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 температурных различий, связанных с глубиной. В океане термоклин разделяет верхний смешанный слой от спокойной глубокой воды ниже. [1]
В зависимости от сезона , широты и турбулентного перемешивания ветром термоклины могут быть полупостоянной особенностью водоема , в котором они возникают, или они могут образовываться временно в ответ на такие явления, как радиационное нагревание/охлаждение поверхностной воды в течение дня/ночи. Факторы, которые влияют на глубину и толщину термоклина, включают сезонные погодные изменения , 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 на поверхности океана, который нагревается в течение дня и охлаждается ночью, поскольку тепловая энергия теряется в космосе из-за излучения. Волны перемешивают воду около поверхностного слоя и распределяют тепло в более глубокие воды таким образом, что температура может быть относительно однородной в верхних 100 метрах (330 футов), в зависимости от силы волны и наличия поверхностной турбулентности, вызванной течениями. Ниже этого смешанного слоя температура остается относительно стабильной в течение дневных/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 не далека от нуля градусов. [2]
Термоклин варьируется по глубине. Он полупостоянный в тропиках, изменчивый в умеренных регионах и мелкий или отсутствует в полярных регионах, где водная толща холодная от поверхности до дна. [3] Слой морского льда будет действовать как изоляционное одеяло. Первые точные глобальные измерения были сделаны 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 в акустическом импедансе воды, созданного внезапным изменением плотности.
В подводном плавании термоклин, где температура воды резко падает на несколько градусов по Цельсию, иногда можно наблюдать между двумя водоемами, например, когда более холодная вода, поднимающаяся вверх, впадает в поверхностный слой более теплой воды. Это придает воде вид морщинистого стекла, которое часто используется в окнах ванных комнат, чтобы затмить вид, и вызвано измененным показателем преломления холодной или теплой водной толщи. Эти же шлирены можно наблюдать, когда горячий воздух поднимается с асфальта в аэропортах или на дорогах в пустыне, и они являются причиной миражей .
Термоклин в океане может меняться по глубине и силе в зависимости от сезона. [3] Это особенно заметно в средних широтах с более толстым смешанным слоем зимой и более тонким смешанным слоем летом. [5] Более низкие зимние температуры заставляют термоклин опускаться на большую глубину, а более высокие летние температуры возвращают термоклин обратно в верхний слой. В районах вокруг тропиков и субтропиков термоклин может стать даже тоньше летом, чем в других местах. [5] В более высоких широтах, вокруг полюсов, наблюдается больше сезонного термоклина, чем постоянного, с более теплыми поверхностными водами. [5] Здесь вместо этого наблюдается дихотермический слой.
В Северном полушарии максимальные температуры на поверхности наблюдаются в августе и сентябре, а минимальные температуры — в феврале и марте, при этом общее содержание тепла оказывается самым низким в марте. [5] В это время сезонный термоклин начинает снова формироваться после того, как он был разрушен в течение более холодных месяцев.
Постоянный термоклин — это тот, который не зависит от сезона и лежит ниже максимальной глубины годового смешанного слоя. [6]
Термоклины также можно наблюдать в озерах. В более холодном климате это приводит к явлению, называемому стратификацией . Летом теплая вода, которая менее плотная, будет находиться поверх более холодной, плотной, более глубокой воды с термоклином, разделяющим их. Теплый слой называется эпилимнионом, а холодный слой называется гиполимнионом . Поскольку теплая вода подвергается воздействию солнца в течение дня, существует стабильная система, и происходит очень мало смешивания теплой и холодной воды, особенно в спокойную погоду.
.svg/1280px-Lake_Stratification_(11).svg.png)
Одним из результатов этой стабильности является то, что по мере того, как лето продолжается, под термоклином становится все меньше и меньше кислорода, поскольку вода под термоклином никогда не циркулирует к поверхности, а организмы в воде истощают доступный кислород. По мере приближения зимы температура поверхностной воды будет падать, поскольку ночное охлаждение доминирует над переносом тепла. Достигается точка, когда плотность охлаждающей 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, течения), который перемешивает воду. Этот эффект также происходит в арктических и антарктических водах, вынося на поверхность воду, которая, хотя и бедна кислородом, содержит больше питательных веществ, чем исходная поверхностная вода. Это обогащение поверхностных питательных веществ может вызвать цветение фитопланктона , делая эти области продуктивными.
По мере того, как температура продолжает падать, вода на поверхности может достаточно остыть, чтобы замерзнуть, и озеро/океан начнет покрываться льдом. Образуется новый термоклин, где самая плотная вода (4 °C (39 °F)) опускается на дно, а менее плотная вода (вода, которая приближается к точке замерзания) поднимается наверх. Как только эта новая стратификация установится, она будет существовать 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 образоваться термобар .
Волны могут возникать на термоклине, заставляя глубину термоклина, измеренную в одном месте, колебаться (обычно в форме сейши ). С другой стороны, волны могут быть вызваны течением над приподнятым дном, создавая волну термоклина, которая не меняется со временем, но изменяется по глубине при движении в потоке или против него.
Термоклин — градиент, основанный на выраженных различиях температур внутри тела, состоящего из схожего вещества, например, в атмосфере, океане, озере и т. д.
Термическая граница между тропосферой (нижние слои атмосферы) и стратосферой (верхние слои атмосферы) представляет собой термоклин. Температура обычно понижается с высотой, но тепло от дневного воздействия солнца высвобождается ночью, что может создать теплую область у земли с более холодным воздухом над ней. Это известно как инверсия (еще один пример термоклина). На восходе солнца солнечная энергия нагревает землю, заставляя теплый воздух подниматься, тем самым дестабилизируя и в конечном итоге обращая вспять слой инверсии. Это явление впервые было применено в области изучения шумового загрязнения в 1960-х годах, способствуя проектированию городских автомагистралей и шумозащитных барьеров . [7]