Океанический физико-биологический процесс

Морская вода в 827 раз плотнее воздуха.

Из-за более высокой плотности морской воды (1030 кг м ⁻³ ), чем воздух (1,2 кг м ⁻³ ), сила, действующая на организм с той же скоростью, в океане в 827 раз сильнее. Когда волны разбиваются о берег, сила, действующая на прибрежные организмы, может достигать нескольких тонн.

Роль воды

Вода образует океан, создает жидкую среду высокой плотности и сильно влияет на океанические организмы.

1. Морская вода придает плавучесть и обеспечивает поддержку растениям и животным. Вот почему в океане организмы могут быть такими огромными, как синий кит и макрофиты . А плотность или жесткость океанических организмов относительно низка по сравнению с таковыми у наземных видов. Водная среда позволяет организму быть мягким, водянистым и огромным. Быть водянистым и прозрачным — успешный способ избежать нападения хищников.

1. Морская вода может предотвратить высыхание, хотя она намного более соленая, чем пресная вода. Для океанического организма, в отличие от наземных растений и животных, вода никогда не является проблемой.
2. Морская вода доставляет океаническим организмам кислород и питательные вещества, что позволяет им вести планктонный или оседлый образ жизни. Растворенные минералы и кислород движутся токами/циркуляциями. Океанические растения и животные легко улавливают то, что им нужно для повседневной жизни, что делает их «ленивыми» и «медленными».
3. Морская вода удаляет отходы животных и растений. Морская вода чище, чем мы можем себе представить. Из-за огромного объема океана отходы, производимые океаническими организмами и даже деятельностью человека, вряд ли могут загрязнить морскую воду. Отходы – это не только «отходы», но и важный источник пищи. Бактерии реминерализуют и перерабатывают органическое вещество обратно в основную пищевую сеть океана.
4. Морские водные транспортные организмы, облегчающие захват пищи и оплодотворение. Многие оседлые донные организмы используют свои щупальца для ловли планктонной пищи.

Число Рейнольдса

Поток воды можно охарактеризовать как ламинарный или турбулентный. Ламинарный поток характеризуется плавным движением: соседние частицы, переносимые таким потоком, будут следовать по одинаковым траекториям. В турбулентном потоке преобладают рециркуляция, завитки, водовороты и кажущаяся хаотичность. В таком потоке частицы, которые в какой-то момент являются соседями, впоследствии могут оказаться далеко разделенными.

Число Рейнольдса — это отношение сил инерции к силам вязкости. По мере увеличения размера организма и силы течения силы инерции со временем будут доминировать, и поток станет турбулентным (большое Re). По мере уменьшения размера и прочности вязкие силы в конечном итоге доминируют и течение становится ламинарным (малое Re).

С биологической точки зрения существует важное различие между планктоном и нектоном. Планктон — это совокупность относительно пассивных организмов, плавающих или дрейфующих по течению, таких как крошечные водоросли и бактерии, маленькие яйца и личинки морских организмов, а также простейшие и другие мелкие хищники. Нектон – совокупность активно плавающих организмов, способных передвигаться независимо от водных течений, таких как креветки, кормовые рыбы и акулы.

Как правило, планктон мал и, если он вообще плавает, то делает это при биологически низких числах Рейнольдса (от 0,001 до 10), где преобладает вязкое поведение воды и правилом являются обратимые потоки. Нектон, с другой стороны, крупнее и плавает с биологически высокими числами Рейнольдса (10 ³ до 10 ⁹ ), где инерционные потоки являются правилом и вихри (вихри) легко отделяются. Многие организмы, такие как медузы и большинство рыб, начинают жизнь как личинки и другие крошечные члены планктонного сообщества, плавая при низких числах Рейнольдса, но становятся нектоном, когда становятся достаточно большими, чтобы плавать при высоких числах Рейнольдса.

Принцип Бернулли

Принцип Бернулли гласит, что при невязком (без трения) течении увеличение скорости жидкости происходит одновременно с уменьшением давления или уменьшением потенциальной энергии жидкости.

Одним из результатов принципа Бернулли является то, что более медленный ток имеет более высокое давление. Этот принцип используется, например, некоторыми донными взвесными кормушками . Эти умные парни роют ямы, похожие на U-образные трубы, у которых один конец выше другого. Из-за сопротивления дна, когда вода течет по дну, нижнее отверстие трубки имеет более низкую скорость жидкости и, следовательно, более высокое давление, чем верхнее отверстие трубки. Питатель бентосной суспензии может прятаться в трубке, поскольку разница давлений между концами трубки пропускает воду и взвешенные частицы через трубку.

Формы тела многих донных существ также основаны на принципе Бернулли, который не только уменьшает трение и сопротивление, но и создает подъемную силу, когда они движутся сквозь течение.

Тащить

Большая белая акула

Сопротивление — это тенденция объекта двигаться в направлении потока. Величина сопротивления зависит от скорости течения, формы и размера организма, а также плотности жидкости. Сопротивление — это диссипативный процесс, который обычно приводит к выделению тепла.

В морской воде сопротивление можно разложить на две разные формы: поверхностное трение и сопротивление давления.

1. Кожное трение: как и другие силы трения, кожное трение является следствием относительного движения между поверхностью организмов и их жидкой средой. В условиях низкого Re, когда доминируют силы вязкости, поверхностное трение очевидно и имеет более важное значение, хотя оно присутствует и в условиях высокого Re.
2. Сопротивление давления: сопротивление давлению является результатом разницы давления перед и позади организма. Кстати, форма, имеющая наименьший коэффициент сопротивления давлению, представляет собой полую полусферу, ориентированную по направлению потока жидкости. В океанической среде тела растений и оседлых животных мягкие и гибкие, что позволяет минимизировать воздействие сопротивления давлению.

Помимо мягкости и гибкости, у организмов есть и другие способы минимизировать сопротивление.

• Гладкая кожа: на коже дельфинов есть небольшие капли слез, которые удерживают некоторое количество воды, поэтому вода течет по захваченной воде. Кожа становится мягкой и шелушащейся и линяет каждые два часа. Это помогает дельфинам плавать в морской воде на высокой скорости.
• Кожа акулы: поверхность кожи акулы покрыта крошечными «зубами» или кожными зубчиками . Форма и расположение этих зубчиков различаются по всему телу акулы, изменяя поток воды таким образом, чтобы минимизировать сопротивление формы.
• Кожа барракуды: Барракуда имеет сотни кожных каналов, которые заставляют потоки жидкости следовать по параллельным трубкам и становиться ламинарными. Опять же, такое расположение снижает сопротивление воды.