Даунвеллинг
Даунвеллинг — это движение вниз части жидкости и ее свойств (например, солености, температуры, pH) внутри более крупной жидкости. Это тесно связано с апвеллингом — движением жидкости вверх.
Хотя даунвеллинг чаще всего используется для описания океанических процессов, он также используется для описания множества земных явлений. Сюда входит динамика мантии, движение воздуха и движение в пресноводных системах (например, в крупных озерах ). В этой статье основное внимание будет уделено океаническому даунвеллингу и его важным последствиям для циркуляции океана и биогеохимических циклов. Два основных механизма транспортировки воды вниз: сила плавучести с помощью ветра и перенос Экмана (т. е. насос Экмана). [1] [2]
Даунвеллинг имеет важные последствия для морской жизни . Поверхностные воды обычно имеют более низкое содержание питательных веществ по сравнению с глубинными водами из-за первичного производства с использованием питательных веществ в фотической зоне . Однако поверхностные воды содержат больше кислорода по сравнению с глубоководными океанскими водами из-за фотосинтеза и газообмена между воздухом и морем . Когда вода движется вниз, кислород закачивается под поверхность, где он используется разлагающимися организмами. [3] События даунвеллинга сопровождаются низкой первичной продукцией на поверхности океана из-за отсутствия поступления питательных веществ снизу. [3]
Механизмы
[ редактировать ]Плавучесть
[ редактировать ]плавучестью Опускание, вызванное , часто называемое конвекцией , представляет собой углубление водного участка из-за изменения плотности этого участка. Изменения плотности на поверхности океана в первую очередь являются результатом испарения , осадков , нагревания, охлаждения или поступления и смешивания альтернативных источников воды или солености, таких как приток реки или отвод рассола . Примечательно, что конвекция является движущей силой глобальной термохалинной циркуляции . Чтобы участок воды мог двигаться вниз, плотность этого участка должна увеличиться; следовательно, испарение, охлаждение и отвод рассола - это процессы, которые контролируют нисхождение, вызванное плавучестью. [1]
Ветряной транспорт Экмана
[ редактировать ]Транспорт Экмана — это чистый массовый перенос поверхности океана, возникающий в результате ветрового напряжения и силы Кориолиса . Когда ветер дует по поверхности океана, он вызывает силу трения, которая увлекает за собой самые верхние поверхностные воды. Из-за вращения Земли эти поверхностные течения развиваются под углом 45° к направлению ветра. Однако совокупность сил трения приводит к тому, что чистый перенос через слой Экмана составляет 90° вправо от напряжения ветра в Северном полушарии и 90° влево в Южном полушарии . Транспорт Экмана накапливает воду между пассатными и западными ветрами в субтропических круговоротах или у берега во время прибрежного даунвеллинга. [4] Увеличение массы поверхностных вод создает зоны высокого давления, которые толкают воду вниз. Он также может создавать длинные зоны конвергенции во время устойчивых ветров для создания ленгмюровской циркуляции .
Даунвеллинг, вызванный плавучестью
[ редактировать ]Плавучесть теряется из-за охлаждения, испарения и отторжения рассола из-за образования морского льда . Потеря плавучести происходит во многих пространственных и временных масштабах.
В открытом океане есть регионы, где ночью происходит охлаждение и углубление перемешанного слоя , а днем океан повторно стратифицируется. В годовых циклах осенью начинается повсеместное похолодание, а углубление конвективного перемешанного слоя может достигать сотен метров вглубь океана. Для сравнения, глубина ветроперемешанного слоя ограничена 150 м.
Сильные испарения могут вызвать конвекцию ; однако скрытая потеря тепла, связанная с испарением, обычно является преобладающей, и зимой этот процесс приводит к Средиземного моря образованию глубоководных вод . В некоторых местах — Гренландском море , Лабрадорском море , море Уэдделла и море Росса — глубокая конвекция (>1000 м) вентилирует ( насыщает кислородом ) большую часть глубинных вод мирового океана и приводит в движение термохалинную циркуляцию . [1]
Даунвеллинг, вызванный ветром
[ редактировать ]
Субтропические круговороты
[ редактировать ]Субтропические круговороты действуют в самых больших масштабах, какие мы наблюдаем при даунвеллинге. Ветры на севере и юге каждого океанского бассейна дуют навстречу друг другу, так что транспорт Экмана перемещает воду к центру бассейна. Это движение накапливает воду, создавая зону высокого давления в центре круговорота, низкого давления на границах и углубляет перемешанный слой . Вода в этой зоне распространилась бы наружу, если бы планета не вращалась. Однако из-за силы Кориолиса вода вращается по часовой стрелке в северном полушарии и против часовой стрелки в южном, создавая круговорот. Пока он вращается, вращающаяся зона высокого давления заставляет воду опускаться вниз, что приводит к нисходящему потоку. [4] Типичные скорости даунвеллинга, связанные с океанскими круговоротами, составляют порядка десятков метров в год. [5]
Прибрежный даунвеллинг
[ редактировать ]Прибрежный даунвеллинг возникает, когда ветры дуют параллельно берегу. При таких ветрах транспорт Экмана направляет движение воды в сторону берега или прямо от него. Если транспорт Экмана перемещает воду к берегу, береговая линия действует как барьер, вызывающий скопление поверхностных вод на берегу. Накопленная вода вытесняется вниз, закачивая теплую, бедную питательными веществами и насыщенную кислородом воду ниже смешанного слоя. [3] [4]
Ленгмюровское кровообращение
[ редактировать ]Ленгмюровская циркуляция развивается за счет ветра, который посредством переноса Экмана создает на поверхности океана чередующиеся зоны конвергенции и дивергенции. В конвергентных зонах, отмеченных длинными полосами скопления плавающего мусора , развиваются когерентные вихри, переносящие поверхностные воды к подошве перемешанного слоя. Кроме того, прямое движение ветра и сдвиг течений у основания смешанного слоя могут создать нестабильность и турбулентность , которые еще больше перемешивают свойства внутри и у основания. [6]
Ассоциация с другими особенностями океана
[ редактировать ]Эдди
[ редактировать ]
Мезо- (>10-100 км) и субмезомасштабные (<1-10 км) вихри являются повсеместными особенностями верхних слоев океана. Вихри имеют либо циклоническое ( холодное ядро ), либо антициклоническое ( теплое ядро ) вращение. Вихри с теплым ядром характеризуются антициклоническим вращением, которое направляет поверхностные воды внутрь, создавая высокую температуру и высоту поверхности моря. [7] Высокое центральное гидростатическое давление, поддерживаемое этим вращением, вызывает опускание воды и депрессию изопикнальных поверхностей постоянной плотности (см. Вихревую накачку ) на масштабах сотен метров в год. [8] Типичным результатом является более глубокий поверхностный слой теплой воды, часто характеризующийся низкой первичной продукцией . [9] [10]
Вихри с теплым ядром играют множество важных ролей в биогеохимическом цикле и взаимодействиях воздуха и моря. Например, считается, что эти вихри уменьшают образование льда в Южном океане из-за высоких температур поверхности моря. [11] Также было замечено, что потоки углекислого газа воздух-море уменьшаются в центре этих вихрей, и что температура была основной причиной этого замедленного потока. [12] Водовороты с теплым ядром переносят кислород вглубь океана (ниже световой зоны), который поддерживает дыхание . [13] Хотя такие соединения, как кислород, переносятся в глубины океана, наблюдается снижение экспорта углерода в вихрях с теплым ядром из-за усиленной стратификации в их центре. [14] Такая стратификация препятствует смешиванию богатых питательными веществами вод с поверхностью, где они могут способствовать первичному производству. В этом случае, поскольку первичное производство остается низким, потенциал экспорта углерода остается низким.
Фронты и нити
[ редактировать ]Океанские фронты образуются в результате горизонтального сближения разнородных водных масс. Они могут развиваться в регионах поступления пресной воды , отмеченных горизонтальными градиентами плотности из-за разницы солености и температуры или растяжения и удлинения вращающихся потоков. [15]
Субмезомасштабные фронты и волокна образуются в результате взаимодействия океанских течений и нестабильности потоков. Это регионы, соединяющие поверхностный слой и недра океана. [16] Эти регионы характеризуются горизонтальными градиентами плавучести в масштабе <10 км, вызванными наклонными изопикнами. Два основных механизма переноса поверхностных вод на глубину: адиабатический наклон и релаксация этих изопикн и вдоль изопикнальный поток или субдукция. [17] Эти механизмы могут переносить поверхностные свойства, такие как тепло , под смешанный слой и способствовать секвестрации углерода через биологический насос . [18] Численные модели предсказывают вертикальные скорости на субмезомасштабных фронтах порядка 100 м/день. [15] Однако с помощью океанских поплавков наблюдались вертикальные скорости более 1000 м/день . [19] Эти наблюдения редки, поскольку корабельные датчики не обладают достаточной точностью для измерения вертикальных скоростей.
Вариативность
[ редактировать ]Тенденции даунвеллинга различаются в зависимости от широты и могут быть связаны с изменениями силы ветра и сменой времен года . В некоторых районах прибрежный даунвеллинг является сезонным явлением, выталкивающим обедненные питательными веществами воды к берегу. Ослабление или обращение апвеллинга вспять — благоприятные ветры создают периоды даунвеллинга, когда вода накапливается вдоль побережья. [20]
Разница температур и режим ветра в умеренных широтах носят сезонный характер, создавая весьма изменчивые условия апвеллинга и даунвеллинга. [20] Например, осенью и зимой вдоль северо-западного побережья Тихого океана в США южные ветры в заливе Аляски и в системе Калифорнийского течения создают благоприятные условия для нисходящего потока, перенося морские воды с юга и запада к побережью. Эти нисходящие явления, как правило, длятся несколько дней и могут быть связаны с зимними штормами и способствуют низким уровням первичной продукции, наблюдаемым осенью и зимой. [21] Напротив, во время «весеннего перехода» в конце сезона даунвеллинга и начале сезона апвеллинга отмечается наличие у побережья холодных, богатых питательными веществами апвеллинговых вод, что стимулирует высокие уровни первичной продукции. [22] В отличие от сезонно меняющихся регионов с умеренным климатом, на полюсах даунвеллинг относительно устойчив, поскольку холодный воздух снижает температуру соленой воды, переносимой круговоротами из тропиков . [23]
Во время нейтральной фазы и фазы Ла-Нинья Южного колебания Эль-Ниньо ( ЭНСО ) устойчивые восточные пассаты в экваториальных регионах могут вызвать скопление воды в западной части Тихого океана. Ослабление этих пассатов может создать нисходящие волны Кельвина , которые распространяются вдоль экватора в восточной части Тихого океана. [24] Серия волн Кельвина, связанных с аномально высокими температурами поверхности моря в восточной части Тихого океана, может быть предшественником явления Эль-Ниньо . [25] Во время фазы Эль-Ниньо ЭНСО нарушение пассатов приводит к скоплению океанской воды у западного побережья Южной Америки . Этот сдвиг связан с уменьшением апвеллинга и может усилить прибрежный даунвеллинг. [26]
Влияние на биогеохимию океана
[ редактировать ]Биогеохимический цикл, связанный с нисходящим потоком, ограничен местом и частотой, с которой происходит этот процесс. Большая часть даунвеллинга, как описано выше, происходит в полярных регионах в виде образования глубинных и придонных вод или в центре субтропических круговоротов . Образование придонных и глубоководных вод в Южном океане ( море Уэдделла ) и северной части Атлантического океана ( Гренландское , Лабрадорское , Норвежское и Средиземное моря ) вносит основной вклад в удаление и секвестрацию антропогенного углекислого газа , растворенного органического углерода (DOC) и растворенный кислород. [27] [28] [29] растворенного газа Растворимость выше в холодной воде, что приводит к увеличению концентрации газа. [29]
было показано, что только Южный океан является наиболее важным высокоширотным регионом, контролирующим доиндустриальную концентрацию углекислого газа в атмосфере С помощью моделирования общей циркуляции . Циркуляция воды в районе антарктических глубоководных образований является одним из основных факторов поступления углекислого газа в поверхностные слои океанов. Другой — биологический насос , который обычно ограничен железом в Южном океане в районах с высоким содержанием питательных веществ и низким содержанием хлорофилла ( HNLC ). DOC может захватываться во время формирования придонных и глубоководных вод, что составляет значительную часть экспорта биогенного углерода. Считается, что экспорт DOC составляет до 30% биогенного углерода, попадающего в глубины океана. Интенсивность потока РОУ на глубину зависит от силы зимней конвекции, которая также влияет на микробную пищевую сеть, вызывая изменения в РОУ, экспортируемом на глубину. Растворенный кислород также попадает на дно и в места глубоководных пластов, способствуя повышению концентрации растворенного кислорода на глубине ниже 1000 метров.
Субтропические круговороты обычно ограничены в макро- и микроэлементах, таких как азот , фосфор и железо; в результате образуются сообщества пикофитопланктона с низкими потребностями в питательных веществах. Частично это происходит из-за постоянного нисходящего потока, который переносит питательные вещества из фотозоны. Считается, что эти олиготрофные области поддерживаются за счет быстрого круговорота питательных веществ , в результате чего может оставаться мало углерода, который можно было бы изолировать. Динамика роли пикофитопланктона в круговороте углерода в субтропических круговоротах мало изучена и активно исследуется.
Районы с самой высокой первичной продуктивностью играют важную роль в биогеохимическом круговороте углерода и азота. Даунвеллинг может либо облегчить, либо вызвать бескислородные условия, в зависимости от начальных условий и местоположения. Длительные периоды апвеллинга могут вызвать деоксигенацию, которая облегчается нисходящим потоком, переносящим растворенный кислород обратно на глубину. Аноксические условия также могут быть результатом постоянного нисходящего потока после цветения водорослей с высокой биомассой динофлагеллят . Накопление динофлагеллят и других форм биомассы у берега из-за нисходящего потока в конечном итоге приведет к истощению питательных веществ и смертности организмов. По мере разложения биомассы кислород истощается гетеротрофными бактериями, вызывая бескислородные условия.
Ссылки
[ редактировать ]- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Тэлли, Линн Д.; Пикард, Джордж Л.; Эмери, Уильям Дж.; Свифт, Джеймс Х., ред. (2011). Описательная физическая океанография: введение (6-е изд.). Амстердам, Гейдельберг: Elsevier, AP. ISBN 978-0-7506-4552-2 .
- ^ Прайс, Джеймс (11 декабря 1987 г.). «Ветровые океанские течения и транспорт Экмана» . Наука . 238 (4833): 1534–1538. Бибкод : 1987Sci...238.1534P . дои : 10.1126/science.238.4833.1534 . ПМИД 17784291 . S2CID 45511024 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Уэбб, Пол (август 2023 г.). «Введение в океанографию» . Университет Роджера Уильямса .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с «Экман Транспорт — обзор | Темы ScienceDirect» . www.sciencedirect.com . Проверено 5 декабря 2023 г.
- ^ Фройленд, Гэри; Стюарт, Робин М.; ван Себилле, Эрик (сентябрь 2014 г.). «Насколько хорошо связана поверхность мирового океана?» . Хаос: междисциплинарный журнал нелинейной науки . 24 (3): 033126. Бибкод : 2014Хаос..24c3126F . дои : 10.1063/1.4892530 . hdl : 10044/1/21883 . ISSN 1054-1500 . ПМИД 25273206 .
- ^ Фольц, Грегори Р. (2019), «Верхний океан, вызванный ветром и плавучестью» , Энциклопедия наук об океане , Elsevier, стр. 113–121, doi : 10.1016/b978-0-12-409548-9.11336-3 , ISBN 9780128130827 , S2CID 232350491 , получено 26 ноября 2023 г.
- ^ Холлберг, Роберт. «Океанские мезомасштабные водовороты» . www.gfdl.noaa.gov . Проверено 29 ноября 2023 г.
- ^ Цюй, Юшань; Ван, Шэнпэн; Цзин, Чжао; Ван, Хун; Ву, Ликсин (октябрь 2022 г.). «Пространственная структура вертикальных движений и связанного с ними теплового потока, вызванного мезомасштабными вихрями в расширении Верхний Куросио-Оясио» . Журнал геофизических исследований: Океаны . 127 (10). Бибкод : 2022JGRC..12718781Q . дои : 10.1029/2022JC018781 . ISSN 2169-9275 .
- ^ Джьотибабу, Р.; Карнан, К.; Арунпанди, Н.; Санти Кришнан, С.; Балачандран, КК; Саху, Канзас (февраль 2021 г.). «Значительно доминирующие вихри с теплым ядром: экологический индикатор низкой биологической продуктивности в масштабе бассейна в Бенгальском заливе» . Экологические показатели . 121 : 107016. doi : 10.1016/j.ecolind.2020.107016 .
- ^ Уэйт, Аня М.; Раес, Эрик; Бекли, Линнат Э.; Томпсон, Питер А.; Гриффин, Дэвид; Сондерс, Меган; Севстрем, Кристин; О'Рорк, Ричард; Ван, Мяо; Ландрам, Джейсон П.; Джеффс, Эндрю (21 мая 2019 г.). «Производство и структура экосистемы в водоворотах с холодным ядром и вихрями с теплым ядром: последствия для изоскейпа зоопланктона и личинок каменных омаров» . Лимнология и океанография . 64 (6): 2405–2423. дои : 10.1002/lno.11192 . ISSN 0024-3590 .
- ^ Хуот, П.-В.; Киттель, К.; Фичефет, Т.; Журден, Северная Каролина; Феттвейс, X. (22 января 2022 г.). «Влияние океанских мезомасштабных вихрей на взаимодействие атмосферы, морского льда и океана у Земли Адели, Восточная Антарктида» . Климатическая динамика . 59 (1–2): 41–60. Бибкод : 2022ClDy...59...41H . дои : 10.1007/s00382-021-06115-x . ISSN 0930-7575 .
- ^ Ким, Донсон; Ли, Сон Ын; Чо, Сосул; Кан, Донг-Джин; Пак, Кын-Ха; Канг, Сок Ку (11 августа 2022 г.). «Мезомасштабные вихревые эффекты на потоки CO2 из морского воздуха в северной части Филиппинского моря» . Границы морской науки . 9 . дои : 10.3389/fmars.2022.970678 . ISSN 2296-7745 .
- ^ «Мезомасштабный вихрь — обзор | Темы ScienceDirect» . www.sciencedirect.com . Проверено 12 декабря 2023 г.
- ^ Ши, Юнг-Йен; Хунг, Чин-Чанг; Туо, Синг-хау; Шао, Хуан-Цзе; Чоу, Чун Хо; Мюллер, Франсуа LL; Цай, Юань-Хун (08 декабря 2020 г.). «Влияние водоворотов на снабжение питательными веществами, диатомовую биомассу и экспорт углерода в северной части Южно-Китайского моря» . Границы в науках о Земле . 8 : 607. Бибкод : 2020FrEaS...8..607S . дои : 10.3389/feart.2020.537332 . ISSN 2296-6463 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Томас, Лейф Н.; Тандон, Амит; Махадеван, Амала (2008), Хехт, Мэтью В.; Хасуми, Хироясу (ред.), «Субмезомасштабные процессы и динамика» , Серия геофизических монографий , 177 , Вашингтон, округ Колумбия: Американский геофизический союз: 17–38, Бибкод : 2008GMS...177...17T , doi : 10.1029/177gm04 , ISBN 978-0-87590-442-9 , получено 28 ноября 2023 г.
- ^ Махадеван, Амала; Тандон, Амит (январь 2006 г.). «Анализ механизмов субмезомасштабного вертикального движения на океанских фронтах» . Моделирование океана . 14 (3–4): 241–256. Бибкод : 2006OcMod..14..241M . дои : 10.1016/j.ocemod.2006.05.006 .
- ^ Фрейлих, Мара; Махадеван, Амала (май 2021 г.). «Последовательные пути субдукции из поверхностного смешанного слоя на фронтах океана» . Журнал геофизических исследований: Океаны . 126 (5). Бибкод : 2021JGRC..12617042F . дои : 10.1029/2020JC017042 . hdl : 1912/27707 . ISSN 2169-9275 .
- ^ Махадеван, Амала; Паскуаль, Ананда; Рудник, Дэниел Л.; Руис, Симон; Тинторе, Хоакин; Д'Асаро, Эрик (01 ноября 2020 г.). «Последовательные пути вертикального переноса от поверхности океана во внутренние районы» . Бюллетень Американского метеорологического общества . 101 (11): E1996–E2004. дои : 10.1175/BAMS-D-19-0305.1 . hdl : 10261/242771 . ISSN 0003-0007 .
- ^ Д'Асаро, Эрик А.; Щербина Андрей Юрьевич; Климак, Джоди М.; Кротмейкер, Йерун; Новелли, Гийом; Гиганд, Седрик М.; Хаза, Анжелика К.; Хаус, Брайан К.; Райан, Эдвард Х.; Джейкобс, Грегг А.; Хантли, Хельга С.; Лаксаг, Натан Дж. М.; Чен, Шуйи; Джадт, Фалько; Маквильямс, Джеймс К. (06 февраля 2018 г.). «Конвергенция океана и рассеивание обломков» . Труды Национальной академии наук . 115 (6): 1162–1167. Бибкод : 2018PNAS..115.1162D . дои : 10.1073/pnas.1718453115 . ISSN 0027-8424 . ПМК 5819445 . ПМИД 29339497 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б «Движение океана: определение: ветровые поверхностные течения – апвеллинг и даунвеллинг» . Oceanmotion.org . Проверено 27 ноября 2023 г.
- ^ Траутман, Николас; Уолтер, Райан К. (сентябрь 2021 г.). «Сезонная изменчивость моделей апвеллинга и нисходящего поверхностного течения в небольшом прибрежном заливе» . Исследования континентального шельфа . 226 : 104490. Бибкод : 2021CSR...22604490T . дои : 10.1016/j.csr.2021.104490 . ISSN 0278-4343 .
- ^ Рыболовство, НОАА (3 января 2023 г.). «Местные физические показатели | Рыболовство NOAA» . НОАА . Проверено 27 ноября 2023 г.
- ^ «Даунвеллинг» . Oceanexplorer.noaa.gov . Проверено 27 ноября 2023 г.
- ^ «Волна Кельвина — обзор | Темы ScienceDirect» . www.sciencedirect.com . Проверено 27 ноября 2023 г.
- ^ НАСА. «Международный спутник уровня моря обнаружил ранние признаки Эль-Ниньо» . Лаборатория реактивного движения НАСА (JPL) . Проверено 27 ноября 2023 г.
- ^ «ЭНСО» . www.weather.gov . Проверено 6 декабря 2023 г.
- ^ Маринов И.; Гнанадэсикан, А.; Тоггвайлер-младший; Сармьенто, JL (июнь 2006 г.). «Биогеохимический разрыв Южного океана» . Природа . 441 (7096): 964–967. Бибкод : 2006Natur.441..964M . дои : 10.1038/nature04883 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 16791191 . S2CID 4428683 .
- ^ Тянь, Ру Ченг; Везина, Ален Ф.; Дейбель, Дон; Ривкин, Ричард Б. (3 октября 2003 г.). «Чувствительность экспорта биогенного углерода к климату океана в Лабрадорском море, глубоководном регионе формирования» . Глобальные биогеохимические циклы . 17 (4): 1090. Бибкод : 2003GBioC..17.1090T . дои : 10.1029/2002gb001969 . ISSN 0886-6236 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Эмерсон, Стивен Р.; Хеджес, Джон (2008). Химическая океанография и морской углеродный цикл (4-е изд.). Кембридж. стр. 205–206. ISBN 978-0-521-83313-4 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]Ветровые поверхностные течения: предпосылки апвеллинга и даунвеллинга
