Blir termohalin sirkulasjon svekket eller stimulert av ferskvannseksport fra Arktis?

Transkript

1 Blir termohalin sirkulasjon svekket eller stimulert av ferskvannseksport fra Arktis? Peter M. Haugan 1,2 1 Geofysisk Instittutt, Universitetet i Bergen 2 Bjerknessenteret for klimaforskning Konklusjon: Den kan faktisk bli styrket! Disposisjon: Termohalin sirkulasjon Drivkrefter og energiomsetning knyttet til sirkulasjonen Betydningen av isfrysing og smelting Presentasjonen benytter resultater fra kolleger i NOClim/ProClim, men bruk av resultater og tolkning er upublisert, og kan være kontroversielt inkludert NOClim/ProClim-prosjekter

2 Utgangspunktet Tilførsel av tilstrekkelig mye ferskvann til havet på høye breddegrader vil føre til stopp i havets varmetransport. fra Broecker (1987, Nature,Vol. 328, side ): "Earths climate does not respond to forcing in a smooth and gradual way. Heat is steadily carried northward, as on a conveyor belt, by the ocean circulation. The circulation system is driven by salt. Stommels to-boks modell (1961): To velblandede bokser Ferskvannstransport via atm. Sterk føring på temperatur Svak føring på saltholdighet Enkel strømningslov q ds dt 1 = H + q ( S ) 2 S ds2 1 = H q ( S2 S1) dt [ α( T T ) + ( S )] = k( ρ1 ρ 2 ) = k 2 1 β 1 S2

3 Våre områder Nordboksen (boks 1) kan taes som området nord for Grønland-Skottland

4 Termohalin sirkulasjon og brå klimaendringer Boksmodeller kan oppvise brå tilstandsendringer snudd sirkulasjon. Også mer kompliserte klimamodeller viser mye av det samme på tross av at de inkluderer vind, topografi, virvler

5 Energibetraktninger og kritikk fra litteraturen Dypvann konsumeres på lavere breddegrader ved vertikal blanding eller diffusjon. Dette involverer øket potensiell energi i tyngdefeltet siden tungt vann må løftes og erstattes av lettere vann i dypet. Altså må det tilføres mekanisk energi som kan konverteres til potensiell energi gjennom turbulens. Energikildene for dette arbeidet har vært estimert (Sjøberg & Stigebrandt, 1992, Munk & Wunsch, 1998, Gade & Gustafsson, 2004) og skyldes i hovedsak tidevannsstrømmers vekselvirkning med topografi samt vind. Siden tidevannet er deterministisk og ikke avhengig av klimavariasjoner så lenge havnivå og topografi holdes konstant, vil det være en rimelig slutning at den totale styrken av global termohalin dypvannssirkulasjon er tilnærmet konstant i tid. Den kanskje mest fundamentale kritikken av loven ligger implisitt i Nilsson og Walin (2001). De viser at hvis man foretar en skalerings-analyse med variabelt dyp av det varme ekvatorielle laget (øverste del av boks 2) og der diffusiv blanding mellom øvre og nedre del er basert på konstant tilførsel av blandingsenergi, får man en strømningslov som går som ( 1-2 ) -1/3, altså med negativt fortegn på eksponenten!

6 Diskusjon - andre aspekter Ferskvann fra ekvatorielle områder via atmosfæren til land, isbreer og havet i nord tenkes altså å legge et lokk over dyphavet, hindre vertikal kommunikasjon og dermed ekvator-pol varmetransport. Men ferskvannstilførsel til havoverflaten kan også skje ved smelting av havis. Havis fryser og smelter hvert år i tillegg til å ha langsiktige variasjoner i volum og transport. Hvilke effekter har denne isproduksjonen og smeltingen? Dynamiske prosesser i havet ser ikke forskjell på ferskvann fra den ene eller andre kilden, men

7 Arctic Ocean coastal polynyas supply the basins with dense deep water help maintaining the Arctic halocline Exported dense water contributes to the meridional overturning circulation Storfjord

8 UNIS Longyearbyen

9 Storfjorden polynya April

10 NOClim/ProClim-arbeid i Storfjord Fokus på produksjon og eksport av tungt vann langs bunn. Bruker satellitt-observasjoner av polynya-åpning, vind, temperatur m.m. til å estimere isproduksjon og iseksport. Kombinerer dette med observasjoner av salt i is og salt i vann til å estimere saltholdighet og volum av produsert tungt, kaldt, saltholdig vann -> tung komponent i termohalin sirkulasjon Altså: Jo større isproduksjon jo sterkere termohalin sirkulasjon. Men dette medfører også eksport av is som senere smelter og gir ferskvann.

11 Formation of brine-enriched shelf water (BSW) Fast Ice Storfjorden Polynya Pack Ice Surface advection through the sounds (Arctic) 78 N Di ff us io n / co nv ec tio n Diffusion / convection Bri ne rel eas e du rin g fre ezi ng Brine release during freezing Di ff us io n / co nv ec tio n Diffusion / convection Surface advection (Polar Front Water) Advection from South South (AW) Out-flow Sill 77ºN Brine enriched shelf water ERS-2 SAR Interpretation (Modified from Haarpaintner, Gascard & Haugan, JGR, 2001)

12 Observed areal fractions Fast ice (white) Polynya (black) Pack ice (grey) during 5 winters from ERS-2 SAR November May Haarpaintner et al. (JGR, 2001): Winter 98 Haarpaintner et al. (Annals of Glaciol., 2001): Winters of 98 and 99 Area in percent of total [%] Fast ice 10 Polynya Pack ice 0 01/11 01/12 01/01 01/02 01/03 01/04 01/05 01/06 Time 8/11 26/ Skogseth et al. (JGR, 2004): 4 winters from , revised model and 32 year simulation Skogseth et al. (AGU Monograph, 2005): 5 winters including 2002

13 Simple polynya model Approach: Satellite observations are used to describe polynya width defined by distance from shore to pack ice. A wind driven polynya width model is matched to the observations using winds from a nearby weather station. Opening and closing factors for the model are found. An accompanying wind and heat flux driven open water width model is used to distinguish open water (frazil ice) zone from thin ice zone within polynya. Total ice freezing within polynya region (and in pack ice/fast ice regions) over the whole Storfjord basin is computed. [Nilsen, Weigel & Skogseth (in prep. 2006): 7 winters including 2004, show that opening factor is closely related to wind stress curl and regional ice conditions in the Barents Sea]

14 Observed BSW salinity Varies interannually by more than 1, winter 2002 is the most saline. [Model also gives highest salt release in 2002.]

15 Polynya and open water width models Polynya width PW, Open water width OW (in polynya), Wind U n, B 1 = 0.02, B 2 = 0.04: PW n = PW + A ϕ ϕ ) B U cos( ϕ ) t n 1 ( n 0 1 n n ϕ0 h OW = + n B2 U n cos( ϕ n ϕ 0 ) t OW n 1 1 hc h f = F ρ f net L s t f A: open/close factor ϕ 0 : preferred direction ϕ n : actual wind direction h c : collection thickness h c = (1.0m + 0.1s U n )/15 Frazil ice growth, F net from full heat budget H H t, n m K s = θ 2H hs m = A t, n 1 ( H + H ) + A h t, n 1 A t, n t, n o, n 1 f Growth of thin (H t ) and fast/pack ice (H fp ), θ: freezing-degree-seconds, h s : snow thickness (only for fast/pack ice) Mass conservation of thin ice, Areas given as (Width) x (Length= 48 km)

16 Salt release from modeled ice production and observed surface salinity Most in winter 2002 Least in winter 1999 About Mt of released mass of salt each year Assuming 69% immediate release during freezing and 10 % from aging while still in basin

17 Termohalin sirkulasjon i Storfjorden

18 May 2001

19 Tap av tilgjengelig potensiell energi ved nedsynking Freshened surface water ρ ρ H s Assume same area and thickness of layers with light and dense water ρ H Brine-enriched water ρ + ρ H s

20 Tap av tilgjengelig potensiell energi ved nedsynking H s H P = P2 P1 = g ρ zdz ρ zdz= g ρh s(h H s) 0 H Hs Extraction of all salt from 1m water with salinity of 35 gives a density decrease of 28 kgm-3 in the 1m layer or correspondingly smaller if distributed over larger thickness Hs. If the ocean depth H is 4000m, the energy lost becomes 106 Jm-2. For a layer thickness Hs of 100m the reduction in energy per volume becomes 104 Jm-3 which is one order of magnitude larger than the global mean available potential energy (Huang, 2005). For the deep ocean area at 4000m depth, it is smaller than the global mean available potential energy per volume. If the process occurs over an area similar to the ice cover in the Arctic of 107 km2, the total potential energy loss during one annual cycle becomes 1019 J which is about 1% of the total world ocean inventory estimated by Huang

21 Sea ice related thermohaline circulation Latent heat polynya Storfjorden, Svalbard: Both dense and light water/ice is exported freely order 10 times per year. Reference water compensating the outflow is Arctic Water in the NW Barents Sea (Skogseth et al., 2004, 2005). Arctic: Ice and freshwater export notably through Fram Strait, dense water must overspill ridge and may be restricted. Compensating reference water is Atlantic Water (AW). Antarctic: Freshened water may be trapped along the continent, dense water escapes freely. Compensating reference water is Warm Deep Water (WDW).

22 Discussion Consumption of available gravitational potential energy with respect to an incompressible homogeneous reference state will in reality be accompanied by an increase in available internal energy since cold water is more compressible than compensating upward flowing warm water (Huang, 2005). The required pure freshwater export is 3-4 times larger than measured Fram Strait ice export. The strength of the total ice freeze-melt cycle therefore seems realistic since we include also liquid water from internal freeze-melt cycles. However, mechanisms for exchange with reference water are required. Baroclinic geostrophic transport along the front is not sufficient. Entrainment in gravity currents would not change the energy budget when the reference is homogeneous. In reality, higher temperatures of reference water will induce a heat transport even if the effect of temperature on density may be negligible.

23 Conclusions Freezing and melting of sea ice is crucial to buoyancy forcing of polar oceans, in contrast to dominance of heat flux elsewhere. The annual freeze-melt cycle in itself (as distinct from the mean latitudinal gradient in temperature or heat balance) can drive thermohaline circulation. Limitations on dense water production occur if meltwater is restricted from exchange in summer so that starting salinity in fall is low. Thus, the export of sea ice and eventually southward transport of meltwater away from dense water formation areas is the main bottleneck for the strength of this thermohaline circulation. So ice export from the Arctic may limit deep mxing further south but it is a sign of strong dense water formation in the Arctic itself.

24 B i B [m 2 s -3 ] Ice growth Ice export h [m] B c 1/2B i Cooling Onset of freezing t 1/2 t [s]