Die Umwälzzirkulation ist eine Ozeanzirkulation, die durch die Dichteunterschiede (Dichte) des Salzwassers verursacht wird . Diese Dichteunterschiede kommen von den Unterschieden in Temperatur und Salzgehalt der Wassermassen, daher der Begriff Thermo - für Temperatur - und Halin - für Salzgehalt.
Temperatur, Salzgehalt und Dichte sind durch die Meerwasserzustandsfunktion verbunden . Das gekühlte und salzige Wasser stürzt in hohen Breiten in den Nordatlantik ( Norwegen , Grönland und die Labradorsee ) und sinkt nach Süden in Tiefen zwischen 1 und 3 km ab und bildet den tiefen Nordatlantik. Der Aufstieg dieses Wassers erfolgt hauptsächlich durch vertikale Vermischung im gesamten Ozean. Es wird geschätzt, dass ein Wassermolekül diesen gesamten Kreislauf in etwa 1.000 bis 1.500 Jahren bildet. Es gibt auch Gebiete mit dichter Wasserbildung im Südpolarmeer am Ross- und Weddellmeer . In der Realität ist es schwierig, die allein durch Dichtegradienten erzeugte Zirkulation von anderen Bewegungsquellen der Wassermassen wie Wind oder Gezeiten zu trennen. Um diese Zirkulation im großen Maßstab zu untersuchen, verwenden Wissenschaftler daher lieber einen klarer definierten Begriff: die meridionale Umwälzzirkulation oder MOC für „Meridional Overturning Circulation“.
Die thermohaline Zirkulation hat Auswirkungen auf das Klima , die heute noch schlecht eingeschätzt werden .
Der Begriff der thermohalinen Zirkulation ist ungenau und es gibt mehrere Definitionen. Betrachtet man ihn hauptsächlich als Zirkulation, die mit den Thermik- und Halin-Antrieben, die ihm seinen Namen geben, verbunden ist, so ist jetzt festgestellt worden, dass diese Antriebe allein nicht ausreichen, um diese Zirkulation aufrechtzuerhalten, und dass das turbulente Gemisch, das mit Wind und Gezeiten verbunden ist, eine Rolle spielt eine wesentliche Rolle, insbesondere beim Auftrieb von Tiefenwasser. Allmählich ersetzte die Vorstellung der Meridianzirkulation der Umkehrung oder MOC die der thermohalinen Zirkulation.
Das MOC entspricht die Meridianstromfunktion . Sie wird durch Integration der Meridiankomponente der aktuellen Geschwindigkeit nach Länge und Tiefe erhalten:
wobei bezeichnet die aktuelle Funktion, x den Längengrad, y den Breitengrad , z die Tiefe und t die Zeit. Seine Einheit ist der Sverdrup (dh 10 6 m 3 / s ).
Im Gegensatz zur thermohalinen Zirkulation entspricht sie der Integration von Geschwindigkeit, allen physikalischen Prozessen zusammengenommen und beinhaltet daher die windbedingte Zirkulation. Die Integration nach Längengraden kann global sein oder auf ein Becken beschränkt sein, wie dies bei der atlantischen meridionalen Umwälzzirkulation oder AMOC für „ Atlantische Meridional-Umkippzirkulation “ der Fall ist . Er kann auch als Maximalwert der aktuellen Funktion oder als Maximalwert auf einem bestimmten Breitengrad definiert werden. Diese Definitionen ermöglichen es, die Informationen auf eine einfache Zeitreihe zu reduzieren, aber alle Informationen über den Meridian und die vertikale Struktur dieser Zirkulation zu entfernen. Die Verwendung der einen oder anderen Definition hängt vom vorliegenden Problem ab. Das MOC ist in der wissenschaftlichen Gemeinschaft weit verbreitet, da es gut definiert und durch Ozeanmodelle leicht zu berechnen ist .
Beschränkt sich die zonale Geschwindigkeitsintegration auf das Atlantikbecken, spricht man von AMOC für „ Atlantic MOC “.
Im Atlantik ist die Meridianumkehrzirkulation am intensivsten und am besten untersucht. Es besteht aus zwei konvektiven Zellen. In der oberen Zelle wird das warme Oberflächenwasser nach Norden transportiert, wo es unter der Einwirkung starker Strömungen, von Wärme und Süßwasser, mit der Atmosphäre dichter wird. In einigen bestimmten Regionen können sie dichter werden als das darunter liegende Wasser und untertauchen und so das tiefe Nordatlantikwasser speisen . Dieses Tiefenwasser wird nach Süden transportiert, wo ein Teil davon im Südpolarmeer an die Oberfläche steigt und so die Zelle verschließt. Der Südtransport des tiefen Nordatlantikwassers und sein Anstieg bis zur Höhe der antarktischen Divergenz bildet auch den oberen Ast der zweiten Konvektionszelle. Diese Zelle wird dann durch die Bildung von Tiefenwasser und Bodenwasser auf Höhe des Weddell-Meeres geschlossen , die den Boden des Atlantischen Ozeans säumen.
Bei 26,5° N werden die durchschnittlichen oberen und unteren Zelldurchflussraten auf 18,7 ± 2,1 Sv bzw. 2 ± 0,5 Sv geschätzt.
BeobachtungenDer sehr große Umfang von AMOC erschwert die Beobachtung. Die ersten Abschätzungen basieren auf zonalen hydrographischen Schnitten , dh nach einer Parallele , auf einigen ausgewählten Breiten, hauptsächlich 24,5 ° N , 38 ° N und 48 ° N im Nordatlantik und 24 ° S und 34 ° S im Südatlantik. Diese Messungen ermöglichen eine Schätzung des AMOC-Wertes zu einem bestimmten Zeitpunkt und müssen wiederholt werden, um eine Schätzung seiner Variabilität zu erhalten. Die Abtastung über die Zeit ist jedoch gering und kann Fehler verursachen, die mit dem Phänomen des Aliasing verbunden sind . Beispielsweise wird nun vermutet, dass die Abnahme der AMOC aus wiederholten hydrographischen Schnitten in den Jahren 1957, 1981, 1992, 1998 und 2004 bei 26,5 ° N von der innerjährlichen Variabilität dominiert wird.
Es existiert seit März 2004, ein Beobachtungsgerät, das AMOC bei 26,5 ° N im Rahmen des internationalen Projekts Rapid Climate Change Program (RAPID) misst . Diese Beobachtungen erfolgen zweitägig, was eine gute Bewertung der Variabilität des AMOC auf monatlichen bis zwischenjährlichen Skalen ermöglicht. Die Zeitreihe ist noch zu kurz, um ihre dekadische Variabilität abzuschätzen.
Ein RAPID-ähnliches Gerät wurde 2009 im Südatlantik bei 34,5 ° S eingesetzt : SAMBA für „ South-Atlantic MOC Basin-wide Array “.
VariabilitätBei 26,5 ° N wurde im Zeitraum 2004-2008 ein saisonaler Zyklus von 6,7 Sv Amplitude beobachtet , mit einem maximalen Transport im Herbst und einem Minimum im Frühjahr. Dieser jahreszeitliche Zyklus ist jedoch bei neueren Beobachtungen nicht eindeutig zu erkennen. Die tägliche Variabilität kann auf demselben Breitengrad 30 Sv erreichen .
Wenn es noch keine Beobachtungszeitreihe gibt, die lang genug ist, damit AMOC seine dekadische bis multidekadische Variabilität zuverlässig beschreiben kann; Studien zeigen, dass die multidekadische atlantische Oberflächentemperaturoszillation mit AMOC zusammenhängt, was auf eine hohe Variabilität der letzteren in diesen Zeitskalen hindeutet. Diese multidekadische Variabilität wird in vielen Modellen beobachtet, aber es besteht kein Konsens über die Prozesse, die sie steuern.
Meerwasser ist umso dichter, je niedriger seine Temperatur und je höher sein Salzgehalt ist. Die Wassersäule des Ozeans ist im Allgemeinen stabil geschichtet, wobei sich das dichteste (dh schwerere) Wasser am Boden und weniger dichtes (dh leichteres) Wasser an der Oberfläche befindet. An der Oberfläche verändert der Austausch von Wärme und Süßwasser mit der Atmosphäre die Dichte des Wassers. In einigen Fällen können diese Veränderungen bei Oberflächengewässern, die dichter als die darunterliegenden Gewässer sind, zu Instabilität führen. Anschließend wird eine lokale Konvektionszelle erzeugt , die eine vertikale Durchmischung des Wassers erzeugt. Diese Mischung homogenisiert die Eigenschaften des Wassers auf der Kolonne (dh Temperatur, Salzgehalt usw.) und erzeugt einen Massenstrom nach unten.
Dieser Prozess, der für die Bildung von dichtem Wasser im Nordatlantik verantwortlich ist, gilt seit langem als Hauptantrieb der thermohalinen Zirkulation oder AMOC. Eine signifikante Produktion von dichtem Wasser würde die Intensität des Transports dieses Wassers nach Süden in die Tiefe erhöhen. Diese Massentransportanomalie nach Süden wird durch eine Zunahme des Oberflächentransports nach Norden ausgeglichen, was einer Zunahme der AMOC-Intensität gleichkommt. Dieses Paradigma hat AMOC den Namen thermohaline Zirkulation eingebracht. Verbesserte Beobachtungen und Probenahmen sowie verbesserte Modelle haben jedoch nach und nach gezeigt, dass die Variabilität der dichten Wasserbildung nicht direkt mit der Variabilität von AMOC zusammenhängt. Auch Wind und Wirbel spielen eine wichtige Rolle.
Die Ozeanzirkulation trägt wesentlich zur Umverteilung der Wärme auf der ganzen Welt bei.
MOC ist für einen Großteil des Meridian-Wärmetransports verantwortlich. Dieser Meridiantransport ist von Becken zu Becken unterschiedlich. Im Atlantischen Ozean transportiert AMOC Wärme nach Norden in alle Breiten, einschließlich südlich des Äquators, was zu einem Nettowärmetransport von der Südhalbkugel zur Nordhalbkugel führt. Dieser nordwärts gerichtete Wärmetransport im Atlantischen Ozean beträgt 0,5 PW am Äquator und erreicht seinen Höhepunkt bei 24-26 ° N mit einem Transport von 1,3 PW (1PW = 10 15 Watt ), was 25% des gesamten Transports (ozeanischer und atmosphärischer Transport) entspricht ) der Hitze in diesen Breiten nach Norden. Diese Besonderheit des Atlantischen Ozeans wird der oberen Zelle von AMOC einschließlich der Bildung von dichtem Wasser im Norden zugeschrieben. Im Pazifischen Ozean ist das MOC hauptsächlich mit der Zirkulation subtropischer Wirbel verbunden , ohne dass sich im Norden dichtes Wasser bildet. Der Wärmetransport ist dort zu den Polen beiderseits des Äquators gerichtet, was einer Wärmeübertragung vom Äquator zu den Polen gleichkommt.
Diese wichtige Rolle von MOC beim Meridian-Wärmetransport legt nahe, dass Variationen in der Intensität von MOC Variationen des Wärmegehalts des Ozeans und insbesondere der Oberflächentemperatur verursachen können. Im Nordatlantik könnte die dekadische bis multidekadische Variabilität der Oberflächentemperatur, die als multidekadische Atlantikoszillation bekannt ist, je nach Modell mit der AMOC-Variabilität in Verbindung gebracht werden. Dieser Zusammenhang kann noch nicht beobachtet werden, da die AMOC nicht ausreichend lange beobachtet wurde. Die multidekadische Atlantische Oszillation übt einen starken Einfluss auf das Klima der umliegenden Regionen aus, insbesondere auf die Regenfälle in der Sahelzone, die Dürren in Nordamerika und die Aktivität tropischer Wirbelstürme. Die Annahme, dass sie teilweise durch großräumige Zirkulation gesteuert wird, ist ein Grund, warum AMOC als mögliche Quelle für die Vorhersagbarkeit des Klimas im zwischenjährlichen bis dekadischen Maßstab in der Nordatlantikregion angesehen wird.
Auch im Kohlenstoffkreislauf spielt die Konvektion der Ozeane eine wichtige Rolle . Tatsächlich wird beim Eintauchen in Meerwasser eine große Menge Kohlendioxid (CO 2), das aus der Atmosphäre aufgefangen und darin aufgelöst wurde. Ein Teil dieses Kohlendioxids wird beim Wiederauftauchen des Tiefenwassers in die Atmosphäre zurückgeführt.
Das Konzept der thermohalinen Zirkulation wurde 1961 von Henry Stommel (in) an einem Zwei-Boxen-System untersucht. In diesem einfachen Modell repräsentieren die beiden Kästchen die Oberflächengewässer der äquatorialen (heißes und salzhaltiges Wasser) bzw. polaren (kälteres und weniger salzhaltiges Wasser) Regionen. Der atmosphärische Antrieb wird für jede der Boxen durch ein Reservoir mit konstanter Temperatur und Salzgehalt modelliert. Die Kästen sind in der Tiefe durch eine Kapillare verbunden, die die Tiefenzirkulation darstellt, und durch einen Überlauf, durch den das Wasser an die Oberfläche zurückfließen kann. Jede der Boxen ist mit einem Mischer ausgestattet, der es ermöglicht, die T, S-Eigenschaften als homogen zu betrachten.
In diesem einfachen Modell sind der thermische und der Halin-Antrieb entgegengesetzt. Tatsächlich würde in der Kapillare allein der Temperaturgradient eine Bewegung von den Polen zum Äquator mit einer Rückkehr zur Oberfläche vom Äquator zu den Polen erzeugen. Im Gegenteil, allein der Salinitätsgradient würde eine Bewegung vom Äquator zu den Polen in der Kapillare erzeugen, mit einer Rückkehr zur Oberfläche der Pole zum Äquator. In seinem Artikel zeigt Stommel, dass bei gleichem Antrieb (T-, S-Werte in Reservoirs) zwei stabile Gleichgewichte existieren können, die jeweils der halinen und der thermischen Zirkulation entsprechen. Im Antriebsbereich, für den zwei Gleichgewichtszustände E 1 und E 2 koexistieren, wird der Zustand des Systems durch seine Geschichte bestimmt, man spricht vom Hysterese- Phänomen .
Viele Prozesse, wie z. B. die zonale Zirkulation oder die Kopplung mit der Atmosphäre, werden in diesem einfachen Modell nicht berücksichtigt. Die Existenz dieser Hysterese wurde in Klimamodellen mittlerer Komplexität und in einem Klimamodell mit niedriger Auflösung gefunden. Im Gegensatz dazu sind ausgefeiltere Klimamodelle stabiler und zeigen keine Hysterese. Die Frage nach der Existenz eines Hysteresezyklus der meridionalen Umkehrzirkulation bleibt bis heute bestehen.