­ by

Arulalan.T2012 AST 2532  M.Tech, CAS,    IIT Delhi

Thermohaline Circulationand

Climate Change

Prof./Dr.Krishna AchutaRao Science of Climate Change

ASL 715

• What drives the Ocean circulation?• Two kinds of circulation (?)    – Wind­driven (surface) circulation.    – Thermohaline circulation (deep), driven by          fluxes of heat and freshwater across the sea        Surface.●  Role of Oceans in climate

Ocean Circulation

What drives the Ocean circulation?

Surface ocean: Wind­drivencirculation, at the mixedarea between the surface andthe thermocline (300­1000 mdepth).

Ocean currents also subject toCoriolis force, which deflectsthem 20­25 degrees fromwind direction (how about deep ocean?)

Deep ocean: Thermohalinecirculation driven bydifferences in density(temperature and salinity).

Two kinds of circulation

Figure from: The Earth System. Kump,Casting and Crane, 2004

The pycnocline separates the surface zone (mixed layer)   from the deep ocean

      It shows the how the        temperature and salinity takes       place to make the denser      water in the ocean depth,      which is plotted by using the          ARGO measured data. 

      The isolines replicate the sigma­t       (density­1000) value. 

T Vs S Vs Sigma­t

Figure Plotted Using CDAT5.2

● Seawater are made denser by cooling and/or increasingsalinity.

• Deep water is formed in    localised areas.

Thermohaline circulation

Figure source : S. Rahmstorf, Thermohaline Ocean Circulation.          Encyclopedia of Quaternary Sciences, 2006

• The high­latitude cooling●  filling box dynamics● Sandström’s  theorem – heating at greater depth than 

cooling, by turbulent mixing (~1000 years)● Mechanism to drive ocean circulation is through fluxes of 

heat and freshwater ?

● Deep water is formed in localised areas.

● when the water column then becomes Unstable, leading to large­scale deep overturning of the oceans.

● It is estimated time period 1000 ­5000 years.

What drives the THC ?

1.Deep water formation:In a few localized areas,

North Atlantic: in the Greenland­Iceland­Norwegian (GIN) Seas,the Labrador Sea

Soutern Ocean: in the Weddell Sea,  the Ross Sea.

2.Spreading of  deep    waters

3. Upwelling of deep waters not as localized as convection Sea and difficult to observe. Mainly in the Antarctic Circumpolar Current region (ACC). 

4. Near­surface currents: are required to close the flow. The Gulf Stream is primarilya wind­driven current, forming part of the subtropical gyre circulation.(~20% of the Gulf stream,~20Sv contributed to south flow of NADW)

Key features of the THC

Figure source : S. Rahmstorf, Thermohaline Ocean Circulation.Encyclopedia of Quaternary Sciences, 2006

THC Currents

Figure source : Wiki commons

Water Masses basics:Most of the heat and salt exchangebetween the atmosphere and theoceans occurs in the upper 150m .Once a parcel of water is removed fromthe surface, its properties (T,S) will notchange until it rises again, many yearslater.

Spreading of deep watersNorth Atlantic Deep Water (NADW),Antarctic Bottom Water (AABW)

Movement of water massesis slowly – and it is unrealistic to measure directly. Wededuce it by measuring the age of the water (through carbon­14 dating) from the distribution of the water properties themselves.

Spreading of deep waters

Figure source : S. Rahmstorf, Thermohaline Ocean Circulation.          Encyclopedia of Quaternary Sciences, 2006

History of the THC Three major circulation modes ­ indentified:  Modern mode, Glacial mode & Heinrich mode

Modern mode or warm mode similar to thepresent­day Atlantits. (Not shown)

The ‘off’ mode occurring after Heinrich events(after major input of freshwater, either from surging glacial ice sheets or in form of meltwater floods Younger Dryas event) (upper globe). 

Glacial mode or cold mode with NADW forming south of Iceland in the Irminger Sea (center)

Transitions between warm and cold modes of the Atlantic THC ­ Dansgaard­Oeschger (D/O)(lower) dramatic warm 8 to 16oC within a decade over Greenland

Figure source : S. Rahmstorf, Thermohaline Ocean Circulation.          Encyclopedia of Quaternary Sciences, 2006

The future of the THC

Global warming can affect the THC in two ways: surface warming and surface freshening, both reducing the density of high­latitude surface waters & deep water formation. 

Most models predict a significant weakening of NADW formation (by 20­50%) in response to anthropogenic global warming during the 21st century [IPCC, 2001]. Some also find a reduction in AABW formation.

A major weakening or shut­down of NADW formation could have serious impacts on marine ecosystems, sea level and surface climate, including a shift in ITCZ & tropical rainfall belts. 

● Using the climate model HadCM3 by applying the GHG effect as same as today, forecasted the THC shutdown in the 2050s.

● Cooling of the NH of −1.7  C◦

● Most tend to affecttemperatures over landin north­western Europe(Scandinavia, Britain) byseveral degrees, others showstrong cooling further west.

● SH warming

In 2050s

Figure source : Vellinga and Wood, Impacts of thermohaline circulation          shutdown in the twenty­first century, 2008

Change in surface air temperature during years 20­30 after the collapse of the THC. 

● The meridional overturning circulation (MOC) refers to the north­south flow as a function of latitude and depth.

● MOC describing a meridional flow field, a mix of both wind­driven and thermohaline­flow, often integrated in east­west direction across an ocean basin or the globe and graphically depicted as a stream function.

● THC associated with zonal overturning cells and it describing the influence of cooling or freshwater forcing on the ocean circulation.

MOC

• Atmospheric and oceanic circulationis about transporting heat from theequator to the poles.

• The maximum energy transport is similar.Oceans peak at 20°N

• A direct effect: The atmosphere isheated from the bottom,air column becomesunstable and rises.

Transporting the heat to the poles

Figure source: The Earth System. Kump,Casting and Crane, 2004

Northward heat transport across each latitude(1PW=10^15W)

● On time­scale of months or years Oceans are vast reservoir of heat and will regulate the climate by heating or cooling the atmosphere (hurricanes / El Niño).

● On longer time­scale it is the large heat transport (~1PW) of the deep circulation that could change the climate.

● Oceans can absorb heat in one region and restore it to the atmosphere (perhaps decades or centuries later) at a quite different place.

● A THC collapse is seen to have happen in the past. It is widely discussed as one of a number of "low probability ­ high impact" risks associated with global warming.

Role of Oceans in Climate variations

References

[1] Wallace S. Broecker, James P. Kennett, Benjamin P. Flower, James T. Teller, Sue Trumbore,       Georges Bonani, and Willy Wolfli. Routing of meltwater from the laurentide ice sheet       during the younger dryas cold episode. Nature, 341(6240):318–321, September 1989. 

[2] Peter U. Clark, Nicklas G. Pisias, Thomas F. Stocker, and Andrew J. Weaver.  The role of       the thermohaline circulation in abrupt climate change. Nature, 415(6874):863–869,       February 2002. 

[3] J. F. McManus, R. Francois, J. M. Gherardi, L. D. Keigwin, and S. Brown­Leger. Collapse      and rapid resumption of atlantic meridional circulation linked to deglacial climate       changes. Nature, 428(6985):834–837, April 2004.

[4] Michael Vellinga and RichardA Wood. Impacts of thermohaline circulation shutdown in       the twenty­first century. Climatic Change , 91(1­2):43–63+, 2008.

[5] S. Rahmstorf, S. A. Elias. Elsevier and Amsterdam. Thermohaline Ocean Circulation.         Encyclopedia of Quaternary Sciences, 2006.

Thank you