Rapp. Comm. int. Mer Médit., 36,2001

69

Introduction

Vertical distribution of the potential temperature in the Black Sea

below the core of the Cold Intermediate Layer is characterised by a

gradual increase, approximately, down to 500 m. From 500 m to about

650 m, the potential temperature is quasi-uniform, both in the vertical

and horizontally [1]. Spatial variations within the layer do not exceed

0.005°C. The layer, same as the pycnocline, is dome shaped with. The

potential temperature vertical gradients within the layer are close to

zero or have small negative values in the centre of the sea, and have

small positive values over continental slopes. 

The structure and a comparative role of the sources of heat in main-

taining the observed temperature stratification in the interior of the

basin are not immediately clear.At the exit of the strait, the Marmara

Sea water constitutes a source of heat. However, over the shelf, the

effluent comes into direct contact with the Black Sea waters. Through

mixing with the Cold Intermediate Water, the temperature of the

Marmara Sea water decreases from 14°C at the exit of the strait to

about 8°C at the shelf edge [2]. 

What is an average integrated effect of the upper layer on the ther-

mal regime of the effluent? Ozsoyet al. [3] have shown that, due to

entrainment, the ?owing down ?uid can become cooler than the waters

of the thermohalocline, and relatively cold (less saline) isopycnal

intrusions are well noticeable in the depth range 100 – 500 m.

However, a continuously cooled thermocline could not be stationary.

On the other hand, observations do not reveal any trends in the ther-

mohaline properties of the Black Sea on a century scale [4] suggesting

stationarity of the system. Our paper is an attempt to resolve this con-

tradiction, and to explain the peculiar thermal structure of the Black

Sea in the framework of a one-dimensional stationary model. The

objective of the work is to estimate contribution of different sources of

heat in the formation of the Black Sea water column thermal structure. 

Formulation of the model. We consider a stationary one-dimension-

al model based on mass, salt and heat balances for the Black Sea. The

uppermost layer of the sea is excluded from our consideration. This

does not need a special justification because inputs of salt occur only

below a certain depth. The lower boundary of the uppermost layer is

set at the upper boundary of the Bosphorus in?ow. Since the Black Sea

is characterised by steep continental slopes one may suggest that the

considered processes take place in a basin with vertical boundaries and

a plane bottom. 

The domains of the plume and of the interior are distinguished in

the basin. The in?uence of the plume on the interior is realised in the

form of a source or sink of water distributed over the vertical. At the

upper boundary we set a source of water with the volume transport of

the Bosphorus in?ow.This source of water determines vertical veloc-

ity in the interior domain. In the vertical, the system consists of three

layers. In the first layer, the interaction of the water masses of the

plume and of the interior occurs as pure entrainment of the ambient

?uid to the in?ow.The second layer models the thermohalocline, inter-

mediate and deep layer.The interaction between the plume and the

interior in this layer is characterised by disintegration of the plume

through the formation of isopycnal intrusions. A separate examination

of the ?uxes in the third layer is necessary to tune the model. This

layer is the Bottom Homogeneous Layer.Thus, the third phase of the

plume – interior interaction is characterised by a ?ow down of a

‘remainder part’of the plume into BHL, and its subsequent mixing

within the layer by thermal convection.To sustain stationarity of the

system the amount of salt that penetrates into BHL is set in agreement

with the outward salt ?ux across the upper boundary of the layer.The

conditions of continuity of heat, salt and water ?uxes hold at the

boundaries between the layers. 

The vertical exchange in the interior domain of the basin has two

components. The advective transport occurs due to the existence of the

vertical velocity, , determined, in its turn, by the lateral source of

water.The diffusive transport is maintained by the mechanism of tur-

bulent diffusion in the pycnocline and intermediate layer, by double

diffusion at the top boundary of BHL and by convective mixing in

BHL. Conceptually the exchange processes modelled here were basi-

cally described by Ozsoyet al. [3].

Results

The approach to the solution of the problem was found useful to

reveal the role of the geothermal heat ?ux in the formation of the

thermal structure of the deep part of the water column of the Black

Sea. It is shown that the Marmara Sea water down?ow is a warm water

pattern above 500 m. Below, the plume penetrates further downward

as a cold water pattern. Thus, the lateral source of heat, together with

the geothermal heat ?ux, determines the thermal regime of the Black

Sea.

The calculated total vertical heat ?ux out of the Black Sea thermo-

halocline is, approximately, 17 times the value of the geothermal heat

?ux. Consequently, on average, the plume warms up the interior

domain of the sea. Estimating the upward heat ?uxes at 500 m we got

a negligibly small value, 20 times less than a value for the geothermal

heat ?ux. Consequently, the geothermal heat is almost entirely spent

below 500 m in compensation for the negative lateral heat ?ux. Model

results thus shed light on the nature of the conspicuous quasi-isother-

mal layer observed in the Black Sea in the layer, approximately, from

500 to 650 m. 

Acknowledgments.This is a contribution to INTAS project # 99-01710.

References.

1. Murray, J.M., Top, Z., Ozsoy, E., 1991. Hydrographic properties and

ventilation of the Black Sea. Deep-Sea Res., 38, Suppl. 2A: 663 – 689.

2. Ozsoy, E., Unluata, U., 1997. Oceanography of the Black Sea: a

review of some recent results. Earth-Science Reviews, 42: 231-272. 

3. Ozsoy, E., U.Unluata, Z.Top, 1993. The evolution of Mediterranean

water in the Black Sea: interior mixing and material transport by double

diffusive intrusions. Progress in Oceanography, 31: 275-320.

4. Ivanov, L.I., Belokopytov,V., Ozsoy, E., Samodurov,A., 2000.

Ventilation of the Black Sea Pycnocline on Seasonal and Interannual

Time Scales. Journal of Mediterranean Marine Science, 1 / 2: 61-74.

THE BLACK SEA THERMAL STRUCTURE 

L.I. Ivanov*, A.S., Samodurov,

*Marine Hydrophysical Institute, Ukrainian National Academy of Sciences, Sevastopol, Ukraine -max777@ukrcom.sebastopol.ua

Abstract

A peculiar thermal structure of the Black Sea is characterised by a gradual increase of temperature interrupted by a quasi-isothermal layer

from 500 to 650-m. A stationary one-dimensional model is applied to explain the existence of this layer. It is shown that the total upward

heat ?ux from the Black Sea thermocline notably exceeds the value of the geothermal heat revealing the dependence on thermal proper-

ties of the Bosphorus in?ow.The geothermal heat is important below the quasi-isothermal layer where the in?ow is a cold water pattern

compared with the bulk water mass. 

Key words: Black Sea, temperature, vertical profile, models.