Эдди накачивает
Вихревая накачка является компонентом вихрями вызванного мезомасштабного вертикального движения океана , . Это физический механизм, посредством которого вертикальное движение создается за счет изменений силы вращения вихря. Циклонические ( антициклонические ) вихри приводят преимущественно к апвеллингу ( даунвеллингу ). Это ключевой механизм, управляющий биологическими и биогеохимическими процессами в океане, такими как цветение водорослей и углеродный цикл .
Механизм
[ редактировать ]
Водовороты обладают эффектом повторного расслаивания , что означает, что они имеют тенденцию организовывать воду слоями разной плотности. Эти слои разделены поверхностями, называемыми изопикнальными . Повторная стратификация смешанного слоя наиболее сильна в регионах с большими горизонтальными градиентами плотности, известных также как «фронты», где геострофический сдвиг и потенциальная энергия обеспечивают источник энергии, из которого могут расти бароклинные и симметричные нестабильности . [ 2 ] Ниже смешанного слоя область быстрого изменения плотности (или пикноклин ) разделяет верхнюю и нижнюю воду, препятствуя вертикальному переносу.

Вихревая накачка является компонентом мезомасштабного вертикального движения, вызванного вихрями. Такое вертикальное движение вызвано деформацией пикноклина. Это можно концептуализировать, предположив, что океанская вода имеет поверхность плотности со средней глубиной, усредненной во времени и пространстве. Эта поверхность отделяет верхний океан, соответствующий эвфотической зоне , от нижнего, глубоководного океана . При прохождении вихря поверхность такой плотности деформируется. В зависимости от фаз существования вихря это будет создавать вертикальные возмущения в разных направлениях. Продолжительность жизни вихря делится на формирование, эволюцию и разрушение. Вихревые возмущения бывают трех типов:
- Циклоны
- Антициклоны
- Режим-водовороты
Вихревой подход
[ редактировать ]Модовые водовороты имеют сложную плотностную структуру. Из-за своей формы их нельзя отличить от обычных антициклонов при вихрецентрическом (сфокусированном на ядре вихря) анализе, основанном на высоте уровня моря . Тем не менее, вихревая накачка, вызывающая вертикальное движение в эвфотической зоне модовых вихрей, сравнима с циклонами. По этим причинам объясняются только циклонический и антициклонический механизмы вихревых возмущений.
Концептуальное объяснение, основанное на уровне поверхности моря.
[ редактировать ]Интуитивное описание этого механизма определяется как вихрецентрический анализ, основанный на уровне поверхности моря. [ 3 ] В северном полушарии вращение против часовой стрелки в циклонических вихрях создает расхождение горизонтальных поверхностных течений из-за эффекта Кориолиса , что приводит к увлажнению водной поверхности. Чтобы компенсировать неоднородность высоты поверхности, изопикнальные поверхности поднимаются в сторону эвфотической зоны, и может происходить включение глубоководных вод океана, богатых питательными веществами. [ 4 ]
Физическое объяснение
[ редактировать ]Концептуально вихревая накачка связывает вертикальное движение внутри вихрей с временными изменениями относительной завихренности вихрей. [ 3 ] Вертикальное движение, создаваемое изменением завихренности, объясняется характеристиками воды, содержащейся в ядре вихря. Циклонические вихри вращаются против часовой стрелки (по часовой стрелке) в Северном (Южном) полушарии и имеют холодное ядро. Антициклонические вихри вращаются по часовой стрелке (против часовой стрелки) в Северном (Южном) полушарии и имеют теплое ядро. Разница температуры . и солености между ядром вихря и окружающими водами является ключевым элементом, вызывающим вертикальное движение Распространяясь в горизонтальном направлении, циклоны и антициклоны «выгибают» пикноклин вверх и вниз соответственно, вызванные этим несоответствием температуры и солености. Степень вертикального возмущения поверхности плотности внутри вихря (по сравнению со средней поверхностью плотности океана) определяется изменениями вращательной силы (относительной завихренности) вихря. [ 5 ]
Если игнорировать горизонтальную адвекцию в уравнении сохранения плотности , то изменения плотности из-за изменений завихренности могут быть напрямую связаны с вертикальным переносом. Это предположение согласуется с идеей вертикального движения, происходящего в центре вихря, что соответствует изменениям идеально кругового потока. [ 6 ]

Посредством такого механизма вихревая накачка вызывает подъем холодных, богатых питательными веществами глубинных вод в циклонических вихрях и опускание теплых, бедных питательными веществами поверхностных вод в антициклонических вихрях.

Зависимость от фазы продолжительности жизни
[ редактировать ]Водовороты со временем ослабевают из-за рассеивания кинетической энергии . По мере формирования и усиления вихрей упомянутые выше механизмы будут усиливаться, а поскольку увеличение относительной завихренности порождает возмущения изопикнальных поверхностей, пикноклин деформируется. С другой стороны, когда вихри стареют и несут низкую кинетическую энергию , их завихренность уменьшается и приводит к разрушению вихрей. Такой процесс препятствует образованию и интенсификации вихрей, поскольку пикноклин вернется в исходное положение до деформации, вызванной вихрями. Это означает, что пикноклин будет подниматься в антициклонах и сжиматься в циклонах, что приводит к апвеллингу и нисхождению соответственно. [ 3 ]
Характеристики вихревой накачки
[ редактировать ]Направление вертикального движения в циклонических и антициклонических вихрях не зависит от полушария. Наблюдаемые вертикальные скорости вихревой накачки составляют порядка одного метра в сутки. Однако существуют региональные различия. В регионах, где кинетическая энергия выше, например, в западном пограничном течении , вихри генерируют более сильные вертикальные течения, чем вихри в открытом океане . [ 7 ]
Ограничения
[ редактировать ]При описании вертикального движения в вихрях важно отметить, что вихревая накачка — лишь один из компонентов сложного механизма. Еще одним важным фактором, который следует учитывать, особенно при рассмотрении взаимодействия океана и ветра, является роль, которую играет вихревая накачка Экмана . [ 7 ] Некоторые другие ограничения приведенного выше объяснения связаны с идеализированной, квазикруговой линейной динамической реакцией на возмущения, которая не учитывает вертикальное смещение, которое может испытывать частица, двигаясь вдоль наклонной нейтральной поверхности. [ 5 ] Вертикальное движение в вихрях — довольно недавняя тема исследований, которая до сих пор имеет ограничения в теории как из-за сложности, так и из-за отсутствия достаточных наблюдений. Тем не менее, представленное выше является упрощением, которое помогает частично объяснить важную роль, которую вихри играют в биологической продуктивности, а также их биогеохимическую роль в углеродном цикле.
Биологическое воздействие
[ редактировать ]Недавние результаты показывают, что мезомасштабные водовороты, вероятно, играют ключевую роль в переносе питательных веществ, например, в пространственном распределении концентрации хлорофилла , в открытом океане. [ 8 ] Однако все еще заметен недостаток знаний о влиянии активности вихрей, поскольку утверждается, что вклад вихрей недостаточен для поддержания наблюдаемой первичной продукции за счет поступления азота в некоторых частях субтропического круговорота . [ 9 ] Хотя механизмы, посредством которых вихри формируют экосистемы, еще не до конца изучены, вихри переносят питательные вещества посредством сочетания горизонтальных и вертикальных процессов. Перемешивание и улавливание связаны с переносом питательных веществ, тогда как вихревая перекачка, вихревая перекачка Экмана и вихревые воздействия на глубину смешанного слоя изменяют питательные вещества. [ 3 ] Здесь обсуждается роль вихревой накачки.
Циклоническая вихревая перекачка стимулирует новую первичную продукцию, поднимая богатые питательными веществами воды в эвфотическую зону. Полное использование поднятых питательных веществ гарантируется двумя основными факторами. Во-первых, биологическое поглощение происходит в сроки, которые намного короче, чем среднее время жизни водоворотов. Во-вторых, поскольку увеличение количества питательных веществ происходит внутри водоворота, изолированного от окружающих вод, биомасса может накапливаться до тех пор, пока питательные вещества, поднятые вверх, не будут полностью израсходованы. [ 7 ]
Основные примеры
[ редактировать ]Доказательства биологического воздействия механизма вихревой накачки представлены в различных публикациях, основанных на наблюдениях и моделировании в различных местах по всему миру. Вихревоцентрические аномалии хлорофилла наблюдались в районе Гольфстрима и у западного побережья Британской Колумбии ( водовороты Хайда ), а также вызванное вихрями усиленное биологическое производство в районе слияния Уэдделла и Скотии в Южном океане , в северной части Персидского залива. Аляски , в Южно-Китайском море , в Бенгальском заливе , в Аравийском море и в северо-западной части Альборанского моря , и это лишь некоторые из них. [ 7 ] По оценкам вихревой накачки в Саргассовом море , поток азота составлял от 0,24 до 0,5. . [ 10 ] [ 11 ] Эти количества были сочтены достаточными для поддержания уровня нового первичного производства, соответствующего оценкам для этого региона.
В более широком экологическом масштабе вызванные вихрями изменения продуктивности влияют на компромисс между выживанием личинок фитопланктона и численностью хищников. Эти концепции частично объясняют мезомасштабные вариации в распространении личинок голубого тунца , парусника , марлина , рыбы-меч и других видов. Распространение взрослых рыб также было связано с наличием циклонических вихрей. В частности, более высокая численность голубого тунца и китообразных в Мексиканском заливе и голубого марлина вблизи Гавайских островов связана с деятельностью циклонических вихрей. Подобные пространственные закономерности распространяются на морских птиц, замеченных в окрестностях водоворотов, в том числе на больших фрегатов в Мозамбикском проливе , а также на альбатросов , крачек и буревестников в южной части Индийского океана . [ 3 ]

Цветение водорослей в Северной Атлантике
[ редактировать ]Северное море является идеальным бассейном для формирования цветения водорослей или весеннего цветения благодаря сочетанию обильных питательных веществ и сильных арктических ветров, способствующих перемешиванию вод. Цветение является важным индикатором здоровья морской экосистемы.
Считается, что весеннее цветение фитопланктона инициируется сезонным увеличением освещенности и приповерхностной стратификацией. Недавние наблюдения в рамках субполярного эксперимента в Северной Атлантике. [ 13 ] а биофизические модели предполагают, что цветение может быть результатом стратификации, вызванной вихрями, и происходит на 20–30 дней раньше, чем это могло бы произойти из-за сезонных изменений. Эти открытия произвели революцию в понимании весеннего цветения. Более того, было показано, что вихревая накачка и вихревая накачка Экмана доминируют в биологических полях позднего и после цветения. [ 14 ]
Биогеохимия
[ редактировать ]Фитопланктон поглощает посредством фотосинтеза. Когда такие организмы умирают и опускаются на морское дно, поглощенный ими углерод сохраняется в глубинах океана посредством так называемого биологического насоса . Недавние исследования изучали роль вихревой накачки и, в более общем плане, вертикального движения в мезомасштабных вихрях в углеродном цикле. Фактические данные показали, что апвеллинги и даунвеллинги, вызванные вихревой накачкой, могут играть значительную роль в формировании способа хранения углерода в океане. Несмотря на то, что исследования в этой области только развиваются в последнее время, первые результаты показывают, что на долю вихрей приходится менее 5% общего годового экспорта фитопланктона в недра океана. [ 15 ]
Пластиковое загрязнение
[ редактировать ]Водовороты играют важную роль в распределении микропластика по поверхности океана. Благодаря своей конвергентной природе антициклонические вихри улавливают и транспортируют микропластик на поверхности моря вместе с питательными веществами, хлорофиллом и зоопланктоном. В субтропическом круговороте Северной Атлантики первое прямое наблюдение концентраций микропластика на поверхности моря между циклоническим и антициклоническим мезомасштабным вихрем показало повышенное накопление в последнем. [ 16 ] Накопление микропластика оказывает воздействие на окружающую среду из-за его взаимодействия с биотой. Первоначально плавучие пластиковые частицы (размером от 0,01 до 1 мм) погружаются ниже глубины климатологического смешанного слоя, главным образом, из-за биообрастания . В регионах с очень низкой продуктивностью частицы остаются в пределах верхней части перемешанного слоя и могут опускаться ниже него только в случае весеннего цветения. [ 17 ]
См. также
[ редактировать ]- Цветение водорослей – быстрое увеличение или накопление популяции водорослей в пресноводных или морских водных системах.
- Бароклинная неустойчивость - гидродинамическая неустойчивость фундаментального значения в атмосфере и океане.
- Насос Экмана - Насос Экмана - это компонент транспорта Экмана, который приводит к образованию зон опускания воды из-за схождения воды.
- Хайдаские водовороты - эпизодические океанские водовороты, вращающиеся по часовой стрелке, образующиеся зимой у западного побережья Британской Колумбии.
- Мезомасштабные океанские водовороты - завихрения в океане, созданные его турбулентной природой.
- Весеннее цветение – сильное увеличение численности фитопланктона, которое обычно происходит ранней весной.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Нибал (09.10.2014). «Прогнозируемые изменения в тропической части Тихого океана» . СлайдСерв . Проверено 19 марта 2022 г.
- ^ Томас, Лейф; Феррари, Рафаэле (01 ноября 2008 г.). «Трение, фронтогенез и расслоение поверхностного смешанного слоя» . Журнал физической океанографии . 38 (11): 2501–2518. Бибкод : 2008JPO....38.2501T . дои : 10.1175/2008jpo3797.1 . hdl : 1912/4060 . ISSN 1520-0485 .
- ^ Jump up to: а б с д и Макгилликадди, Деннис Дж. (3 января 2016 г.). «Механизмы физико-биолого-биогеохимического взаимодействия на мезомасштабе океана» . Ежегодный обзор морской науки . 8 (1): 125–159. Бибкод : 2016ARMS....8..125M . doi : 10.1146/annurev-marine-010814-015606 . hdl : 1912/7530 . ISSN 1941-1405 . ПМИД 26359818 .
- ^ Ли, Цзюньмин; Ци, Ицюань; Цзин, Чжию; Ван, Цзя (апрель 2014 г.). «Усиление вихревой накачки-Экмана внутри антициклонических вихрей с расширением параллельно ветру: спутниковые наблюдения и численные исследования в Южно-Китайском море» . Журнал морских систем . 132 : 150–161. Бибкод : 2014JMS...132..150L . дои : 10.1016/j.jmarsys.2014.02.002 . ISSN 0924-7963 .
- ^ Jump up to: а б Он, Цинъю; Чжан, Хайган; Цай, Шукун; Чжа, Гочжэнь (февраль 2016 г.). «Об асимметрии вызванных вихрями поверхностных аномалий хлорофилла в юго-восточной части Тихого океана: роль вихревой накачки-Экмана» . Прогресс в океанографии . 141 : 202–211. Бибкод : 2016Proce.141..202H . дои : 10.1016/j.pocean.2015.12.012 . ISSN 0079-6611 .
- ^ Нарделли, Бруно Буонджорно (октябрь 2013 г.). «Вихревые волны и вертикальное движение в мезомасштабном циклоническом вихре» . Журнал геофизических исследований: Океаны . 118 (10): 5609–5624. Бибкод : 2013JGRC..118.5609N . дои : 10.1002/jgrc.20345 . ISSN 2169-9275 .
- ^ Jump up to: а б с д Г., Гоб, Питер МакГилликадди, Деннис Дж. Челтон, Дадли Б. Беренфельд, Майкл Дж. Струттон, Питер (24 февраля 2015 г.). Региональные различия во влиянии мезомасштабных вихрей на приповерхностный хлорофилл . Джон Уайли и сыновья. OCLC 1130871102 .
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Макгилликадди, диджей; Робинсон, Арканзас; Сигел, Д.А.; Яннаш, Х.В.; Джонсон, Р.; Дики, ТД; Макнил, Дж.; Майклс, А.Ф.; Кнап, AH (июль 1998 г.). «Влияние мезомасштабных вихрей на новую продукцию в Саргассовом море» . Природа . 394 (6690): 263–266. Бибкод : 1998Natur.394..263M . дои : 10.1038/28367 . ISSN 1476-4687 . S2CID 4412679 .
- ^ Ошлис, Андреас; Гарсон, Вероника (июль 1998 г.). «Вызванное вихрями увеличение первичной продукции в модели северной части Атлантического океана» . Природа . 394 (6690): 266–269. Бибкод : 1998Natur.394..266O . дои : 10.1038/28373 . ISSN 1476-4687 . S2CID 4337454 .
- ^ Сигел, Дэвид А. (15 июня 1999 г.). «Мезомасштабные вихри, спутниковая альтиметрия и новая продукция в Саргассовом море». Журнал геофизических исследований . 104 (С6): 13359–13379. Бибкод : 1999JGR...10413359S . дои : 10.1029/1999JC900051 .
- ^ Макгилликадди, диджей; Робинсон, Арканзас (1 августа 1997 г.). «Поставка питательных веществ, вызванная вихрями, и новая продукция в Саргассовом море» . Глубоководные исследования. Часть I: Статьи океанографических исследований . 44 (8): 1427–1450. Бибкод : 1997DSRI...44.1427M . дои : 10.1016/S0967-0637(97)00024-1 . ISSN 0967-0637 .
- ^ «Цветение фитопланктона в Северной Атлантике» . Earthobservatory.nasa.gov . 26 мая 2010 г. Проверено 24 марта 2022 г.
- ^ «Эксперимент по цветению в Северной Атлантике» . apl.uw.edu . Проверено 24 марта 2022 г.
- ^ Диджей Макгилликадди-младший (1995). «Совместное физическое и биологическое моделирование весеннего цветения в Северной Атлантике (II): трехмерное цветение и процессы после цветения». Глубоководные исследования. Часть I: Статьи океанографических исследований . 42 (8): 1359–1398. Бибкод : 1995DSRI...42.1359M . дои : 10.1016/0967-0637(95)00035-5 .
- ^ Пренд, Ченнинг (20 сентября 2019 г.). «Насколько важен экспорт углерода океанскими водоворотами?» . океанские укусы . Проверено 24 марта 2022 г.
- ^ Брач, Лоран; Дейксонн, Патрик; Бернар, Мари-Франс; Дюран, Эдми; Дежан, Мари-Кристин; Перес, Эмиль; ван Себилле, Эрик; тер Галле, Александра (01 января 2018 г.). «Антициклонические вихри увеличивают накопление микропластика в субтропическом круговороте Северной Атлантики» . Бюллетень по загрязнению морской среды . 126 : 191–196. дои : 10.1016/j.marpolbul.2017.10.077 . hdl : 1874/358491 . ISSN 0025-326X . ПМИД 29421088 . S2CID 46848531 .
- ^ Фишер, Рейнт; Лобель, Дельфина; Коой, Мерель; Кёлманс, Альберт; Онинк, Виктор; Лауфкоттер, Шарлотта; Амарал-Зеттлер, Линда; Юл, Эндрю; ван Себилле, Эрик (27 сентября 2021 г.). «Моделирование погруженных в воду микропластиков с биообрастанием и их вертикальных траекторий» . Дискуссии по биогеонаукам : 1–29. дои : 10.5194/bg-2021-236 . ISSN 1726-4170 . S2CID 244217444 .