Cele cinci gaze nobile stabile sunt trasoare sensibile fără ambiguitate ale apei topite glaciale - Loose - 2014
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,
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, , 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 = 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.