대서양 경맥의 다중 평형 역전 순환

대서양 경맥 전복 순환(AMOC)은 컨베이어 벨트처럼 해류의 큰 시스템이다. 그것은 온도와 염분 함량의 차이에 의해 움직이며 기후 시스템의 중요한 구성 요소다. 그러나, AMOC는 세계 유통의 정적 특징이 아니다. 그것은 온도, 염분, 대기압의 변화에 민감하다. 그린란드에서 온¹⁸ ΔO 대리점으로부터 기후 재구성은 약 1470년 마다 지구 온도의 급격한 변화를 보여준다. 이러한 변화는 해양 순환의 변화에 기인할 수 있는데, 이것은 AMOC에 두 개의 평형이 가능하다는 것을 암시한다. 스톰멜은 1961년에 두 개의 박스 모델을 만들었는데, 이것은 하나의 반구에서 두 개의 다른 AMOC 상태가 가능하다는 것을 보여주었다. 스톰멜의 해양 박스 모델 결과는 3차원 해양 순환 모델을 이용한 연구를 시작했으며, AMOC에 다중 평형성이 존재한다는 것을 확인했다.

더 AMOC

대서양 메리디온 전복 순환(AMOC)은 열대지방에서 북대서양으로 따뜻한 물을 운반하는 해류의 큰 시스템이다. 그것은 온도와 염분 함량의 차이에 의해 움직인다. 현재의 AMOC는 주로 온도 주도형인데, 이는 북한에 침몰하는 특징이 있는 강력한 AMOC가 존재한다는 것을 의미한다.^[1] 원칙적으로 낮은 위도에서 상류화가 일어날 가능성도 있다. 이것은 1961년에 스톰멜에 의해 연구되었다. 북반구의 기후는 열과 소금의 해양 수송에 의해 열대지방에서 아극지방으로 영향을 받는다. 바다는 대서양 이남 지역의 대기에 열을 방출한다. 이 북유럽 열수송은 북유럽의 비교적 따뜻한 기후를 책임지고 있다.^[2][3] AMOC의 강도의 변화는 과거 기후의 중요한 변화를 일으킨 것으로 생각된다.^[4] AMOC의 붕괴는 북대서양 지역의 기온에 큰 영향을 미칠 것이다. 그것은 최대 10 °C의 공기 온도를 감소시킬 수 있다.^[5]

기후의 급격한 변화에 대한 지질학적 기록

신생대

신생대는 65.5마에서 현재까지의 기간을 포함한다. 3대 고전 지질 시대(팔레조대, 중생대, 신생대) 중 가장 최근의 것이다. 지구는 신생대 초기에는 얼음이 없고 기온이 높은 '온실세계'로 대부분 특징지어진다.^[6] 대규모 빙하의 광범위한 발생은 남극대륙에서 EOT(Eocene-Oligocene 전환기)에서 34 Ma까지 시작되었다. 이 시기 동안 세계는 양쪽 극지방에 동시에 빙판이 존재하는 등 오늘날 우리가 알고 있는 것처럼 '아이스하우스 세계'가 되었다.

단스고르-오에스히거 사건

지난 빙하시기에 기후의 급격한 변화도 있다. 빌리 단스고르는 1972년 그린란드 캠프 센츄리(Camp Century)의 얼음 코어의 동위원소 구성을 분석했다. 헤트는 지난 빙하 기간 동안 매우 강렬한 온난화로 특징지어지는 20개 이상의 갑작스러운 스타디얼을 보였다고 보고했다.^[7] 12년 후 한스 오슈거는 갑작스러운 변화가 그린란드 빙하 중심부의 이산화탄소₂ 급증을 동반했다고 보고했다.^[8] 이러한 갑작스럽고 극적인 기후 변화는 그때부터 Dansgaard-Oeschger 사건(DO-Events)으로 알려졌으며 대략 1470년 마다 발생한다. ΔO¹⁸ 대리점의 엷은 프록시 기록은 이 크기의 온도 변동의 증거와 연관되어 있다.^[3] 이러한 변동의 원인은 여전히 불확실하지만, 최근의 연구는 그것들이 해양 순환의 변화 때문이라는 것을 보여준다.^[9] 이러한 변화는 북대서양 담수 동요에 의해 유발될 수 있다.^[10]

스토멜 박스 모델

예를 들어 담수 플럭스나 염도 플럭스의 변화로 인한 AMOC의 변화를 연구하기 위해 몇 가지 간단한 박스 모델을 사용했다. 스톰멜은 최초로 1961년 단구권 박스 모델(스톰멜 박스 모델)을 고안했다.^[11] 그는 이 모델을 만들어 온대주동형 또는 염도주동형 AMOC로 지속적인 강제력에 대한 안정적인 반응의 존재를 탐구했다. 스톰멜은 AMOC의 강도가 적도-극 밀도 차이에 선형적으로 비례한다는 근본적인 가정을 이용했다. 이러한 가정은 AMOC가 표면 열전압력에 의해 구동된다는 것을 암시한다.^[12]

그 모델은 두 개의 상자로 구성되어 있다. 한 상자는 높은 위도(극상자)에 있고, 다른 상자는 낮은 위도(동등상자)에 있다.

고위도상자는 온도와 염도가 균일하며(T₁,S₁), 이는₂ 적도상자(T,S₂)에도 적용된다. 상태의 선형 방정식은 다음과 같이 가정한다.

${\displaystyle \rho }$= ${\displaystyle {\rho \mathrm{}}_{}}$ 0 -${\displaystyle {}_{}\alpha (T}$- ${\displaystyle {T\mathrm{}}_{}}$ 0${\displaystyle {}_{}}$)${\displaystyle }$+ ${\displaystyle \beta (S}$- ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {0\mathrm{}}_{}}$) ${\displaystyle \rho =\rho _{0}-\alpha(T-T_{0})+\beta$$S-S_{0}}}),$ ,

여기서 ρ₀, T₀, S는₀ 각각 기준 밀도, 온도 및 염도다.

열 및 할린 계수는 α와 β로 표시된다. 앞에서 말한 바와 같이 상자 사이의 흐름 강도는 상자 간의 밀도 차이에 의해 설정된다.

${\displaystyle \psi }$= ${\displaystyle k}$ (${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {1\mathrm{}}_{}}$ -${\displaystyle {}_{}{\rho \mathrm{}}_{}}$ 2${\displaystyle {}_{}}$) ${\displaystyle \psi =k(\rho _{1}-\rho _{2$

여기서 k는 유압 펌핑 상수다.

각각의 상자는 대기와 열을 교환한다. 이 모델에서는 대기₁^a 온도(T₂^a,T)가 고정되어 있다. 적도 박스에 증발한 물(η₂ ≥ 0)은 대기를 통해 고위도 박스에 침전된다.

스토멜 박스 모델의 온도와 염도에 대한 관리 미분 방정식은 다음과 같다.

${\dT_{1} \overdt}= \psi \Delta T+\lambda _{T}(T_{1}^{a}-T_{1}}}})$

${\dT_{2} \overdt}=- \psi \Delta T+\lambda _{T}(T_{2}^{a}-T_{2})}$

${\dplaystyle {dS_{1} \overdt}= \psi \Delta S-\eta _{2}$

${\dplaystyle {dS_{2} \overdt}=- \psi \Delta S+\eta_{2}$

이러한$$ 관계에서 $\Delta$_T ${\displaystyle T}$= ${\displaystyle {T\mathrm{}}_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$- ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {1\mathrm{}}_{}}$ ${\$ $\Delta {\displaystyle \mathrm{}}$ ${\displaystyle S}$= ${\displaystyle {S\mathrm{}}_{}}$ 2${\displaystyle {}_{}}$- ${\displaystyle {S\mathrm{}}_{}}$ 1 ${\$$1$}. 이 값에서 ΔT = S = {1}.

${\displaystyle \psi }$= ${\displaystyle k(\alpha }$ ${\displaystyle \mathrm{\Delta }}$ ${\displaystyle T}$ -${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle \Delta }$ S${\displaystyle }$) ${\displaystyle \psi =k(\alpha \Delta T-\beta \Delta$ S$)}$.

> ${\displaystyle \psi >0}$일 경우 극방향 표면 흐름이 있고, < ${\displaystyle \psi <0}.$T와₁ T의₂ 안정 상태를 가정할 때 흐름 강도는 다음과 같다.

${\displaystyle \psi }$= ${\displaystyle k(\alpha }$ ${\displaystyle \mathrm{\Delta }}$ ${\displaystyle T^{}}$ ${\displaystyle {}^{}}$ -${\displaystyle {}^{}\beta }$ ${\displaystyle \mathrm{\Delta }}$ ${\displaystyle S}$) ${\displaystyle \psi =k(\alpha \Delta$ T$^{a}-\beta \Delta$ S$)}$.

여기서 $\Delta {\displaystyle \mathrm{}}$ ${\displaystyle {}^{}}$ ${\displaystyle a^{}}$= ${\displaystyle {}_{}^{}}$ ${\displaystyle {2\mathrm{}}_{}^{}}$ a -${\displaystyle {}_{}^{}{}_{}^{}}$ ${\displaystyle {}_{}^{}}$ ${\displaystyle {a\mathrm{}}_{}^{}}$ ${\$ T$^{a}=$$T_{2}^{a}-T_{1}^{a$ 흐름 강도의 시간 진화는 다음과 같이 주어진다.

${\d\psi \overdt}=-2 \psi \psi +2k\알파 \Delta T^{a} \psi -2k\베타 \eta _{2}}$

흐름 강도의 안정 상태는 다음과 같다.

${\displaystyle \psi _{1,2}={\tfrac {k\alpha \Delta T^{a}}{2}}\pm {\sqrt {{\tfrac {k\alpha \Delta T^{a}}{2}}-k\beta \eta _{2}}}}$ for ${\displaystyle \psi >0}$ and

${\displaystyle \psi _{3,4}={\tfrac {k\alpha \Delta T^{a}}{2}}\pm {\sqrt {{\tfrac {k\alpha \Delta T^{a}}{2}}+k\beta \eta _{2}}}}$ for ${\displaystyle \psi <0}$.

$\psi {\displaystyle {}_{}}$ ${\$의 솔루션은 3< < ${\displaystyle \psi _{3$라는 가정과 모순되기 때문에 물리적으로 가능하지$$ 않다.

These formulas for the flow strength can be made dimensionless by setting ${\displaystyle \psi ^{*}={\frac {\psi }{k\alpha \Delta T^{a}}}}$ and ${\displaystyle F^{*}={\frac {\beta \eta _{2}}{k(\alpha \Delta T^{a})^{2}}}}$, which gives:

${\displaystyle \psi _{1,2}^{*}={\frac {1}{1}:{2}}:pm {{\sqrt{1}{4}-F^{*}}}}}}}}$

${\displaystyle \property_{4}^{*}={\frac {1}{1}{1}{\frac {1}{4}}}+F^{*}}}}}$

> ${\displaystyle \psi ^{*}>0}$이(가) 있는 솔루션은 극지 상자(높은 위도)에 가라앉은 솔루션을 나타내며,< 0 ${\displaystyle \psi ^{*}<0}$은 적도 상자(낮은 위도)에 가라앉은 솔루션을 나타낸다. $\psi {\displaystyle {}_{}^{}}$ $∗{\$ $\psi {\displaystyle {}_{}^{}}$ ${\displaystyle {4\mathrm{}}_{}^{}}$ ${\displaystyle {}_{}^{}}$ ${\$의 솔루션은 안정적이지$$ 않고 ${\displaystyle {2\mathrm{}}_{}^{}}$ 2${\displaystyle {}_{}^{}}$∗ ${\$의 솔루션은 불안정하다$$. 이것은 염분 강제력의 특정 범위에 대해 하나의 반구에 가능한 두 개의 안정적인 상태(평형률)가 있다는 것을 의미한다.

그 현에서 우리는ψ ∗ 을과 긍정적인 가지에;만약 우리가 순환과 부정적인 가지에ψ ∗<>로 전환했다 0}일 경우 .[1];0}일 경우 북반구에 해저 열 교통과 그 공기 온도 dro 것 약화되고 발행 부수 0{\displaystyle\psi ^{*}> 0{\displaystyle\psi ^{*}&lt다.p 냉각은 북대서양 지역에서 가장 크며 북서유럽의 대기온도가 최대 10 °C까지 감소할 수 있다.^[13]

분기 간 전환

스톰멜은 단일 반구에 두 평형파가 존재할 가능성을 증명했다. 다음으로 염분강제나 담수강제 등의 변화에 대해 이러한 안정적 상태가 어떻게 반응하는지 조사하는 것이 중요하다. 강제력의 변화의 예는 강수량 증가나 증발이다.^[14]

호싱 실험

한 평형에서 다른 평형에서 다른 평형으로 가는 한 가지 방법은 '호싱' 실험을 하는 것이다.^[15] 여기에는 순간적인 표면 강제 섭동이 적용된다. 이렇게 하면 시스템이 음의 ${\$의 안정적인 분기로 이동하며$,$ 다음으로 섭동이 제거된다. 이것은 시스템을 $다시{\displaystyle {}^{}}$ F$∗{\$ F$^\{*\}\}$의 바이스트 가능한 체제로 되돌리지만, 다른 가지에는 있다. 이것은 동일한 차원이 없는 염분 강제력에 대해 두 가지 다른 정상 상태를 제공한다.

전통적인 이력 실험

또 다른 전략은 전통적인 이력서 실험이다. 여기서 강제력은 점차 높아진다. 이를 통해 시스템이 양극 분기를 음극 분기로 따라갈 수 있다. AMOC는 $∗{\$의 문턱에 도달하면 빠르게 무너진다$.$ 여기서부터는 ${\$의 음 분기로 간다$.$ 음 분기에 도달한 후에는 다시 서서히 강제력이 감소한다. 이것은 그 시스템이 다른 평형을 이루게 만든다. 강제력이 한층 더 줄어들면 AMOC는 다시 ${\$의 포지티브 분기로 전환된다$.$^[3]

염분 재분배 실험

세 번째 전략은 해양 내부에 소금을 재분배하여 초기 상태를 혼란스럽게 하는 실험이다. 이 전략은 염분을 강요하는 것은 변하지 않게 한다. 동요가 충분히 크면, AMOC는 붕괴될 것이다. 이렇게 하면 시스템이 ${\$의 음 분기로 전환된다$.$^[3]

해양에서의 다중 평형률의 예

스톰멜의 해양 박스 모델 결과는 3차원 해양 순환 모델을 이용한 연구에 착수해 다중 평형주의 존재를 확인했다. 해양에서 가능한 모든 범위의 평형선은 아직 잘 탐사되지 않았다. 스톰멜의 박스 모델과 3차원 모델 외에도, 편협한 증거는 AMOC의 변화가 갑작스러운 기후 변화와 연관되어 있다는 것을 암시한다.^[16]

과거에

단스고르-오에스히거 사건

Dansgaard-Oeschger 사건은 과거 AMOC의 불안정성과 관련된 가장 관련성이 높은 창백한 한계 현상이다. 그것들은 대략 1470년 마다 발생한다.^[3] 최근의 연구는 그것들이 해양 순환의 변화 때문이라는 것을 시사한다.^[9] 이러한 변화는 북대서양 담수 동요에 의해 유발될 수 있다.^[10]

Eocene-Oligocene 전환(EOT)

AMOC에서 두 평형 사이의 전환의 예는 34 MA 전 Eocene-Oligocene 전환(EOT)인데, 여기서 심층 순환의 대리점은 AMOC의 시작을 암시한다. 이것은 지구 기후가 더 춥고 건조한 환경으로 크게 변화하게 했다. 남극 대륙 빙상이 형성되는 원인이 되기도 했다.^[17] 이 더 춥고 건조한 기후는 Eocene-Oligocene 멸종 사건이라고 불리는 동식물군의 대규모 멸종을 야기했다.^[18] 한 평형에서 다른 평형에서 다른 평형으로의 변화는 대기 중 CO의 장기적인₂ 감소에 의해 발생한다고 제안한다.^[19]

미래에

AMOC의 다중 평형률로 인한 급격한 기후 변화의 건물 증거 때문에, 현재의 기후에서 그러한 사건이 일어날 가능성에 대한 관심이 커졌다. 최근 기후 시스템의 인공적인 강제력은 과거 빙하에서의 담수 강제력과 관련된 것과 유사한 크기의 AMOC에 강제력을 적용할 수 있다. 고생물학 모델에서와 같이, 붕괴의 메커니즘과 가능성은 기후 모델을 사용하여 조사되었다.^[3] 현재 대부분의 기후 모델은 이미 21세기에 걸쳐 인공적인 강제력에 의해 AMOC의 점진적인 약화를 예측하고 있지만, 감소량에는 큰 불확실성이 있다.^{[20] [21]} 일부 연구자들은 이런 점진적 둔화가 이미 시작됐고 20세기 중반부터 AMOC의 대리 기록에도 나타난다고 주장할 정도다.^[3] 기후변화에 관한 정부간 패널의 제5차 평가보고서에서 그들은 AMOC의 붕괴를 발생 가능성은 낮지만 잠재적으로 높은 영향을 미칠 수 있는 기후 시스템의 티핑 포인트 중 하나로 식별한다.^[22]

참고 항목

• 대서양 경맥 전복 순환
• 열화알린 순환 정지
• 갑작스러운 기후 변화

참조