Școală postuniversitară de oceanografie, Universitatea din Rhode Island, Narragansett, Rhode Island, SUA

gaze

Woods Hole Oceanographic Institution, Woods Hole, Massachusetts, SUA

Corespondență cu: W. J. Jenkins,

Școală postuniversitară de oceanografie, Universitatea din Rhode Island, Narragansett, Rhode Island, SUA

Woods Hole Oceanographic Institution, Woods Hole, Massachusetts, SUA

Corespondență cu: W. J. Jenkins,

Abstract

Cele cinci gaze nobile inerte - He, Ne, Ar, Kr și Xe - prezintă un model unic de saturație a gazelor dizolvate care rezultă din formarea și adăugarea apei topite glaciale în apa de mare. El și Ne devin suprasaturați, iar Ar, Kr și Xe sunt subsaturați la procente diferite. De exemplu, în plus față de 10 ‰ apă topită glaciară față de apa de mare rezultă o anomalie de saturație de ofHe = 12,8%, ΔNe = 8,9%, ΔAr = −0,5%, ΔKr = −2,2% și ΔXe = −3,3%. Acest model în saturația gazelor nobile reflectă o semnătură unică de apă topită, care este distinctă de alte procese fizice majore care modifică concentrația și saturația gazelor, și anume schimbările sezoniere ale temperaturii la suprafața oceanului și schimbul de gaze mediat de bule. Folosim analiza multiparametrului optim pentru a ilustra modul în care toate cele cinci gaze nobile pot ajuta la distingerea apei topite glaciare de injecția cu bule antrenate de vânt, făcându-le o suită potențială de trasoare pentru topirea glaciară și concentrația sa în apele adânci ale oceanului lumii.

1. Introducere

În această scurtă contribuție, intenția noastră este de a arăta că apa topită glaciară și injecția cu bule se disting atunci când se utilizează cele cinci GN stabile. NG-urile mai grele sunt semnificativ mai solubile în apa de mare, solubilitatea lor este mai sensibilă la schimbările de temperatură și salinitate, iar concentrațiile lor atmosferice sunt unice față de cele ale lui He și Ne. Acești factori se combină pentru a produce concentrații de gaze și anomalii de saturație care sunt distincte de celelalte procese fizice care afectează aceste gaze. Ilustrăm această distincție folosind o relație empirică pentru injectarea în vrac a bulelor de aer și adăugarea de gheață glaciară topită în apa de mare. Prin aplicarea metodei multiparametrului optim (OMP) pe o suprafață ipotetică oceanică cu injecție cu bule de aer antrenate de vânt și adăugare de apă topită, încercăm să demonstrăm separarea cantitativă a celor două procese.

2 metode

Modificările conținutului de căldură și sare din apa de mare ambiantă, spargerea valurilor, înghețarea și topirea atât a gheții glaciare, cât și a celei marine și modificările sinoptice ale presiunii atmosferice pot afecta toate conținutul de gaze dizolvate din apa de mare [Hamme și Severinghaus, 2007]. Cel mai simplu mijloc de a exprima efectul acestor procese asupra conținutului de gaze este cu anomalia de saturație, ∆, o expresie a conținutului de gaz observat (Cobs) cu referire la conținutul de gaz de așteptat dacă apa de mare ar fi în echilibru de solubilitate cu atmosfera (Ceq). Anomalia de saturație reflectă conținutul de gaze în exces sau deficit pe care l-ar prezenta o masă de apă dacă ar fi transferat adiabatic la suprafața oceanului. Aici folosim notația ∆ pentru a compara efectele încălzirii, răcirii, injecției cu bule provocate de vânt și adăugării apei topite. Valorile ∆ au fost calculate utilizând funcțiile de solubilitate a gazelor nobile distribuite de Roberta Hamme (http://web.uvic.ca/

rhamme/download.html). Solubilitatea Xe a fost redusă suplimentar cu 2%, așa cum a propus Hamme și Severinghaus [2007].

2.1 Gaze nobile în bule de aer de la suprafața mării

Aerul prins sub valuri de rupere poate avea ca rezultat o saturație excesivă, deoarece bulele de gaz sunt forțate în soluție sub presiune hidrostatică crescândă [Cheeling, 1993] și poate fi un proces important în fluxurile de gaz aer-mare [Goddijn-Murphy și colab., 2012]. Pentru a reprezenta efectul injecției cu bule asupra anomaliei de saturație, simulăm injecția cu bule de aer folosind ecuația fluxului total de injecție cu bule de aer (FBI) în mol m −2 s −1 din Stanley și colab. [2006], unde U10 este viteza vântului de 10 m, P, R, și T sunt presiunea, constanta gazului și respectiv temperatura. Când este împărțit la adâncimea stratului mixt (100 m în cazul figurii 1), FBI oferă o estimare a ratei de injectare a aerului în oceanul superior. Deși se crede că această relație empirică produce rezultate realiste de injectare a bulei, alegerea relației de antrenare a bulei nu este esențială pentru această analiză, deoarece prezice cantitatea de aer subductibilă și suntem preocupați de răspunsul diferențial al GN-urilor, spre deosebire de totalul cantitatea de injecție cu bule de gaz.

Folosind această relație și o viteză constantă a vântului de 10 ms −1 suflând timp de 25 de zile se produce un flux de bule integrat de aproximativ 8,8 × 10 −4 cm 3 STP g −1 de aer și anomalii de saturație de ΔHe = 11,6%, ΔNe = 8,8%, ΔAr = 2,1%, ΔKr = 1,1% și ΔXe = 0,5% în apa de mare de S = 34 și T = 0 ° C. Toate GN-urile sunt suprasaturate, dar efectul este diminuat pentru GN-urile mai grele, având în vedere solubilitatea lor mai mare în apă. Raporturile de gaz rezultate sunt = 5,4, = 4,1, = 0,5 și = 0,2 (Figura 1).

Un al doilea proces de injecție cu bule cunoscut sub numele de schimb parțial de bule rezultă atunci când bule de aer mai mari sunt dizolvate doar parțial înainte de a pluti înapoi la suprafață [Cheeling, 1993]. Procesul este similar schimbului de gaz difuziv, deoarece depinde de diferențialul gaz-apă-aer și de difuzivitatea moleculară a fiecărui gaz. În consecință, anomaliile de saturație în exces din schimbul parțial de bule sunt de aproape 1: 1 pentru fiecare dintre GN, astfel încât acest proces are o proiecție mult mai aproape de încălzirea sezonieră - răcire decât de adăugarea apei topite (Figura 1). Se consideră că schimbul parțial de bule este mai puțin semnificativ în producerea excesului de saturație [Hamme și Emerson, 2006; Stanley și colab., 2006], cu o contribuție de aer de 2: 1 injecție cu bule: schimb parțial de bule [Hamme și Emerson, 2006; Stanley și colab., 2006].

2.2 Gazele nobile din apa topită glaciară

Conținutul mediu de aer din miezurile de gheață glaciară din Antarctica este de 0,11 g cm −3, pe baza eșantioanelor din 14 situri de foraj din jurul Antarcticii [Martinierie și colab., 1992; Hohmann și colab., 2002]. Acest aer este prins în timpul depunerii de zăpadă și rămâne prins pe măsură ce zăpada evoluează spre firn și apoi spre gheață. Se știe că mai multe artefacte modifică concentrația de gaze nobile din gheața glaciară. Primul este o ușoară epuizare a neonului din difuziunea diferențială prin fir glaciar [Severinghaus și Battle, 2006]; acest efect poate modifica conținutul de neon din apa topită glaciară cu mai puțin de 1% și nu afectează GN-urile mai mari - Ar, Kr și Xe. În schimb, stratificarea gazelor din stratul primar pe baza greutății lor moleculare are un efect puțin mai mare. Acest proces, cunoscut sub numele de îmbogățire gravitațională, are ca rezultat o creștere de aproximativ 7% a raportului He/Xe în gheața glaciară în comparație cu atmosfera [Craig și colab., 1988]. Efectul poate fi explicat pentru utilizarea temperaturii și a adâncimii de închidere a stratului primar.

Pe măsură ce această gheață glaciară se topește la adâncime, se presupune că conținutul de aer este forțat în soluție [Lăcătuș, 1986; Hohmann și colab., 2002; Loose și colab., 2009]. O adăugare de 10 of de apă topită glaciară la apa de mare ambiantă a S = 34 și T = 0 ° C are ca rezultat o anomalie a saturației gazelor de ΔHe = 12,8%, ΔNe = 8,9%, ΔAr = −0,5%, ΔKr = −2,2% și ΔXe = −3,3%. Precizia analitică pentru gazele nobile este de 0,5% (0,3% pentru Kr) [Stanley și colab., 2009]. La 10 water apă topită glaciară, raportul semnal/zgomot pentru neon este încă de 15: 1. Raporturile de gaz rezultate sunt = -26,8, = -18,7, = 4,7 și = 7,0 (Figura 1).

3 Amestecul de apă topită în apa de mare

În timp ce topirea glaciară și schimbul de bule antrenat de vânt, ambele introduc aer în exces în ocean, ele produc concentrații unice de gaze și anomalii de saturație. Topirea glaciară implică o schimbare de fază a H2O concomitent cu adăugarea de aer și apă dulce în amestec la un raport constant. În schimb, schimbul de bule antrenat de vânt este adăugarea progresivă de aer la amestec, fără adăugarea însoțitoare de apă dulce. Mai întâi vom explica modul în care adăugarea apei topite afectează concentrația gazelor și apoi modul în care aceasta afectează anomalia de saturație.

Modelele unice în concentrația gazului pot fi explicate ca combinația a două efecte: (1) presiunea parțială atmosferică distinctă a fiecărui gaz și (2) gama lor largă de solubilități. De exemplu, solubilitatea lui Xe este de 17 ori mai mare decât Ne, în timp ce concentrația de Ne în atmosferă este de 209 ori mai mare decât Xe. Adăugarea topiturii glaciare cu o cantitate fixă ​​de aer prins introduce cantități mari de gaz cu solubilitate redusă (de exemplu, Ne) și cantități mai mici de gaz cu solubilitate ridicată (de exemplu, Xe) în raport cu apa de mare saturată. Un kilogram de apă topită glaciară pură ar trebui să conțină 200,0 × 10 −8 cm 3 STP g −1 de Ne și 0,99 × 10 −8 cm 3 STP g −1 de Xe. Un kilogram de apă de mare saturată la T = 0, S = 34 conține 18,2 × 10 −8 cm 3 STP g −1 din Ne și 1,45 × 10 −8 cm 3 STP g −1 din Xe (a se vedea Figura S2 în informațiile de susținere). Adică, apa topită glaciară are mult mai mult Ne, dar puțin mai puțin Xe decât apa de mare. Schimbarea concentrației de gaz de la adăugarea apei topite este descrisă ca o linie „solidă” în Figura S1.

În plus față de diferențele de concentrație a gazului descrise mai sus, anomalia de saturație este modificată în continuare prin adăugarea apei topite, care scade salinitatea în amestecul de apă de mare, crescând solubilitatea gazului (scăderea anomaliei de saturație, Figura S2). Mai mult, căldura latentă consumată de topirea gheții determină o reducere substanțială a temperaturii, care la rândul său scade anomalia de saturație a gazelor (Figura S2). De exemplu, apa topită glaciară pură ar avea o temperatură potențială egală cu unde θf, θeu, Lf, ceu, și cp sunt temperatura punctului de îngheț, temperatura gheții în câmp îndepărtat, căldura latentă de topire și capacitățile termice ale gheții și apei, respectiv [Jenkins, 1999]. Sub un raft de gheață, salinitatea și presiunea scad punctul de îngheț [Holland și Jenkins, 1999]. Dacă Chi este −20 ° C și temperatura punctului de îngheț este −2,6 ° C, atunci temperatura apei topite pure este

−95 ° C. Aceasta a fost ideea observațională a Gade [1979] care a observat că topirea subterană (sub aisberguri și rafturi de gheață) a produs o relație liniară pentru. De exemplu, T - S panta pentru intrarea Muir este de 2,56 ° C ppt −1 [Gade, 1979]. Dacă aceasta este extrapolată din apa fiordului ambiental (S = 31, T = 3,3 ° C) până la S = 0, prezice linia de amestecare θ * = −76 ° C, nu la fel de scăzut ca predicția lui θ * = −95 ° C, dar de o magnitudine similară. La fel ca toate tipurile de apă, elementul final pur este un construct artificial [Poole și Tomczak, 1999], dar servește la diagnosticarea și modelarea componentelor individuale pe care le observăm în amestecul de apă de mare.

4 Injecție de aer versus apă topită glaciară

Atunci când conținutul de gaze al gheții glaciare și amestecul de apă topită glaciară rece și proaspătă sunt contabilizate, este evident că adăugarea apei topite glaciare se distinge de efectele cu bule de aer, mai ales atunci când sunt folosite NG-uri grele. Această distincție poate fi observată în Figura 1 vizualizând modelele de anomalie de saturație pentru topitura glaciară în comparație cu injecția cu bule de aer antrenate de vânt și schimbul parțial de bule. Efectul de răcire și reîmprospătare asupra solubilității face ca cele mai grele trei NG să devină nesaturate cu adăugarea de apă topită glaciară, iar această tendință este opusă Ne și He, care devin progresiv suprasaturate.

Eșantioanele de gaze nobile de la suprafață (punctele din figura 1) au fost colectate la mai mult de 500 km de la raftul de gheață Larsen C și la mai mult de 1500 km de la raftul de gheață Filchner - Ronne, dar semnalul oferă o indicație clară a apei de topire glaciară în apele adânci. care este exportat din Marea Weddell și acest lucru este în concordanță cu studiile anterioare ale apei topite în Marea Weddell [Schlosser și colab., 1990; Weppernig și colab., 1996; Rodehacke și colab., 2006].

Separare 5 OMP pentru topirea glaciară și injecția cu bule de aer antrenate de vânt într-un strat de suprafață oceanic hipotetic

În această secțiune, încercăm să demonstrăm modul în care cele cinci GN-uri ar putea fi folosite pentru a separa cantitativ efectele bulelor de aer de apa topită glaciară utilizând un calcul OMP [Poole și Tomczak, 1999]. Un strat de suprafață ipotetic de 100 m ocean cu apă de mare saturată cu aer de T = 0 ° C și S = 34 psu este inițial la echilibru de solubilitate pentru toate GN-urile. Pe parcursul a 10 zile, oceanul experimentează antrenarea cu bule de aer de la o viteză constantă a vântului de 10 m s −1. În plus, apa topită glaciară este adăugată la adâncimea de 100 m până la atingerea conținutului de apă topită glaciară de 10 ‰. Concentrațiile de gaze nobile rezultate pot fi utilizate împreună cu OMP pentru cartografierea celor trei componente ale elementului final: (1) apă de mare saturată cu aer, (2) exces de aer și (3) apă de topire glaciară. Rezolvăm OMP de 3 ori, mai întâi folosind He și Ne, apoi folosind Kr și Xe și, în cele din urmă, folosind toate cele cinci NG-uri. În primele două cazuri, folosim două trasoare și conservarea masei, astfel încât soluția este exact determinată. Informații suplimentare despre metoda OMP folosită aici pot fi găsite în secțiunea S2 din informațiile de sprijin.

Când He și Ne singuri sunt utilizați în soluția de mulitparametru, apare un „fals pozitiv” al apei topite glaciale (Figura 2); până la 38,8 ‰ de apă topită glaciară se găsește în cele 50 m superioare, unde nu s-a adăugat apă topită. Acest rezultat fals pozitiv deoarece injecția de aer și apa topită glaciară au efecte similare asupra He și Ne (Figurile 1 și S2), astfel încât cele două intrări sunt ușor de confundat. Când Kr și Xe singuri sunt utilizați în soluția de mulitparametru, nu există fals pozitiv pentru apa topită glaciară, la fel se întâmplă atunci când sunt utilizate toate cele cinci GN (Figura 2). În toate cele trei calcule, inadecvarea modelului - date este mai mică de 0,16%; pragul tipic pentru respingerea potrivirii OMP la date este> 5%. În timp ce modelul total - inadecvarea datelor este scăzut, falsul pozitiv pentru apa topită glaciară determină, de asemenea, subestimarea excesului de aer atunci când sunt folosiți numai He și Ne. Conținutul total de bule de aer introduse în oceanul ipotetic a fost de 30,08 mol m −2 până în ziua 10. Soluția numai cu He și Ne reproduce 26,17 mol m −2, doar cu Kr și Xe reproduce 29,52 mol m −2 și toate cele cinci GN împreună reproduce 30,26 mol m −2, deci calitatea potrivirii este cea mai bună atunci când sunt utilizate toate cele cinci GN și soluția este nedeterminată. Toate cele trei soluții reproduc conținutul de apă topită glaciară exact la 100 m.

Simularea excesului de aer ca element final pur are o aplicabilitate limitată, deoarece determinarea compoziției elementului său final în termeni de alte trasoare importante de masă de apă, cum ar fi, de exemplu, temperatura, salinitatea și δ 18 O ar fi dificil. Atunci când se utilizează toate cele cinci GN-uri cu date reale, va fi necesar să se izoleze un tip de apă despre care se știe că a experimentat injecția cu bule de aer, dar cu o adăugare minimă de apă topită. În cazul în care acest lucru nu este posibil, o soluție iterativă sau o soluție OMP extinsă [Karstensen și Tomczak, 1998] poate fi posibil.

6 Rezumat

Gazele nobile grele prezintă anomalii de saturație unice atunci când apa topită glaciară este amestecată cu apa de mare ambientală. Aceste anomalii pot fi explicate prin conținutul relativ fix de gaze despre care se crede că există în gheața glaciară și prin efectul de solubilitate al amestecării apei de topire reci și proaspete cu apa de mare. Raporturile de anomalie de saturație pentru gazele nobile ușoare și grele sunt distincte una de cealaltă și de alte procese fizice care modifică starea de saturație a gazelor, și anume încălzirea/răcirea sezonieră și injecția de aer. Semnătura unică de saturație a fiecăruia dintre cele cinci gaze nobile le face o inestimabilă suită de trasoare pentru estimarea optimă a conținutului de apă topită.

Mulțumiri

Suntem recunoscători Fundației Naționale pentru Științe (OCE825394 și OCE0752980) pentru sprijinul acestei cercetări și celor doi recenzori anonimi pentru comentarii critice valoroase. Mulțumim, de asemenea, lui Dempsey E. Lott III pentru sprijinul de laborator.

Editorul mulțumește doi recenzori anonimi pentru asistența lor în evaluarea acestei lucrări.

Descrierea numelui de fișier
Document ReadMe.docxWord 2007, 13,2 KB Citește-mă
2013GL058804_supplemental.doc Document Word, 54 KB Secțiunile S1 și S2 și Tabelul S1
2013GL058804Rfs01.eps Document PSPS, 4,2 KB Figura S1
2013GL058804Rfs02.pdf Document PDF, 103,2 KB Figura S2

Vă rugăm să rețineți: editorul nu este responsabil pentru conținutul sau funcționalitatea oricăror informații de susținere furnizate de autori. Orice întrebări (altele decât conținutul lipsă) ar trebui să fie adresate autorului corespunzător pentru articol.