Ленгмюровское кровообращение

Ленгмюровское кровообращение

Белые полосы в этой лагуне возникли из-за Ленгмюровской циркуляции.

Эти линии саргассума могут простираться на многие мили вдоль поверхности. Скопления плавающих водорослей часто концентрируются сильными ветрами и волнами, связанными с Гольфстримом .

В физической океанографии ленгмюровская циркуляция состоит из серии мелких, медленных, вращающихся в противоположных направлениях вихрей на поверхности океана, ориентированных по ветру.Эти циркуляции возникают, когда ветер устойчиво дует над морской поверхностью. Ирвинг Ленгмюр обнаружил это явление после наблюдения за волнами водорослей в Саргассовом море в 1927 году. Ленгмюровские циркуляции циркулируют внутри смешанного слоя ; однако пока не так ясно, насколько сильно они могут вызвать перемешивание у основания перемешанного слоя.

Теория

Движущей силой этих циркуляций является взаимодействие среднего течения с волноосредненными потоками поверхностных волн. Скорость стоксова дрейфа волн растягивает и наклоняет завихренность потока вблизи поверхности.Образование завихренности в верхних слоях океана уравновешивается нисходящей (часто турбулентной) диффузией. $\nu _{T}$.Для потока, гонимого ветром $\tau$ характеризуется скоростью трения $u_{*}$ соотношение диффузии и производства завихренности определяет число Ленгмюра

$$\mathrm {La} ={\sqrt {\frac {\nu _{T}^{3}k^{6}}{\sigma a^{2}u_{*}^{2}k^{4}}}}~{\text{ or }}~{\sqrt {\frac {\nu _{T}^{3}\beta ^{6}}{u_{*}^{2}S_{0}\beta ^{3}}}}$$

где первое определение относится к монохроматическому волновому полю амплитуды $a$, частота $\sigma$и волновое число $k$ а второй использует общую обратную шкалу длины $\beta$, и масштаб скорости Стокса $S_{0}$.Примером этого являются уравнения Крейка – Лейбовича. которые являются аппроксимацией среднего лагранжа . В приближении Буссинеска основные уравнения можно записать

$${\frac {\partial u_{i}}{\partial t}}+u_{j}\,\nabla _{j}u_{i}=-2\varepsilon _{ijk}\Omega _{j}(u_{k}^{s}+u_{k})-\nabla _{i}\left({\frac {P}{\rho _{0}}}+{\frac {1}{2}}u_{j}^{s}u_{j}^{s}+u_{j}^{s}u_{j}\right)+\varepsilon _{ijk}u_{j}^{s}\varepsilon _{k\ell m}\,\nabla _{\ell }u_{m}+g_{i}{\frac {\rho }{\rho _{0}}}+\nabla _{j}\nu \,\nabla _{j}u_{i}$$

$$\nabla _{i}u_{i}=0$$

$${\frac {\partial \rho }{\partial t}}+u_{j}\,\nabla _{j}\rho =\nabla _{i}\kappa \,\nabla _{i}\rho$$

где

• $u_{i}$ скорость жидкости,
• $\Omega$ это вращение планеты,
• $u_{i}^{s}$ – скорость стоксова дрейфа поля поверхностных волн,
• $P$ это давление,
• $g_{i}$ ускорение свободного падения,
• $\rho$ плотность,
• $\rho _{0}$ - эталонная плотность,
• $\nu$ вязкость, а
• $\kappa$ это диффузионная способность.

В условиях открытого океана, где не может быть доминирующего масштаба длины, контролирующего масштаб ячеек Ленгмюра, концепция ленгмюровской турбулентности развивается.

Наблюдения

Было замечено, что циркуляция находится в пределах 0–20 ° вправо от ветра в северном полушарии. и спираль, образующая полосы расхождения и схождения на поверхности.В зонах конвергенции вдоль этих полос обычно встречаются скопления плавающих морских водорослей, пены и мусора.Вдоль этих расходящихся зон поверхность океана обычно свободна от мусора, поскольку расходящиеся течения вытесняют материал из этой зоны в соседние сходящиеся зоны.На поверхности циркуляция установит течение из зоны дивергенции в зону конвергенции, а расстояние между этими зонами составляет порядка 1–300 м (3–1000 футов).Ниже зон конвергенции образуются узкие струи нисходящего потока, а величина течения будет сравнима с горизонтальным потоком.Распространение вниз обычно составляет порядка метров или десятых метров и не проникает через пикноклин .Апвеллинг . менее интенсивен и протекает в более широкой полосе под зоной дивергенции При скорости ветра в диапазоне 2–12 м/с (6,6–39,4 фута/с) максимальная вертикальная скорость находится в диапазоне 2–10 см/с (0,79–3,94 дюйма/с), а соотношение нисходящего потока к скорости ветра варьируется в пределах от -0,0025 до -0,0085.

эффекты

Более высокая наветренная скорость в конвергентных зонах ячеек Ленгмюра

Ленгмюровские циркуляции (ЛЦ), представляющие собой вращающиеся в противоположных направлениях цилиндрические вихри в верхних слоях океана, играют важную роль в вертикальном перемешивании. Хотя они кратковременны и их сила, а также направление зависят от свойств ветра и волн, они способствуют перемешиванию питательных веществ и влияют на распределение морских организмов, таких как планктон, в верхнем перемешанном слое океана. Создаваемые ветром вихри создают области, в которых могут скопляться организмы с разной плавучестью , ориентацией и поведением при плавании, что приводит к неоднородности. Действительно, LC может вызывать значительное скопление водорослей во время таких явлений, как красный прилив . Теоретически размер ЖК увеличивается со скоростью ветра, если только он не ограничивается разрывами плотности пикноклином . Но видимость поверхностных эффектов ЖК может быть ограничена прибойными волнами во время сильных ветров, которые рассеивают материалы, присутствующие на поверхности. Таким образом, поверхностные эффекты LC с большей вероятностью будут заметны при ветре, превышающем критическую скорость ветра 3 м/с, но не слишком сильном.

PIV-векторы встречных вихрей

Более того, предыдущие исследования показали, что организмы и материалы могут агрегировать в разных регионах внутри LC, таких как нисходящий ток в конвергентной зоне, восходящий ток в дивергентной зоне, зона удержания в вихре LC и область между зонами восходящего и нисходящего потока. Аналогично, обнаружено, что LC имеют более сильное наветренное поверхностное течение в конвергентных зонах из-за струйного течения. Эта более быстро движущаяся сходящаяся область на поверхности воды может улучшить перенос организмов и материалов в направлении ветра.

Влияние на растения

Распределение частиц внутри ячеек Ленгмюра

В 1927 году Ленгмюр увидел организованные ряды Sargassum natans при пересечении Саргассова моря в Атлантическом океане . В отличие от активных пловцов, таких как животные и зоопланктон, растения и фитопланктон обычно являются пассивными объектами в воде, и их агрегация определяется поведением потока. В валках концентрированные планктонные организмы окрашивают воду и указывают на присутствие ЖК. Наблюдалась большая изменчивость жгутов планктона, собранных вдоль направления ветра, чем проб, собранных перпендикулярно ветру. И одна из причин таких изменений может быть связана с LC, что приводит к сближению (высокая выборка) или между зонами (низкая выборка) при движении вдоль ветра. Аналогичным образом, такой сходящийся эффект LC также наблюдался в виде зоны с высоким содержанием хлорофилла на высоте около 100 м в озере Тахо , что могло быть связано с косой буксировкой через LC. Кроме того, саргассумы переносятся с поверхности в бентос в зоне опускания ЛК и могут потерять плавучесть после погружения на глубину на достаточное время. Некоторые из растений, которые обычно наблюдаются плавающими в воде, могут погрузиться под воду во время сильного ветра из-за нисходящего течения LC. Кроме того, ЦК может также привести к пятнистости положительно плавучих динофлагеллят (включая токсичные организмы красного прилива ) во время цветения. Более того, было замечено, что фитопланктеры с отрицательной плавучестью, которые медленно тонут в стоячей воде, удерживаются в эвфотической зоне, что может быть связано с взвесью, создаваемой клетками вертикальной конвекции.

Более того, более широкое исследование суперячейок Ленгмюра, в которых циркуляция может достигать морского дна, выявило агрегацию макроводорослей Colpomenia sp. на морском дне мелководья (~5 м) на банке Грейт-Багама из-за местной скорости ветра от 8 до 13 м/с. Такие LC могут быть ответственны за перенос углеродной биомассы с мелководья в глубокое море . Этот эффект был очевиден, поскольку было обнаружено, что концентрация водорослей резко снизилась после появления LC, как это наблюдалось по спутниковым изображениям цвета океана ( НАСА ) в течение периода исследования. Такое скопление отрицательно плавучих макроводорослей на морском дне похоже на валки положительно плавучих частиц на поверхности воды из-за ЛЦ.

Влияние на животных

В то время как растения пассивно реагируют на LC, животные могут реагировать как на LC, так и на наличие агрегатов растения/пищи и на свет. Одним из таких наблюдений была адаптация Physalia к валкам, содержащим опутывающий саргассум . Физалии имеют тенденцию дрейфовать по валкам , что также увеличивает доступность пищи или зоопланктера в расходящихся зонах.

Более того, исследования в озере Мендота показали хорошую корреляцию между концентрацией Daphnia pulex и появлением линий пены. Аналогичным образом, значительные различия наблюдались в уловах Daphnia hyaline при отборе проб в пенопластовых линиях озера Южного Уэльса и за их пределами, при этом большее количество наблюдалось в зоне дивергенции. Такое распределение частиц и животных можно описать с помощью математической модели, разработанной Стоммелем, которая предполагает область удержания в зоне восходящего потока для тонущих частиц и в зоне нисходящего потока для частиц с положительной плавучестью. На самом деле зоопланктон может оказаться в ловушке в зонах апвеллинга до такой степени, что животные будут вынуждены плыть вниз. Позднее Ставн разработал более подробную модель, описывающую скопление зоопланктона, в которой ориентация животных, дорсальная реакция на свет и скорость течения определяли область их концентрации либо при нисходящем (из-за медленного течения), либо при апвеллинге (из-за сильного течения), либо в промежутке между последними. две зоны (за счет промежуточных токов). В таких моделях произошли дальнейшие улучшения, такие как модификация модели Стоммела, разработанная Титманом и Килхэмом, чтобы учесть разницу в максимальных скоростях нисходящего и апвеллинга. и Эванс и Тейлор, которые обсуждали нестабильность областей Стоммела из-за изменения скорости плавания в зависимости от глубины, что приводило к появлению спиральных траекторий, влияющих на область накопления.

Тем не менее, высокая концентрация планктонных организмов в пределах ЖК может привлекать птиц и рыб. Стаи белого окуня Roccus chrysops были замечены питающимися дафниями вдоль пенной дорожки. Напротив, мелкие фламинго Phoeniconaias major питались линиями пузырьков, содержащими концентрированные сине-зеленые водоросли . Аналогичным образом было обнаружено, что медузы собираются в линейную структуру (среднее расстояние 129 м) параллельно ветру в Беринговом море, что может быть связано с большими LC. Такая агрегация может влиять на питание и хищничество медуз .

Влияние на поверхностное натяжение

Высокая концентрация поверхностно-активных веществ (поверхностно-активных веществ), продуцируемых фитопланктоном, может приводить к усилению стресса Марангони в конвергентных областях ЖК. Численное моделирование показывает, что такой стресс Марангони, вызванный поверхностно-активным веществом, может увеличить размер вихревых структур, вертикальную скорость и повторное смешивание воды и биологических/химических компонентов в локальном регионе по сравнению с ситуацией без поверхностно-активного вещества.

Наконец, необходимы дополнительные теоретические и экспериментальные исследования, чтобы подтвердить значимость ЦК.

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с обращением Ленгмюра, на Викискладе?