stringtranslate.com

Стратификация (вода)

Стратификация озер является одним из примеров стратификации водоемов: озера разделены на три отдельные части:
I. Эпилимнион
II. Металимнион III
. Гиполимнион _

Расслоение воды — образование в водоеме сравнительно четко выраженных и устойчивых по плотности слоев . Встречается во всех водоемах, где наблюдается стабильное изменение плотности с глубиной. Стратификация является барьером для вертикального перемешивания воды, что влияет на обмен тепла, углерода, кислорода и питательных веществ. [1] Ветровые апвеллинги и нисходящие потоки открытой воды могут вызывать смешивание различных слоев посредством стратификации и вызывать подъем более плотной холодной, богатой питательными веществами или соленой воды и опускание более легкой теплой или более пресной воды соответственно. Слои основаны на плотности воды: более плотная вода остается ниже менее плотной при устойчивой стратификации при отсутствии принудительного перемешивания.

Стратификация происходит в нескольких видах водоемов, таких как океаны , озера , устья рек , затопленные пещеры, водоносные горизонты и некоторые реки.

Механизм

Движущей силой в стратификации является гравитация , которая сортирует смежные произвольные объёмы воды по локальной плотности, действуя на них посредством плавучести и веса . Объем воды с более низкой плотностью, чем окружающая среда, будет иметь результирующую выталкивающую силу, поднимающую его вверх, а объем с более высокой плотностью будет притянут вниз под действием веса, который будет больше, чем результирующая выталкивающая сила, в соответствии с принципом Архимеда . Каждый объем будет подниматься или опускаться до тех пор, пока он либо не смешается с окружающей средой посредством турбулентности и диффузии, чтобы соответствовать плотности окружающей среды, либо не достигнет глубины, на которой он имеет ту же плотность, что и окружающая среда, либо не достигнет верхней или нижней границы тела. вода и распространяется до тех пор, пока силы не уравновесятся и водный объект не достигнет своей наименьшей потенциальной энергии.

Плотность воды, определяемая как масса на единицу объема, является функцией температуры ( ), солености ( ) и давления ( ), которое является функцией глубины и распределения плотности вышележащего столба воды, и обозначается как .

Зависимость от давления несущественна, так как вода практически совершенно несжимаема. [2] Повышение температуры воды выше 4°C приводит к расширению и уменьшению плотности. Вода при замерзании расширяется, а понижение температуры ниже 4°С также вызывает расширение и уменьшение плотности. Увеличение солености, массы растворенных твердых веществ, приведет к увеличению плотности.

Плотность является решающим фактором в стратификации. Сочетание температуры и солености может привести к тому, что плотность будет меньше или больше, чем влияние каждого из них по отдельности, поэтому может случиться так, что слой более теплой соленой воды наслоится между более холодным и пресным поверхностным слоем и более холодным поверхностным слоем. холоднее более соленый более глубокий слой.

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

Подобно тому, как пикноклин — это слой с большим изменением плотности с глубиной, аналогичные слои можно определить при большом изменении температуры — термоклин и солености — галоклин . Поскольку плотность зависит как от температуры, так и от солености, пикно-, термо- и галоклины имеют одинаковую форму. [4]

Смешивание

Смешение – это разрушение стратификации. Как только водоем достигнет стабильного состояния стратификации и к нему не будут прилагаться никакие внешние силы или энергия, он будет медленно перемешиваться за счет диффузии до тех пор, пока не станет однородным по плотности, температуре и составу, изменяясь лишь из-за незначительного влияния сжимаемости. Обычно этого не происходит в природе, где существуют разнообразные внешние воздействия, поддерживающие или нарушающие равновесие. Среди них тепло, поступающее от Солнца, которое нагревает верхний объем, заставляя его слегка расширяться и уменьшая плотность, что имеет тенденцию увеличивать или стабилизировать стратификацию. Поступление тепла снизу, происходящее от распространения тектонических плит и вулканизма, является возмущающим воздействием, вызывающим подъем нагретой воды, но обычно это локальные эффекты и небольшие по сравнению с эффектами ветра, потерь тепла и испарения со свободной поверхности, а также изменений. направления токов.

Ветер вызывает возникновение ветровых волн и ветровых потоков , а также увеличивает испарение на поверхности, что оказывает охлаждающий эффект и концентрирующее действие на растворенные вещества, увеличивая соленость, и то и другое увеличивает плотность. Движение волн создает некоторый сдвиг воды, что увеличивает перемешивание поверхностных вод, а также развитие течений. На массовое перемещение воды между широтами влияют силы Кориолиса , которые сообщают движение в направлении течения, а движение к суше или другому топографическому препятствию или от него может привести к дефициту или избытку, который локально понижает или повышает уровень моря, вызывая апвеллинг. и нисхождение , чтобы компенсировать это. Основные апвеллинги в океане связаны с дивергенцией течений, выносящих на поверхность более глубокие воды. Выделяют как минимум пять типов апвеллинга: прибрежный апвеллинг, крупномасштабный ветровой апвеллинг во внутренней части океана, апвеллинг, связанный с вихрями, топографически связанный апвеллинг и широкодиффузионный апвеллинг во внутренней части океана. Даунвеллинг также происходит в антициклонических регионах океана, где теплые кольца вращаются по часовой стрелке, вызывая конвергенцию поверхности. Когда эти поверхностные воды сходятся, поверхностные воды выталкиваются вниз. [5] Эти эффекты смешивания дестабилизируют и уменьшают расслоение.

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 и происходит во всех океанских бассейнах. Более плотная вода находится ниже более легкой, что представляет собой устойчивую стратификацию . Пикноклин — это слой , в котором скорость изменения плотности наибольшая.

Стратификация океана в целом стабильна, поскольку более теплая вода менее плотна, чем более холодная, а большая часть нагрева происходит от солнца, которое напрямую влияет только на поверхностный слой. Расслоение уменьшается за счет механического перемешивания, вызванного ветром, но усиливается за счет конвекции (теплая вода поднимается, холодная вода опускается). Слоистые слои действуют как барьер для смешивания воды, что влияет на обмен тепла, углерода, кислорода и других питательных веществ. [1] Поверхностный перемешанный слой является самым верхним слоем в океане и хорошо перемешивается за счет механических (ветер) и термических (конвекция) эффектов.

Из-за ветрового движения поверхностных вод от массивов суши и к ним могут возникать апвеллинги и даунвеллинги , прорывающие стратификацию в тех областях, где холодная, богатая питательными веществами вода поднимается, а теплая вода опускается, соответственно, смешивая поверхностные и придонные воды.

Толщина термоклина не везде постоянна и зависит от множества переменных.

В период с 1960 по 2018 год стратификация верхних слоев океана увеличивалась на 0,7–1,2% за десятилетие из-за изменения климата. [1] Это означает, что различия в плотности слоев океанов увеличиваются, что приводит к увеличению барьеров смешивания и другим эффектам. [ нужны разъяснения ] Глобальная стратификация верхних слоев океана продолжила тенденцию к увеличению в 2022 году. [7] В южных океанах (к югу от 30° ю.ш.) наблюдалась самая высокая скорость стратификации с 1960 года, за ней следовали Тихий, Атлантический и Индийский океаны. . [1] На растущую стратификацию преимущественно влияют изменения температуры океана ; соленость играет роль только локально. [1]

Эстуарии

Устье — частично замкнутый прибрежный водоем с солоноватой водой , в который впадает одна или несколько рек или ручьев и имеющий свободный выход в открытое море . [8]

Время пребывания воды в устье зависит от циркуляции внутри устья, 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 разному времени пребывания.

Вертикальное перемешивание определяет, насколько соленость и температура будут меняться сверху вниз, оказывая глубокое влияние на циркуляцию воды. Вертикальное перемешивание происходит на трех уровнях: от поверхности вниз под действием сил ветра, снизу вверх за счет турбулентности, возникающей на границе раздела эстуарных и океанических водных масс, и внутри за счет турбулентного перемешивания, вызванного водными потоками, которые вызываются приливами и ветром. и приток реки. [9]

В результате вертикального перемешивания возникают различные типы эстуарной циркуляции:

Для эстуариев соляных клинов характерна резкая граница плотности между верхним слоем пресной воды и нижним слоем соленой воды . В этой системе доминирует речная вода, и приливные эффекты играют незначительную роль в характере циркуляции. Пресная вода плавает над морской водой и постепенно разжижается по мере продвижения к морю. Более плотная морская вода движется по дну вверх по устью, образуя клиновидный слой и становясь тоньше по мере продвижения к суше. По мере того, как между двумя слоями возникает разница скоростей , силы сдвига генерируют внутренние волны на границе раздела, смешивая морскую воду вверх с пресной водой. [10] Примером является устье Миссисипи . [ нужна цитата ]

По мере увеличения приливного воздействия влияние речного стока на характер циркуляции в устье становится менее доминирующим. Турбулентное перемешивание, вызванное течением, создает умеренно стратифицированное состояние. Турбулентные водовороты перемешивают толщу воды, создавая массоперенос пресной и морской воды в обоих направлениях через границу плотности. Поэтому граница раздела верхней и нижней водных масс заменяется толщей воды с постепенным увеличением солености от поверхности ко дну. Однако двухслойный поток все еще существует с максимальным градиентом солености на средней глубине. Частично стратифицированные эстуарии обычно мелкие и широкие, с большим соотношением ширины и глубины, чем эстуарии соляных клиньев. [10] Примером является Темза . [ нужна цитата ]

В вертикально однородных эстуариях приливный сток больше речного стока, 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. Отношение ширины к глубине вертикально однородных эстуариев велико, а ограниченная глубина создает достаточный вертикальный сдвиг на морском дне, чтобы полностью перемешать толщу воды. Если приливные течения в устье устья достаточно сильны, чтобы создать турбулентное перемешивание, часто возникают вертикально однородные условия. [10]

Фьорды обычно представляют собой примеры сильно стратифицированных эстуариев; они представляют собой котловины с подоконниками и имеют приток пресной воды, значительно превышающий испаряемость. Океаническая вода поступает в промежуточный слой и смешивается с пресной водой. Полученная солоноватая вода затем выводится в поверхностный слой. Медленный приток морской воды может перетекать через подоконник и опускаться на дно фьорда (глубокий слой), где вода остается стоячей, пока ее не смоет случайным штормом. [9]

Обратные устья встречаются в засушливом климате , где испарение значительно превышает приток пресной воды. Формируется зона максимума солености, и к этой зоне приближаются к поверхности воды как речные, так и океанические воды. [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 максимума солености действует как пробка, препятствующая смешению эстуарных и океанических вод, так что пресная вода не достигает океана. Вода с высокой соленостью опускается в сторону моря и выходит из устья. [12] [13]

Озера

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

Типичная картина перемешивания для многих озер, вызванная тем, что пресная вода имеет максимальную плотность при температуре 4°C. Стратификация озера стабильна летом и зимой и становится нестабильной весной и осенью, когда поверхностные воды пересекают отметку 4°C.

Термическая стратификация озер представляет собой вертикальную изоляцию частей водоема от перемешивания, вызванную изменением температуры на разных глубинах озера и обусловленную изменением плотности воды с температурой. [14] Холодная вода плотнее теплой воды той же солености, а эпилимнион обычно состоит из воды, которая не так плотна, как вода в гиполимнионе. [15] Однако температура максимальной плотности пресной воды составляет 4 °C. В регионах с умеренным климатом , где вода в озере в зависимости от сезона нагревается и остывает, происходит циклическая картина переворота, которая повторяется из года в год по мере того, как вода в верхней части озера остывает и опускается (см. Стабильную и нестабильную стратификацию ). Например, в димиктических озерах вода в озере меняется весной и осенью. На большей глубине этот процесс происходит медленнее и в результате может образоваться термобар . [14] Если стратификация воды длится продолжительное время, озеро является меромиктическим .

В мелких озерах расслоение на эпилимнион, металимнион и гиполимнион часто не происходит, так как ветер или похолодание вызывают регулярное перемешивание в течение года. Эти озера называются полимиктическими . Определенной глубины, разделяющей полимиктические и слоистые озера, не существует, так как на нее влияют не только глубина, но и мутность, площадь зеркала озера и климат. [16] Режим перемешивания озер (например, полимиктический, димиктический, меромиктический) [17] описывает ежегодные закономерности стратификации озер, которые происходят в большинстве лет. Однако краткосрочные события также могут повлиять на стратификацию озера. Волны жары могут вызывать периоды расслоения в смешанных мелких озерах, [18] в то время как явления перемешивания, такие как штормы или большие речные стоки, могут нарушить стратификацию. [19] Недавние исследования показывают, что сезонно покрытые льдом димиктические озера можно охарактеризовать как «криостратифицированные» или «криомиктические» в соответствии с их режимами зимней стратификации. [19] Криостратифицированные озера демонстрируют обратную стратификацию вблизи поверхности льда и имеют среднюю температуру по глубине около 4 °C, в то время как криомиктические озера не имеют подледного термоклина и имеют средние зимние температуры по глубине ближе к 0 °C. [19]

Анхиалиновые системы

Галоклин виден в сеноте Чак Мул, Мексика . Пресная вода находится над более плотной соленой водой. На этой фотографии под дайвером видно видимое искажение воды галоклином.

Анхиалинная система — это не имеющий выхода к морю водоём, имеющий подземную связь с океаном . В зависимости от своего формирования эти системы могут существовать в одной из двух основных форм: бассейны или пещеры. Основными отличительными характеристиками бассейнов и пещер является наличие света; Системы пещер обычно афотичны , а водоемы эвфотичны . Разница в доступности света оказывает большое влияние на биологию данной системы. Анхиалинные системы представляют собой особенность прибрежных водоносных горизонтов , которые стратифицированы по плотности: вода у поверхности пресная или солоноватая , а соленая вода проникает от побережья на глубину. В зависимости от места иногда можно получить доступ к более глубокой соленой воде непосредственно в анхиалиновом бассейне, а иногда это можно сделать, ныряя в пещеру . [20]

Анхиалинные системы чрезвычайно распространены во всем мире, особенно вдоль неотропических береговых линий, где геология и системы водоносных горизонтов относительно молоды, а почвенное развитие минимально. Такие условия возникают, в частности, там, где коренной породой является известняк или недавно образовавшаяся вулканическая лава . Многие анхиалинные системы встречаются на побережьях острова Гавайи , полуострова Юкатан , Южной Австралии , Канарских островов , острова Рождества и других карстовых и вулканических систем.[20]

Карстовые пещеры, впадающие в море, могут иметь галоклин, отделяющий пресную воду от морской воды под ней, который можно увидеть, даже если оба слоя прозрачны из-за разницы в показателях преломления.

Рекомендации

  1. ^ abcde Ли, Г.; Ченг, Л.; Чжу, Дж.; Тренберт, Кентукки; Манн, Мэн; Авраам, JP (2020). «Усиление стратификации океана за последние полвека». Природа Изменение климата . 10 (12): 1116–1123. Бибкод : 2020NatCC..10.1116L. дои : 10.1038/s41558-020-00918-2. S2CID  221985871.
  2. ^ Павлович, Р. (2013). «Ключевые физические переменные в океане: температура, соленость и плотность». Знания о природном образовании . 4 (4): 13.
  3. ^ Гнанадэсикан, Ананд (1999). «Простая прогностическая модель структуры океанического пикноклина». Наука . 283 (5410): 2077–2079. Бибкод : 1999Sci...283.2077G. дои : 10.1126/science.283.5410.2077. ПМИД  10092229.
  4. ^ Уайт, Уильям Б.; Калвер, Дэвид К. (2012). Энциклопедия пещер. Академическая пресса. п. 157. ИСБН 978-0-12-383832-2.
  5. ^ «Движение океана: Определение: ветровые поверхностные течения – апвеллинг и даунвеллинг» . Проверено 12 марта 2016 г.
  6. ^ «Глобальная система ассимиляции океанических данных NCEP (GODAS) в NOAA ESRL/PSL: Лаборатория физических наук NOAA» .
  7. ^ Ченг, Лицзин; Авраам, Джон; Тренберт, Кевин Э.; Фасулло, Джон; Бойер, Тим; Манн, Майкл Э.; Чжу, Цзян; Ван, Фан; Локарнини, Рикардо; Ли, Юаньлун; Чжан, Бинь; Ю, Фуцзян; Ван, Лийинг; Чен, Синжун; Фэн, Личэн (2023). «Еще один год рекордной жары для океанов». Достижения в области атмосферных наук . 40 (6): 963–974. Бибкод : 2023AdAtS..40..963C. дои : 10.1007/s00376-023-2385-2 . ISSN  0256-1530. ПМЦ 9832248 . ПМИД  36643611.  Текст был скопирован из этого источника, который доступен по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0.
  8. ^ Причард, DW (1967). «Что такое устье: физическая точка зрения». В Лауфе, GH (ред.). Эстуарии . Издательство АААС. Том. 83. Вашингтон, округ Колумбия. стр. 3–5. hdl : 1969.3/24383.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  9. ^ Аб Волански, Э. (2007). Эстуарная экогидрология . Амстердам, Нидерланды: Elsevier. ISBN 978-0-444-53066-0.
  10. ^ abc Кенниш, MJ (1986). Экология эстуариев. Том I: Физические и химические аспекты . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, Inc. ISBN 0-8493-5892-2.
  11. ^ Волански}first=E. (1986). «Зона максимальной солености, обусловленная испарением, в тропических эстуариях Австралии». Устьевые, прибрежные и шельфовые науки . 22 (4): 415–424. Бибкод : 1986ECSS...22..415W. дои : 10.1016/0272-7714(86)90065-X.
  12. ^ Нуньес, РА; Леннон, GW (1986). «Распределение физической собственности и сезонные тенденции в заливе Спенсер, Южная Австралия: обратный устье». Австралийский журнал исследований морской и пресной воды . 37 : 39–53. дои : 10.1071/MF9860039.
  13. ^ де Кастро, М.; Гомес-Гестейра, М.; Альварес, И.; Прего, Р. (2004). «Отрицательная циркуляция эстуария в Риа Понтеведра». Устьевые, прибрежные и шельфовые науки . 60 : 301–312. doi :10.1016/j.ecss.2004.01.006.
  14. ^ ab «Стратификация по плотности». Вода в сети. 7 октября 2015 г.
  15. ^ "Факты об обороте озера Ланье" . Департамент природных ресурсов Джорджии .
  16. ^ Кириллин, Г.; Шатвелл, Т. (октябрь 2016 г.). «Обобщенное масштабирование сезонной термической стратификации в озерах». Обзоры наук о Земле . 161 : 179–190. Бибкод : 2016ESRv..161..179K. doi : 10.1016/j.earscirev.2016.08.008 .
  17. ^ Льюис-младший, Уильям М. (октябрь 1983 г.). «Пересмотренная классификация озер на основе смешивания». Канадский журнал рыболовства и водных наук . 40 (10): 1779–1787. дои : 10.1139/f83-207.
  18. ^ Вильгельм, Сюзанна; Адриан, Рита (4 октября 2007 г.). «Влияние летнего потепления на термические характеристики полимиктического озера и последствия для кислорода, питательных веществ и фитопланктона». Пресноводная биология . 53 (2): 226–37. дои : 10.1111/j.1365-2427.2007.01887.x.
  19. ^ abc Ян, Бернард; Уэллс, Мэтью Г.; Макминс, Бейли С.; Дуган, Хилари А.; Русак, Джеймс А.; Вейхенмейер, Геза А.; Брентруп, Дженнифер А.; Хрычик, Эллисон Р.; Лаас, Ало; Пилла, Рэйчел М.; Остин, Джей А. (16 февраля 2021 г.). «Новая термическая классификация покрытых льдом озер». Письма о геофизических исследованиях . 48 (3): e91374. Бибкод : 2021GeoRL..4891374Y. дои : 10.1029/2020GL091374. ISSN  0094-8276. S2CID  233921281.
  20. ^ аб Скет, Борис (2012). «Анчихалинские (ANCHIALINE) пещеры и фауна». В белом, Уильям Б.; Калвер, Дэвид К. (ред.). Энциклопедия пещер (второе изд.). Академическая пресса. стр. 17–25. дои : 10.1016/B978-0-12-383832-2.00003-7. ISBN 978-0-12-383832-2.