере повышения уровня CO 2 в атмосфере океаны поглощают некоторое количество CO 2 из атмосферы. Когда поверхностные воды опускаются, они переносят значительные количества CO 2 в глубинные океаны, из 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 влиять на таяние льда и отторжение рассола. Предыдущие исследования предполагали, что по мере истончения ледяного покрова он станет более слабым изолятором, что приведет к большему производству льда осенью и зимой. [8] Последующее увеличение отторжения рассола зимой приведет к вентиляции океана и усилит приток теплых атлантических вод. Исследования последнего ледникового максимума показали, что резкое сокращение производства морского льда и, следовательно, сокращение отторжения рассола приведет к ослаблению стратификации в глобальных глубоких океанах и выбросу CO2 в мелководные океаны и атмосферу, вызвав глобальное таяние ледников. [9]
Жизнь в морском льду требует больших энергетических затрат и устанавливает ограничения на любом иерархическом, организационном и организменном уровне, начиная от молекул и заканчивая всем, что делает организм. [ необходимо разъяснение ] [9] Несмотря на этот факт, содержащие рассол пустоты и карманы, обнаруженные в морском льду, являются средой обитания для множества организмов, включая бактерии , автотрофные и гетеротрофные простейшие , микроводоросли и метазоа . [10]
Отторжение рассола играет решающую роль в циркуляции океана. В прибрежных полыньях это ключ к вентиляции множества водных масс как в Арктике, так и в Антарктике. Прибрежная полынья — это область открытой воды, окруженная льдом. [11] Причина, по которой прибрежные полыньи являются наиболее активными областями отторжения рассола, заключается в том, что эти воды часто подвергаются воздействию ветров с берега, которые обеспечивают прямой контакт воды с холодным воздухом. [12] Это приводит к потере тепла и образованию льда. Одной из областей, которая обычно изучается для изучения этих воздействий, являются прибрежные полыньи Охотского моря. Охотское море имеет широкие, мелководные шельфы, суровые зимние условия, высокую фоновую соленость и легкий доступ летом, что делает его идеальным местом для изучения. [12] Было проведено много исследований, изучающих влияние отторжения рассола в Охотском море.
В статье, выполненной Щербиной и др. (2003), они хорошо анализируют влияние отторжения рассола. [13] В Охотском море циркуляция обусловлена отторжением рассола, которое происходит в зимние месяцы. Как это типично для отторжения рассола, образуется морской лед, который на 70-90% преснее морской воды. Вода под ним становится более соленой и холодной, что приводит к увеличению плотности. Этот участок воды в Охотском море называется плотной шельфовой водой (ПШВ). Чем соленее и холоднее участок воды, тем он становится плотнее, заставляя его погружаться ниже других участков воды. По этой причине ПШВ начнет погружаться в толщу воды. Затем участок перемещается на юг вдоль побережья Сахалина. Отсюда вода перемещается в Тихий океан и вентилирует северотихоокеанские промежуточные воды (НПВ). Известно, что ПШВ является самой плотной водой в северной части Тихого океана, и это ключевая водная масса в циркуляции океана.
Было показано, что отторжение рассола вентилирует северную часть Тихого океана на глубину 300–1000 метров. Некоторые исследования даже показали, что оно достигает глубины смешивания 2000 метров. [14] Смешивание и вентиляция водной толщи играют ключевую роль в пополнении кислорода в промежуточных водах. Это также может привести к подъему питательных веществ, что может повлиять на производительность. Увеличение первичной продукции может привести к увеличению других организмов от криля до китов.