Пикноклин
| Водные слои |
|---|
| Стратификация |
| См. также |
Пикноклин где — это клин или слой, плотности градиент ( ∂ ρ / ∂ z ) наибольшая в водоеме. Океанское течение создается такими силами, как прибойные волны, разница температур и солености , ветер, эффект Кориолиса и приливы, вызванные гравитационным притяжением небесных тел. Кроме того, физические свойства пикноклина, обусловленные градиентами плотности, также влияют на потоки и вертикальные профили в океане . Эти изменения могут быть связаны с переносом тепла, соли и питательных веществ через океан, а диффузия пикноклина контролирует апвеллинг. [1]
Ниже перемешанного слоя стабильный градиент плотности (или пикноклин) разделяет верхнюю и нижнюю часть воды, препятствуя вертикальному переносу. [2] Это разделение имеет важные биологические последствия для океана и морских живых организмов. Однако вертикальное перемешивание в пикноклине является обычным явлением в океанах и происходит из-за турбулентности , вызванной сдвигом . [3] Такое смешивание играет ключевую роль в транспортировке питательных веществ. [4]
Физическая функция
[ редактировать ]Турбулентное перемешивание, создаваемое ветрами и волнами, переносит тепло вниз от поверхности. В низких и средних широтах это создает на поверхности перемешанный слой воды почти одинаковой температуры, глубина которого может составлять от нескольких метров до нескольких сотен метров. Ниже этого перемешанного слоя, на глубинах 200–300 м в открытом океане, температура начинает быстро снижаться примерно до 1000 м. Слой воды, внутри которого температурный градиент наиболее крутой, известен как постоянный термоклин . [5] Разница температур в этом слое может достигать 20°C, в зависимости от широты. Постоянный термоклин совпадает с изменением плотности воды между более теплыми поверхностными водами с низкой плотностью и нижележащими холодными плотными придонными водами. Область быстрого изменения плотности известна как пикноклин и действует как барьер для вертикальной циркуляции воды; таким образом, это также влияет на вертикальное распределение некоторых химических веществ, которые играют роль в биологии морей. Резкие перепады температуры и плотности также могут ограничивать вертикальные перемещения животных. [6]
Сезонность
[ редактировать ]Хотя общая структура пикноклина, описанная выше, верна, пикноклины могут меняться в зависимости от сезона. Зимой температура поверхности моря ниже, а волны, как правило, больше, что в некоторых случаях увеличивает глубину смешанного слоя даже до главного термоклина/пикноклина. [7]
Летом более высокие температуры, таяние морского и материкового льда, а также увеличение солнечного света приводят к повышению температуры поверхностного слоя океана. Этот слой расположен поверх большого зимнего смешанного слоя, который был создан ранее, и образует сезонный пикноклин над основным пикноклином, при этом зимний смешанный слой становится градиентом более низкой плотности, называемым пикностад. Поскольку времена года снова начинают меняться, чистая потеря тепла из поверхностного слоя и продолжающееся перемешивание ветром разрушают сезонный пикноклин до следующего лета. [7]
Изменения с широтой
[ редактировать ]Хотя температура и соленость влияют на плотность, одно может иметь больший эффект, чем другое, в зависимости от широтного региона. В тропиках и средних широтах поверхностная плотность всех океанов зависит от температуры поверхности, а не от солености поверхности. На самых высоких широтах выше 50 ° поверхностная плотность во всех океанах зависит от солености больше, чем от температуры, поскольку температура постоянно находится вблизи точки замерзания. [7]
В низких и средних широтах постоянный пикноклин существует на глубинах 200–1000 м. В некоторых крупных, но географически ограниченных субтропических регионах, таких как Саргассово море в Атлантике , существуют два постоянных термоклина с слоем нижней вертикальной стратификации, называемым термостадом, разделяющим их. Это явление отражается на плотности из-за сильной зависимости плотности от температуры океана; С постоянными термоклинами связаны два постоянных пикноклина, а эквивалентная термостаду плотность называется пикностадой. [7]
В приполярных и полярных регионах поверхностные воды круглый год намного холоднее из-за широты и намного преснее из-за таяния морского и материкового льда, большого количества осадков и стока пресной воды, в то время как более глубокие воды довольно постоянны по всему земному шару. Из-за этого постоянного термоклина нет, но могут возникать сезонные термоклины. В этих областях существует постоянный галоклин, который является основным фактором, определяющим постоянный пикноклин. [7]
Биологическая функция
[ редактировать ]
Скорость роста фитопланктона контролируется концентрацией питательных веществ, а регенерация питательных веществ в море является очень важной частью взаимодействия между высшими и низшими трофическими уровнями . Разделение за счет образования пикноклина препятствует поступлению питательных веществ из нижнего слоя в верхний. Потоки питательных веществ через пикноклин ниже, чем через другие поверхностные слои. [8]
Микробная петля
[ редактировать ]Микробная петля — это трофический путь в пищевой сети морских микробов . Термин «микробная петля» был введен Азамом и соавт. питательных веществ морской экосистемы углерода и (1983) для описания роли, которую микробы играют в циклах , где растворенный органический углерод (DOC) возвращается на более высокие трофические уровни посредством включения в бактериальную биомассу, а также в сочетании с классической пищевой цепью, образованной фитопланктоном - зоопланктон - нектон .
В конце цветения фитопланктона, когда водоросли вступают в стадию старения, происходит накопление фитодетрита и повышенное выделение растворенных метаболитов. Именно в это время бактерии могут использовать эти источники энергии для размножения и создания резкого импульса (или цветения), следующего за цветением фитопланктона. Те же взаимоотношения между фитопланктоном и бактериями влияют на вертикальное распределение бактериопланктона. Максимальное количество бактерий обычно наблюдается в пикноклине, где фитодетрит накапливается, опускаясь из вышележащей эвфотической зоны . Там разложение бактериями способствует образованию минимальных слоев кислорода в стабильных водах. [9]
Дильская вертикальная миграция
[ редактировать ]Одной из наиболее характерных особенностей поведения планктона является вертикальная миграция, происходящая с 24-часовой периодичностью. Это часто называют суточной или суточной вертикальной миграцией . Вертикальное расстояние, пройденное за 24 часа, варьируется, обычно оно больше у более крупных видов и лучших пловцов. Но даже небольшие копеподы могут мигрировать на несколько сотен метров дважды за 24 часа, а более сильные пловцы, такие как эвфаузииды и пелагические креветки, могут преодолевать расстояние 800 м и более. [10] Глубинный диапазон миграции может быть ограничен наличием термоклина или пикноклина. Однако в пикноклине часто концентрируются фито- и зоопланктон, способные к суточной вертикальной миграции. [11] Кроме того, морские организмы, умеющие плавать через термоклин или пикноклин, могут испытывать сильные градиенты температуры и плотности, а также значительные изменения давления во время миграции.
Стабильность
[ редактировать ]Пикноклины становятся нестабильными, когда их число Ричардсона падает ниже 0,25. Число Ричардсона — безразмерная величина, выражающая отношение потенциальной энергии к кинетической. Это соотношение падает ниже 0,25, когда скорость сдвига превышает расслоение. Это может вызвать нестабильность Кельвина-Гельмгольца , приводящую к турбулентности, которая приводит к перемешиванию. [12]
Изменения глубины или свойств пикноклина можно смоделировать с помощью некоторых моделей компьютерных программ. Простой подход к этим моделям — изучить модель откачки Экмана , основанную на модели общей циркуляции океана (OCGM). [13]
Виды клин
[ редактировать ]- Термоклин — клин, основанный на разнице температур воды .
- Хемоклин – клин , основанный на различии химического состава воды .
- Галоклин – клин, основанный на разнице солености воды .
- Лютоклин – клина, воды основанная на разнице мутности .
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ананд Гнанадэсикан. 1999. Простая прогностическая модель структуры океанического пикноклина. Наука 283 (5410): 2077–2079.
- ^ Манн и Лазье (2006). Динамика морских экосистем. 3-е издание. Издательство Блэквелл. Глава 3.
- ^ Турбулентное перемешивание в стратифицированных жидкостях, Ежегодный обзор механики жидкости (1991)
- ^ Вертикальное смешивание и перенос через стратифицированный слой сдвига, Журнал физической океанографии (2001)
- ^ Кнаусс, Джон А. (1997). Введение в физическую океанографию. 2-е издание, Прентис-Холл. Глава 1
- ^ Лалли и Парсон (1993). Биологическая океанография: введение. Пергамская пресса. Глава 2.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и Тэлли, Линн Д.; Пикард, Джордж Л.; Эмери, Уильям Дж.; Свифт, Джеймс Х. (2011). Описательная физическая океанография: Введение (6-е изд.). Эльсервье. ISBN 978-0-7506-4552-2 .
- ^ Хейлз, Б., Хеберт, Д. и Марра, Дж. 2009. Турбулентное снабжение питательными веществами фитопланктона на границе шельфа Новой Англии. Журнал геофизических исследований. Том. 114, C05010, дои : 10.1029/2008JC005011 .
- ^ Лалли и Парсон (1993). Биологическая океанография: введение. Пергамская пресса. Глава 5.
- ^ Лалли и Парсон (1993). Биологическая океанография: введение. Пергамская пресса. Глава 4.
- ^ Хилл, А.Е. 1998. Дильская вертикальная миграция в стратифицированных приливных потоках: последствия для рассеивания планктона. Журнал морских исследований , том 56, стр. 1069–1096.
- ^ Расслоение плотности, турбулентность, но насколько сильное перемешивание? Ежегодный обзор механики жидкости (2008 г.)
- ^ Капотонди А., Александр М.А., Дезер К. и Миллер А. 2004. Низкочастотная изменчивость пикноклина в северо-восточной части Тихого океана. Американское метеорологическое общество. Том. 35, стр. 1403-1420.