Analysis of the planetary thermal distribution with a simple three-zone maximum-flux model
Abstract: The large uncertainties in the forecasting of future global climatic conditions endorse the need of developing simple yet credible predicting tools. Here we propose a threezone steady-state radiative model that maximizes latitudinal heat fluxes and considers the potential effect of the Earth s declination. The model is formulated as a set of five equations and six unknowns (zonal temperatures and widths, and the latitudinal heat transport) that requires specifying the reflected (albedo) and back-to-Earth (gree… Show more
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The Southwest Atlantic Ocean is a key component of the global climate system. It holds the Confluence of the Brazil and Malvinas Currents (BMC), one of the highest frontal systems of the world ocean. The BMC is the encounter point of subtropical origin warm and salty waters, transported southward within the Brazil Current, and subantarctic water flowing equatorward along the Malvinas Current. The intense mixing and cross-frontal exchanges highly transform the water masses that will finally flow southward, eastward of be subducted into the subtropical thermocline. This PhD dissertation aims at extending our knowledge of the circulation and dynamics in the BMC, placing these results in perspective from the small to the global scales. The intense property contrast found in this region resemble the intense temperature gradients between low and high latitudes. We first analyse the changes in the heat content of the atmosphere and upper ocean for the last 450 kyr and analyse the sensitivity of the system to changes in albedo, cloud cover and atmospheric and oceanic heat transports. We then describe the hydrographic conditions at the BMC during and early fall cruise. These reveal the presence of brackish river water on top the frontal system. The salinity anomaly at the surface correlates with the presence of large ageostrophic velocities along the frontal jet. In addition, the rapid evolution of these waters impinges on the thermohaline variability in the proximity of the front. The comparison of surface overview during the cruise is well represented by the reanalysis although at depth, this misses the thermohaline intrusions developed both sides the front. On the other hand, climatological data misses the numerous mesoscale features. We also examine the circulation pattern in the upper 2000 m depth. We find a relatively weak MC near 41°S, 56°W followed by its cyclonic retroflection, an intense subtropical anticyclone replacing the BC-overshoot (BCO), a subantarctic inflow near 53°W maintained both by an upstream earlier diversion of the MC and the cyclonic recirculation of the flow leaving the east along the confluence front, and on the northern extreme of the Confluence the southward flow of BC. The results in this chapter also suggest the existence of dianeutral mixing and cross-frontal exchanges. We assess the high-frequency temperature variability at this region combining sea surface temperature images with novel high-resolution SeaSoar measurements. We found spatio-temporal scales between 1.5 and 6 days and between 20 and 50 km with the shortest scales along the shelf-break BC and over the Confluence front, with the largest ones along the MC and MRC. Variability increases at the subsurface due to submesoscale thermohaline intrusions. Finally, we analyse the relative role of dianeutral mixing by small scale turbulence and isoneutal mixing induced by mesoscale eddy stirring in setting the temperature-salinity relationship in the Argentine basin using microstructure measurements along the Subtropical Front (STF). Dieneutral mixing is enhanced in the upper 500 m of the water column, especially downstream the BCO, and at depth over the shelf-break and the eastern limit of the basin at the mid-Atlantic ridge. Isoneutral diffusivity dominates below 500 m in the centre of the basin. Moreover, we determine the cross-frontal eddy-advective mass flux. These induce the subduction of about 3 Sv of mode and intermediate waters into the subtropical thermocline and the poleward transport of Upper Circumpolar Deep Water. El suroeste del Océano Atlántico es clave del sistema climático global. En esta región se encuentran las corrientes de Brasil y Malvinas, dando lugar a uno de los sistemas frontales más intensos del océano mundial, la Confluencia de Brasil-Malvinas (BMC). Esta región frontal es el punto de encuentro de aguas de origen subtropical, cálidas y saladas, que son transportadas hacia el sur en la corriente de Brasil y aguas de origen subantárctico que viajan hacia el ecuador a lo largo de la corriente de Malvinas. La intensa mezcla y los intercambios frontales cruzados transforman en gran medida las masas de agua que aquí se encuentran y que finalmente fluirán hacia el sur, hacia el este o que serán subducidas hacia la termoclina subtropical. Esta tesis tiene como objetivo principal ampliar nuestro conocimiento sobre la circulación y dinámica en la BMC, colocando estos resultados en perspectiva, desde la pequeña escala a la escala global. El intenso contraste de propiedades de las aguas que se encuentran en esta región se asemeja a los intensos gradientes de temperatura que encontramos entre las altas y bajas latitudes. En un primer trabajo, analizamos los cambios en el contenido de calor de la atmósfera y el océano superior durante los últimos 450 millones de años. A continuación, describimos las condiciones hidrográficas encontradas en la BMC a principios de otoño de 2015 a partir de los datos recogidos en una campaña oceanográfica (TIC-MOC) y su comparación con datos de reanálisis y climatológicos. Estos revelan la presencia de aguas salobres del Río de la Plata en los primeros metros del sistema frontal. La anomalía de salinidad presenta una correlación positiva con las intensas velocidades ageostróficas a lo largo del jet frontal. La comparación de la visión general de las condiciones superficiales durante la campaña está bien representada por el reanálisis de alta resolución, aunque en profundidad su exactitud es menor debido a la presencia de intrusiones termohalinas desarrolladas a ambos lados del frente, no reproducidas por el modelo. Los datos climatológicos, sin embargo, al representar las condiciones medias del mes, no muestran las numerosas estructuras de mesoescala encontradas en la región. Asimismo, examinamos el patrón de circulación en los primeros 2000 metros de la columna de agua. Al sur del frente encontramos un transporte débil de la MC aproximadamente a 41oS, 56oW, seguido de su retroflexión ciclónica, un anticiclón subtropical intenso que reemplaza la retroflexión de la corriente de Brasil, un flujo de aguas subantárcticas a 53oW alimentado por un desvío aguas arriba de la MC y la recirculación ciclónica del flujo que sale al este a lo largo del frente de Confluencia. En el extremo norte, encontramos el transporte hacia el sur, dentro de los valores medios, de la corriente de Brasil. Los resultados en este capítulo sugieren también la existencia de mezcla dianeutra e intercambios frontales en la BMC. Evaluamos la variabilidad de alta frecuencia de la temperatura en esta región combinando imágenes de temperatura superficial del mar con nuevas mediciones de alta resolución recogidas con un SeaSoar (campaña RETRO-BMC). Encontramos escalas espacio-temporales características de entre 1.5 y 6 días y entre 20 y 50 km. Las escalas más cortas se encuentran la lo largo de la corriente de Brasil en su proximidad a la plataforma continental y sobre el frente de Confluencia, mientas que las mayores escalas corresponden a la MC y su retroflexión. La variabilidad aumenta en profundidad debido a la presencia de las intrusiones termohalinas submesoescalares. Finalmente, analizamos el papel relativo de la mezcla dianeutra debida a turbulencia de pequeña escala y de la mezcla isoneutra inducida por remolinos de mesoescala en establecer la relación temperatura-salinidad en la cuenca argentina utilizando para ello mediciones de microestructura. La mezcla dianeutra es máxima en los primeros 500 m de la columna de agua, especialmente aguas abajo de la BCO, y en profundidad sobre el borde de la plataforma continental y el límite oriental de la cuenca sobre la Dorsal Mesoatlántica. La difusividad isoneutral domina en profundidad (>500 m) en el centro de la cuenca. Además, determinamos el flujo de masa meridional debido a la advección inducida por los remolimos mesoscalares.
The Southwest Atlantic Ocean is a key component of the global climate system. It holds the Confluence of the Brazil and Malvinas Currents (BMC), one of the highest frontal systems of the world ocean. The BMC is the encounter point of subtropical origin warm and salty waters, transported southward within the Brazil Current, and subantarctic water flowing equatorward along the Malvinas Current. The intense mixing and cross-frontal exchanges highly transform the water masses that will finally flow southward, eastward of be subducted into the subtropical thermocline. This PhD dissertation aims at extending our knowledge of the circulation and dynamics in the BMC, placing these results in perspective from the small to the global scales. The intense property contrast found in this region resemble the intense temperature gradients between low and high latitudes. We first analyse the changes in the heat content of the atmosphere and upper ocean for the last 450 kyr and analyse the sensitivity of the system to changes in albedo, cloud cover and atmospheric and oceanic heat transports. We then describe the hydrographic conditions at the BMC during and early fall cruise. These reveal the presence of brackish river water on top the frontal system. The salinity anomaly at the surface correlates with the presence of large ageostrophic velocities along the frontal jet. In addition, the rapid evolution of these waters impinges on the thermohaline variability in the proximity of the front. The comparison of surface overview during the cruise is well represented by the reanalysis although at depth, this misses the thermohaline intrusions developed both sides the front. On the other hand, climatological data misses the numerous mesoscale features. We also examine the circulation pattern in the upper 2000 m depth. We find a relatively weak MC near 41°S, 56°W followed by its cyclonic retroflection, an intense subtropical anticyclone replacing the BC-overshoot (BCO), a subantarctic inflow near 53°W maintained both by an upstream earlier diversion of the MC and the cyclonic recirculation of the flow leaving the east along the confluence front, and on the northern extreme of the Confluence the southward flow of BC. The results in this chapter also suggest the existence of dianeutral mixing and cross-frontal exchanges. We assess the high-frequency temperature variability at this region combining sea surface temperature images with novel high-resolution SeaSoar measurements. We found spatio-temporal scales between 1.5 and 6 days and between 20 and 50 km with the shortest scales along the shelf-break BC and over the Confluence front, with the largest ones along the MC and MRC. Variability increases at the subsurface due to submesoscale thermohaline intrusions. Finally, we analyse the relative role of dianeutral mixing by small scale turbulence and isoneutal mixing induced by mesoscale eddy stirring in setting the temperature-salinity relationship in the Argentine basin using microstructure measurements along the Subtropical Front (STF). Dieneutral mixing is enhanced in the upper 500 m of the water column, especially downstream the BCO, and at depth over the shelf-break and the eastern limit of the basin at the mid-Atlantic ridge. Isoneutral diffusivity dominates below 500 m in the centre of the basin. Moreover, we determine the cross-frontal eddy-advective mass flux. These induce the subduction of about 3 Sv of mode and intermediate waters into the subtropical thermocline and the poleward transport of Upper Circumpolar Deep Water. El suroeste del Océano Atlántico es clave del sistema climático global. En esta región se encuentran las corrientes de Brasil y Malvinas, dando lugar a uno de los sistemas frontales más intensos del océano mundial, la Confluencia de Brasil-Malvinas (BMC). Esta región frontal es el punto de encuentro de aguas de origen subtropical, cálidas y saladas, que son transportadas hacia el sur en la corriente de Brasil y aguas de origen subantárctico que viajan hacia el ecuador a lo largo de la corriente de Malvinas. La intensa mezcla y los intercambios frontales cruzados transforman en gran medida las masas de agua que aquí se encuentran y que finalmente fluirán hacia el sur, hacia el este o que serán subducidas hacia la termoclina subtropical. Esta tesis tiene como objetivo principal ampliar nuestro conocimiento sobre la circulación y dinámica en la BMC, colocando estos resultados en perspectiva, desde la pequeña escala a la escala global. El intenso contraste de propiedades de las aguas que se encuentran en esta región se asemeja a los intensos gradientes de temperatura que encontramos entre las altas y bajas latitudes. En un primer trabajo, analizamos los cambios en el contenido de calor de la atmósfera y el océano superior durante los últimos 450 millones de años. A continuación, describimos las condiciones hidrográficas encontradas en la BMC a principios de otoño de 2015 a partir de los datos recogidos en una campaña oceanográfica (TIC-MOC) y su comparación con datos de reanálisis y climatológicos. Estos revelan la presencia de aguas salobres del Río de la Plata en los primeros metros del sistema frontal. La anomalía de salinidad presenta una correlación positiva con las intensas velocidades ageostróficas a lo largo del jet frontal. La comparación de la visión general de las condiciones superficiales durante la campaña está bien representada por el reanálisis de alta resolución, aunque en profundidad su exactitud es menor debido a la presencia de intrusiones termohalinas desarrolladas a ambos lados del frente, no reproducidas por el modelo. Los datos climatológicos, sin embargo, al representar las condiciones medias del mes, no muestran las numerosas estructuras de mesoescala encontradas en la región. Asimismo, examinamos el patrón de circulación en los primeros 2000 metros de la columna de agua. Al sur del frente encontramos un transporte débil de la MC aproximadamente a 41oS, 56oW, seguido de su retroflexión ciclónica, un anticiclón subtropical intenso que reemplaza la retroflexión de la corriente de Brasil, un flujo de aguas subantárcticas a 53oW alimentado por un desvío aguas arriba de la MC y la recirculación ciclónica del flujo que sale al este a lo largo del frente de Confluencia. En el extremo norte, encontramos el transporte hacia el sur, dentro de los valores medios, de la corriente de Brasil. Los resultados en este capítulo sugieren también la existencia de mezcla dianeutra e intercambios frontales en la BMC. Evaluamos la variabilidad de alta frecuencia de la temperatura en esta región combinando imágenes de temperatura superficial del mar con nuevas mediciones de alta resolución recogidas con un SeaSoar (campaña RETRO-BMC). Encontramos escalas espacio-temporales características de entre 1.5 y 6 días y entre 20 y 50 km. Las escalas más cortas se encuentran la lo largo de la corriente de Brasil en su proximidad a la plataforma continental y sobre el frente de Confluencia, mientas que las mayores escalas corresponden a la MC y su retroflexión. La variabilidad aumenta en profundidad debido a la presencia de las intrusiones termohalinas submesoescalares. Finalmente, analizamos el papel relativo de la mezcla dianeutra debida a turbulencia de pequeña escala y de la mezcla isoneutra inducida por remolinos de mesoescala en establecer la relación temperatura-salinidad en la cuenca argentina utilizando para ello mediciones de microestructura. La mezcla dianeutra es máxima en los primeros 500 m de la columna de agua, especialmente aguas abajo de la BCO, y en profundidad sobre el borde de la plataforma continental y el límite oriental de la cuenca sobre la Dorsal Mesoatlántica. La difusividad isoneutral domina en profundidad (>500 m) en el centro de la cuenca. Además, determinamos el flujo de masa meridional debido a la advección inducida por los remolimos mesoscalares.
Els fluxos d'energia en el sistema acoblat oceà-atmosfera i el seu impacte en el clima de la Terra
This thesis aims to develop simple models that allow evaluating the relevance of the principal parameters that condition the energy flows in the ocean-atmosphere system, and how changes in these parameters impact the climate of the planet. The first model studies the meridional overturning circulation (MOC) within one hemisphere, using a simple two-box system (lowand high-latitude compartments) that is widely applied in oceanography and meteorology. Each box has a different behavior, with the high latitudes acting as a negative or inverse estuary and the equatorial and tropical latitudes as a positive estuary. The conditioning energy flow is the loss of latent heat at high latitudes and the same heat gain at low latitudes. This ocean-atmosphere heat exchange leads to changes in internal energy, as well as in salinity and mass through evaporation-precipitation. These scenarios help identify under what conditions the meridional overturning circulation will remain as we know it today —in the south-north direction in the upper layers of the ocean and in the north-south direction in its deep layers— and what would be necessary for the flow direction to be reversed. The second model consists of three interconnected zonal bands, established in terms of the sign of the difference between shortwave radiation reaching the Earth and long-wave radiation emitted to space. From a geographical perspective, these bands represent the equatorial-tropical, temperate and subpolar-polar climatic regions. The unknown variables are the temperature of each zone and their latitudinal limits. The energy balance of each zone arises from the short- and long-wave radiations and the exchange between the adjacent compartments, being largely determined by both the albedo and the greenhouse factors. The system of equations is closed with the requirement that the latitudinal energy flow is maximized. This key hypothesis follows the principles of the constructive law, being widely applied to study living beings as well as physical or mechanical systems. We apply the model to three climatic moments of our Planet: the last glacial maximum, the modern times and the foreseeable future at the end of this century. The results allow us to visualize the trends in the evolution of our climate, from the glacial past to modern times (preindustrial times to nowadays), and the perspective for year 2100. The results show that the future will lead to a widening of the low and high-latitude zones, with a major warming (as much as 20°C) of the high-latitude areas. The third model, based on the same radiative concepts of the previous work, considers the heat balance at each latitudinal ring for both atmospheric and oceanic compartments. The model is developed as a single high-order differential equation for the climatic temperature that can be resolved provided we set proper boundary conditions at the equator. The model requires setting the greenhouse and albedo values; the greenhouse is chosen as uniform and the albedo is allowed to change with latitude. The model is tuned to reproduce the present state. After this tuning, the model is employed to explore (a) the diffusive and advective oceanic and atmospheric contributions to the total latitudinal heat flux, and (b) how the temperature and these contributions will change from the last glacial maximum to the end of the 21st century. The results show a progressive warming of the entire planet, with the major variations, of about 15°C, occurring at intermediate and high latitudes. The model also reveals that both advection and particularly diffusion represent a heat sink at low latitudes while diffusion is the only source for heat gain at intermediate and high latitudes. These contributions have opposite trends from the glacial to the near future, being an important mechanism for mitigating the projected future changes. L’objectiu d’aquesta tesi és desenvolupar models senzills que permetin avaluar la rellevància dels paràmetres principals que condicionen els fluxos d’energia en el sistema oceà-atmosfera, i com els canvis d’aquests paràmetres afecten el clima del planeta. El primer model estudia la circulació meridional oceànica (Meridional Overturning Circulation, MOC, en anglès) dins d’un hemisferi, utilitzant un sistema de dues caixes (de baixa i alta latitud) que s’aplica àmpliament en oceanografia i meteorologia. Cada caixa té un comportament específic, les latituds altes actuen com a estuari negatiu i les latituds equatorials i tropicals com a estuari positiu. El flux d’energia condicionant és la pèrdua de calor latent a latituds altes i el mateix guany de calor a latituds baixes. Aquest intercanvi de calor entre l’atmosfera i l’oceà comporta canvis en l’energia interna, així com en la salinitat i la massa a causa del mecanisme d’evaporació-precipitació. Aquests escenaris ajuden a identificar en quines condicions es mantindrà la circulació meridional oceànica tal com la coneixem avui -en direcció sud-nord a les capes superiors de l’oceà i en direcció nord-sud a les seves capes profundes- i què seria necessari perquè aquests fluxos s’invertissin. El segon model consta de tres bandes latitudinals interconnectades, establertes en termes del signe de la diferència entre la radiació d’ona curta que arriba a la Terra i la radiació d’ona llarga emesa a l’espai. Aquestes bandes representen les regions climàtiques equatorials-tropicals, temperades i subpolars-polars. Les variables són la temperatura de cada zona i els seus límits latitudinals. El balanç energètic de cada zona es deriva de les radiacions d’ona curta i llarga i de l’intercanvi entre els compartiments adjacents, i és en gran mesura determinat tant per l’albedo com per l’efecte hivernacle. El sistema d'equacions es tanca amb el requisit de maximitzar el flux d'energia latitudinal. Aquesta hipòtesi segueix els principis de la teoria constructiva, i és àmpliament aplicada a l'estudi dels éssers vius i sistemes físics o mecànics. Apliquem el model a tres moments climàtics del nostre planeta: l’últim màxim glacial, l’època moderna i el futur previsible a finals d’aquest segle. Els resultats ens permeten visualitzar les tendències de l’evolució del nostre clima, des del passat glacial fins als temps moderns i per a l’any 2100. Els resultats mostren que el futur comportarà un eixamplament de les zones de baixa i alta latitud, amb un escalfament important (fins a 20 ºC) de les zones d’alta latitud. El tercer model, basat en els mateixos conceptes radiatius del treball anterior, considera l'equilibri de calor a cada anell latitudinal tant per l’atmosfera com per l’oceà. El model es desenvolupa com una única equació diferencial de segon ordre per a la temperatura terrestre i que es resol establint unes condicions de frontera adequades a l'equador. El model requereix establir els valors de l’efecte hivernacle i de l’albedo. El model s’ajusta per reproduir l'estat actual del clima. Després d'aquest ajust, el model s'utilitza per explorar (a) les contribucions oceàniques i atmosfèriques difusives i advectives al flux total de calor latitudinal i (b) com la temperatura i aquestes aportacions canviaran des del darrer màxim glacial fins al final del segle XXI. Se seleccionen, mantenint-se inalterats els coeficients difusius horitzontals i els temps de decaïment friccional, però es modifiquen l'albedo i l’efecte hivernacle. Els resultats mostren un escalfament progressiu de tot el planeta. El model també revela que tant l'advecció com especialment la difusió representen un dissipador de calor a latituds baixes mentre que la difusió és l'única font de guany de calor en latituds mitjanes i altes. Aquestes contribucions tenen tendències oposades des de l’última glaciació
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