Front (oceanografi)

Inom oceanografin är en front en gräns mellan två distinkta vattenmassor . Bildandet av fronter beror på flera fysiska processer och små skillnader i dessa leder till ett brett utbud av fronttyper . De kan vara så smala som några hundra meter och breda som flera tiotals kilometer. Medan de flesta fronter bildas och försvinner relativt snabbt, kan vissa bestå under långa perioder.

Definition av fronter

Traditionellt har havsfronter definierats som gränsen mellan två distinkta vattenmassor. Den nuvarande användningen av satellitdata tillåter dock en dynamisk och högre upplösningsdefinition baserad på närvaron av starka strömmar.

Traditionell definition

Den historiska definitionen av fronter som använder vattenmassor , vattenmassor som skiljer sig åt i fysiska egenskaper som temperatur och salthalt, förlitade sig på lågupplösta data som erhölls från forskningskryssningar. Eftersom det tog lång tid att kombinera dessa data gav de erhållna frontpositionerna en tidsgenomsnittlig vy som endast visade den bredskaliga strukturen. Till exempel i södra oceanen ledde detta till definitionen av fem fronter som alla ansågs vara kontinuerliga och cirkumpolära, nå stora djup och starkt påverkade av batymetri . Vattenmassorna på vardera sidan av sådana fronter skiljer sig i temperaturer , salthalter eller tätheter , tillsammans med skillnader i andra oceanografiska markörer.

Dynamisk definition

Sedan tillkomsten av högupplösta satellitdata har en annan syn på havsfronter bildats. Genom att kontinuerligt mäta havsytans höjd (SSH) runt jordklotet kan positionen för starka strömmar eller jetstrålar associerade med havsfronter bestämmas med en mycket hög rumslig och tidsmässig upplösning . På så sätt kan kortsiktiga variationer och trender analyseras och relateras till andra klimatologiska variationer, såsom El Niño - Southern Oscillation . Med denna metod är fronterna i södra oceanen inte längre cirkumpolära och mängden fronter beror på platsen och tiden.

Rumsliga definitioner

Utöver de fysiska definitionerna som beskrivs ovan är det också möjligt att separera fronter med hjälp av en rumslig definition. Lokalt bestäms fronter ofta med hjälp av gradienttröskelvärde: frontens position bestäms utifrån var den rumsliga gradienten för en kvantitet, såsom havsytans höjd eller temperatur, överstiger en viss tröskel. Detta liknar den dynamiska definitionen av fronter från starka strömmar som beskrivs ovan. När man definierar fronter på global skala används ofta specifika värden på havsytans höjd eller temperatur, som liknar den traditionella vattenmassadefinitionen.

Bildning av fronter

Processen med frontbildning kallas frontogenes . I denna process spelar flera faktorer en roll, inklusive havsströmmar , vind och Corioliskrafter . Till exempel kan vindar längs ekvatorn längs västkusten eller polvindar längs kontinenternas östkuster skapa gradienter i vertikal rörelse. Dessa leder till ett Ekmanflöde och kan leda till bildandet av uppströmsfronter . På ett liknande sätt hjälper tröghetsförstärkning av västra gränsströmmar att producera västerländska gränsströmfronter .

Typ av fronter

Skillnader i lokalisering och bildningsprocesser leder till ett brett utbud av fronttyper. Nedan beskrivs flera huvudtyper baserat på var de kan hittas, men ändå kan dessa definitioner vara delvis överlappande.

Flodmynningsfronter

Ytmynning framsidan av Río de la Platas mynning. Den exakta platsen för färgförändringen, vilket innebär en förändring från söt- till saltvatten, beror på vindar och strömmar. Foto taget av NASA.

Några av de starkaste fronterna som kan hittas förekommer i flodmynningar . I dessa regioner möter det färska flodens inflöde det mycket saltare havsvattnet, vilket bildar starka salthaltsgradienter och leder till bildandet av en salthaltsfront. En stor skillnad mellan de flesta andra havsfronter är att flodmynningsfronter ofta förekommer i en mindre rumslig skala, vilket endast tillåter en begränsad effekt av Coriolis-kraft och geostrofisk rörelse . Eftersom dessa fronter inte är i tröghetsbalans behöver de en konstant energikälla för att överleva, vilket förklarar deras relativt korta livslängd. Å andra sidan gör detta också att dessa fronter kan formas relativt snabbt jämfört med större fronter.

Flodmynningsfronter kan delas in i två huvudkategorier beroende på vilket djupområde de förekommer: ytfronter och bottenfronter.

Ytfronter

vattenmassorna konvergerar, eller förändringar i färg på grund av skillnader i sedimenttransport . Det senare gör att flodmynningsfronter ofta också kan betraktas som grumlighetsfronter , eftersom floder kan bära en stor mängd sediment i suspension . Olika flodmynningars ytfronter kan bildas beroende på inverkan av tidvattenströmmar .

Plymfronter : I en flodmynning med begränsad tidvatteninverkan kan den tillgängliga energin för att blanda vatten vara begränsad. Detta gör det möjligt för det mer flytande utströmmande sötvattnet att bilda ett lager vid ytan, som sprider sig mot havet, särskilt under ebb. Vid gränsen mellan denna sötvattensplym och det omgivande havsvattnet kommer starka gradienter i salthalt och densitet att bildas. Ett exempel på en sådan front finns i Chesapeake Bays mynning, men dessa fronter är också vanliga framför flodutlopp som Mississippi , Amazon eller Connecticut River .

Den schematiska illustrationen av tidvattenintrångsfronten med flödesmönstret vid ytan.
Tidvattenintrångsfronter : Generellt sett kommer mycket stora tidvattenområden i flodmynningar att leda till blandning av vattnet och därigenom hämma frontbildning. I vissa särskilt mindre flodmynningar kan dock en front bildas under tidvattnets översvämningsfas. I det här fallet, när utströmmande sötvatten från floden konvergerar med det salthaltiga inströmmande vattnet under översvämning, trycks sötvattenlagret vid ytan tillbaka medan det salta vattnet sjunker till botten. Detta leder till starka salthaltsgradienter och bildar en front i en karakteristisk V-form. På sötvattensidan av fronten virvel bildas och recirkulera vatten och material vid ytan. Sådana fronter kan hittas i bland annat den walesiska Seiont-mynningen , den skotska Loch Creran och den sydafrikanska Palmiet- mynningen.
Bildande av en axiell konvergens, längsgående eller skjuvfront. Inflödet av havsvatten under översvämningsfasen sker med högre hastigheter i mitten av mynningen. Detta leder till gradienter i hastighet och skjuvning som för vattnet mot centrum vid ytan och leder till en konvergerande cirkulation.

Axiell konvergens, längsgående eller skjuvningsfronter : I flodmynningar där tidvattenflödet är ännu starkare kommer det färska flodvattnet och det salthaltiga havsvattnet att bli väl blandat. Eftersom mitten av en mynning i allmänhet är djupare än sidorna uppstår skillnader i horisontell skjuvning . Detta leder till högre hastigheter i mitten av mynningen än vid sidorna. Dessutom skjuvningen också att vara högre vid botten av floden, vilket skapar en vertikal hastighetsgradient. Tillsammans kommer dessa gradienter att leda till en konvergerande cirkulation som kan sträcka sig mycket långt in i mynningen. Detta avstånd påverkas av skillnaderna i densitet i längdriktningen (längs flodens axel). En sådan front kan observeras i till exempel Conwy-mynningen eller York River Estuary.

Basal- eller bottenfronter

En annan grupp av flodmynningsfronter är särskilt stark i botten av mynningen.

Saltkilfronter : En saltkilfront är ofta besläktad med en plymfront. Svaga tidvattenrörelser gör att blandningen mellan salt- och sötvatten kan begränsas, vilket förutom det utströmmande sötvattnet tillåter ett inflöde av saltvatten längs botten av mynningen. I spetsen för detta intrång uppstår en stark gradient i salthalten, som markerar saltkilfrontens läge. Exempel på sådana fronter är de i Fraser- , Merrimack- och Río de la Platas flodmynningar.

Grunda hyllor vid havet

I de grunda haven vid kontinentalsockeln kan två huvudtyper av front bildas beroende på vilka processer som spelar roll.

Tidvattenblandningsfront

På sommaren, borta från sötvattenkällor, separeras tempererade hyllhav i termiskt stratifierade regioner, påverkade av skillnaderna i skiktens flytförmåga , och vertikalt välblandade områden, som är starkt påverkade av tidvattenblandning. Regionerna mellan dessa två kallas tidvattenblandningsfronter. Denna blandning sträcker sig i allmänhet endast till ett djup av cirka 50 meter, eller upp till 100 meter i vissa fall, med horisontella temperaturgradienter på typiskt 1 °C km ⁻¹ . De stora temperaturgradienterna som fronterna uppvisar är tydligt i infraröda satellitbilder (IR) av havsytan, vilket ger ett användbart sätt att hålla reda på fronternas position och följa deras utveckling.

Hyllbrytande front

Hyllbrytande fronter är den vanligaste frontaltypen. Dessa fronter är i linje med hyllavbrottet , platsen där den relativt plana kontinentalsockeln övergår till den brantare kontinentalsluttningen , och är under påverkan av huvudsakligen tidvatten- och vinddriven blandning. På dessa platser separeras vattnet på hyllan från havsvattnet utanför hyllan. Till skillnad från till exempel tidvattenblandningsfronterna kan dessa fronter betraktas som vattenmassfronter eftersom de separerar två distinkta vattenmassor: onshore och offshore. Dessa fronter är alltid förknippade med en väldefinierad ström . Exempel på hyllavbrottsfronter förekommer i Mid-Atlantic Bight och Biscayabukten .

Mekanism för uppströmning nära kusten skapar uppströmmande kustfront.

Kustnära uppväxtfronter

Nära kustzoner kan vindar som blåser parallellt med kusten generera vinddrivna strömmar som skapar en Ekman-transport bort från kusten. Detta flyttar den övre vattenmassan bort från kusten och leder till uppvallning av kallare vatten från djupet, även kallat kustuppvallning . Kontrasten mellan det kalla vattnet från djupet och varmare ytvatten leder till att kustnära uppströmsfronter bildas. Washington - Oregon - Kaliforniens och Peru - Chiles kust .

Västra gränsströmfronter

I allmänhet bildas starka strömmar som kallas västra gränsströmmar vid den västra gränsen av kontinenter. Dessa starka strömmar kan transportera vattenmassor över en lång sträcka och föra dem i kontakt med vattenmassor som har mycket olika egenskaper. Dessa skillnader i egenskaper tillsammans med faktorer som hastighet orsakar mycket starka gradienter mellan de västra gränsströmmarna och det omgivande vattnet, vilket leder till bildandet av västra gränsströmsfronter. Dessa fronter är bland de starkaste fronterna som kan observeras och kan sträcka sig många tusen kilometer i längd. Exempel på sådana fronter förekommer med Golfströmmen , Kuroshio och Agulhasströmmarna .

Ekvatoriala uppströmningsfronter

Utöver kustuppströmning sker även kraftig uppströmning längs ekvatorn . I det här fallet Coriolis-kraften liten nära ekvatorn eftersom den byter tecken mellan halvkloten . Passadvindarna västerut leder sedan till en Ekman-transport som flyttar ytvattnet bort från ekvatorn på båda halvkloten. Det ersättande uppströmsvattnet blir kallare än det omgivande ytvattnet, vilket återigen skapar en kraftig vertikal gradient i temperatur som leder till att en front bildas. Eftersom passadvindarnas läge varierar säsongsmässigt gör platsen för den ekvatoriala uppströmningsfronten det också. Denna typ av front finns främst i Atlanten och Stilla havet . I Indiska oceanen är dessa fronter dock inte lika starka. Detta beror förmodligen på skillnaden mellan havsbassängerna, eftersom Indiska oceanen bara sträcker sig något norr om ekvatorn medan de andra bassängerna når till nordpolen .

Den vita Stillahavslinjen , som visas här, är ett exempel på en subtropisk konvergensfront. I det här fallet samlas den flytande kiselalgen rhizosolenia på framsidan i så stora mängder att den är synlig från rymden.

Subtropiska konvergensfronter

Den subtropiska regionen omges av vindar som blåser österut på högre breddgrader och vindar som blåser västerut på lägre breddgrader . Ekman -transporten i samband med dessa vindar riktar i båda fallen ett vattenflöde mot subtropikerna , vilket leder till konvergens av kallare vatten från mellanbreddgraderna och varmare vatten från tropikerna här. Detta leder till bildandet av en subtropisk konvergensfront. Eftersom vattenmassorna på båda sidor om fronten har olika temperatur skapar detta en stark temperaturgradient och gör att sådana fronter kan ses som termiska fronter. Dessutom leder uppbyggnaden av vatten i denna region till en liten ökning av havsnivån . Detta ökar trycket på vattenpelaren och resulterar i downwelling . I vissa fall kan detta stödja lokala marina samhällen eftersom organismer, såsom sargassum , som flyter i de övre havslagren kommer att röra sig mot fronten med vattnet och stanna kvar i de övre lagren nära fronten. Exempel på subtropiska konvergensfronter finns i bland annat Sargassohavet och norra Stilla havet , men även i de södra delarna av Atlanten , Indiska och Stilla havet .

Marginala iszonsfronter

Två typer av fronter kan genereras runt havsiskanter beroende på djupet där de uppstår. Den största skillnaden mellan dessa två uppstår genom att salt frigörs under havsisbildning , kallat saltlakeavstötning . Detta genererar en konvektion som drivs av salthalt, vilket för det salthaltiga vattnet till större djup. Under smältningen av havsisen minskar salthalten i ytvattnet på grund av tillförseln av sötvatten. Detta skapar en lokal salthaltsfront mellan det mer salta djupare vattnet och ytsmältvattnet med låg salthalt.

Övre lagerfronter : I det övre lagret finns en typ av marginaliszonsfronter som är utbredd längs iskanten. Dessa övre skikts fronter orsakas av skillnaden i temperatur mellan det varma vattnet i det övre skiktet och den kalla isen.
Fronter i det lägre skiktet : En andra typ av front med marginalisar är fronten i det lägre skiktet. Denna typ kan hittas i det nedre lagret mellan det boende vinterbottenvattnet och sommarvattnet.

De övre och nedre skiktens fronter kan separeras där havsströmmarna träffar vinkelrätt mot isen, vilket ofta förekommer till exempel i vikar . Men, till exempel på ishalvöar , kan låg sidoturbulens göra att dessa fronter sammanfaller.

I allmänhet kan exempel på marginaliszonfronter hittas i Labrador och Grönlands hav och i södra havet .

Ojämn position för de tre sydliga havsfronterna relaterade till den antarktiska cirkumpolära strömmen: Southern Antarctic Circumpolar Current Front (SACC), Antarctic Polar Front (PF) och Subantarctic Front (SAF). Dessutom visas den subtropiska konvergensfronten (STF).

Södra havet fronter

En mycket viktig uppsättning fronter förekommer i södra oceanen . Denna bassäng kännetecknas av den intensiva österutflytande Antarctic Circumpolar Current (ACC), som är ett av de mest kraftfulla strömsystemen på jorden. Dessutom är de olika vattenmassorna som möts i denna bassäng förknippade med starka gradienter i densitet som når till stort djup och leder till starkt lutande isopyknala ytor (plan med konstant densitet) som grundar mot söder. Tillsammans leder denna dynamik till bildandet av starka och ihärdiga fronter. Med den traditionella definitionen av fronter är detta den enda havsbassängen där cirkumpolära fronter kan hittas. Ändå omarrangerar strukturen av fronterna runt Antarktis sig flera gånger, vilket leder till att en enda front delas upp i flera mindre delfronter.

Inom ACC (från norr till söder) är de definierade fronterna den subantarktiska fronten (SAF), den antarktiska polarfronten (APF) och den södra ACC-fronten (SACCF). Men söder om dessa tre fronter kan ytterligare två fronter definieras: Southern Boundary Front (SBF) och Antarctic Slope Front (ASF). ASF bildas mellan hyllvattnet nära den antarktiska kontinenten och havsvattnet till havs och kan därför också betraktas som en hyllbrytande front. Men i det här fallet påverkas fronten av en ytterligare process, nämligen katabatiska vindar . Dessa transporterar luft med hög densitet från en högre höjd nedförsbacke under tyngdkraften och hjälper till att upprätthålla strömmen västerut över hyllan och därmed fronten.

Vikten av fronter

Fronter är viktiga i många avseenden. Vissa frontaltyper, såsom uppströmnings- och konvergensfronter, är platser för uttalat utbyte mellan djup- och ythav och kan katalysera genereringen av mesoskala virvlar och submesoskala filament. Uppvällande fronter kan föra upp näringsämnen till ytan och leda till tillväxt av växtplankton . Denna växtplanktontillväxt kan i sin tur stödja andra marina organismer i området. Vissa fronter skapar hotspots av marin biologisk mångfald och biogeokemiska processer när de injicerar makronäringsämnen från en närliggande näringsrik vattenmassa in i en näringsbegränsad och fysiskt stabil eufotisk zon , vilket förbättrar ny primärproduktion. I själva verket delade södra oceanens fronter detta hav i ett antal distinkta biofysiska zoner, och därmed ett antal distinkta livsmiljöer, som i sin tur stöder distinkt biota . Eftersom kustvattnen i allmänhet är mer näringsrika än till havs, markerar hyllans havsfronter ofta skarpa biogeokemiska gränser. Men stark blandning som sker på vissa fronter kan ge näringsämnen till den eufotiska zonen och öka produktiviteten . Överskottet av kolbiomassa som produceras på fronter kan exporteras nedåt och föda djupare pelagiska och bentiska samhällen . Den nedåtgående transporten av kolbiomassa är en viktig väg i den globala kolcykeln , särskilt i grunda hav där en del av det partikelformiga organiska kolet som fixeras genom fotosyntes ackumuleras i bottensediment .