Апвеллинг — это океанографическое явление, которое включает в себя движение под действием ветра плотной, более прохладной и обычно богатой питательными веществами воды из глубоких вод к поверхности океана . Он заменяет более теплые и обычно обедненные питательными веществами поверхностные воды . Богатая питательными веществами вода, поднимающаяся вверх, стимулирует рост и размножение первичных продуцентов, таких как фитопланктон . Биомасса фитопланктона и наличие прохладной воды в этих регионах позволяют идентифицировать зоны апвеллинга по прохладным температурам поверхности моря (SST) и высоким концентрациям хлорофилла а . [2] [3]
Повышенная доступность питательных веществ в регионах апвеллинга приводит к высокому уровню первичной продукции и, следовательно, рыбной продукции. Примерно 25% общего мирового улова морской рыбы приходится на пять апвеллингов, которые занимают лишь 5% общей площади океана. [4] Апвеллинги, вызванные прибрежными течениями или расходящимся открытым океаном, оказывают наибольшее влияние на богатые питательными веществами воды и глобальные уловы рыболовства. [4] [5]
Тремя основными движущими силами, которые вместе вызывают апвеллинг, являются ветер , эффект Кориолиса и перенос Экмана . Они действуют по-разному для разных типов апвеллинга, но общие эффекты одинаковы. [6] В общем процессе апвеллинга ветры дуют по поверхности моря в определенном направлении, что вызывает взаимодействие ветра и воды. В результате ветра вода переместилась на 90 градусов от направления ветра за счет сил Кориолиса и транспорта Экмана. Транспорт Экмана заставляет поверхностный слой воды двигаться примерно под углом 45 градусов к направлению ветра, а трение между этим слоем и слоем под ним заставляет последующие слои двигаться в одном и том же направлении. Это приводит к тому, что вода движется по спирали вниз по толще воды. Тогда именно силы Кориолиса определяют, в какую сторону будет двигаться вода; в Северном полушарии вода переносится вправо от направления ветра. В Южном полушарии вода переносится слева от ветра. [7] Если это чистое движение воды расходится, то происходит подъем глубинных вод, чтобы заменить потерянную воду. [2] [6]
Основные апвеллинги в океане связаны с расхождением течений, которые выносят на поверхность более глубокие, холодные и богатые питательными веществами воды. Выделяют как минимум пять типов апвеллинга: прибрежный апвеллинг, крупномасштабный ветровой апвеллинг во внутренней части океана, апвеллинг, связанный с вихрями, топографически связанный апвеллинг и широкодиффузионный апвеллинг во внутренней части океана.
Прибрежный апвеллинг — наиболее известный тип апвеллинга, наиболее тесно связанный с деятельностью человека, поскольку он поддерживает некоторые из наиболее продуктивных рыболовных промыслов в мире. Прибрежный апвеллинг произойдет, если направление ветра параллельно береговой линии и генерирует ветровые течения. Ветровые течения отклоняются вправо от ветров в Северном полушарии и влево в Южном полушарии из-за эффекта Кориолиса . Результатом является чистое движение поверхностных вод под прямым углом к направлению ветра, известное как транспорт Экмана (см. Также Спираль Экмана ). Когда экмановский перенос происходит вдали от берега, удаляющиеся поверхностные воды заменяются более глубокими, холодными и плотными водами. [5] Обычно этот процесс апвеллинга происходит со скоростью около 5–10 метров в день, но скорость и близость апвеллинга к побережью могут быть изменены из-за силы и расстояния ветра. [2] [8]
Глубокие воды богаты питательными веществами, в том числе нитратами , фосфатами и кремниевой кислотой , которые сами по себе являются результатом разложения тонущего органического вещества (мертвого/детритного планктона) из поверхностных вод. Когда эти питательные вещества выносятся на поверхность, они используются фитопланктоном вместе с растворенным CO 2 ( диоксидом углерода ) и световой энергией солнца для производства органических соединений в процессе фотосинтеза . Таким образом, регионы апвеллинга приводят к очень высокому уровню первичной продукции (количества углерода, фиксируемого фитопланктоном ) по сравнению с другими районами океана. На их долю приходится около 50% мировой продуктивности морской среды. [9] Высокая первичная продукция распространяется вверх по пищевой цепи , поскольку фитопланктон находится в основании океанической пищевой цепи. [10]
Пищевая цепь протекает по пути:
Прибрежный апвеллинг существует круглый год в некоторых регионах, известных как основные прибрежные апвеллинговые системы , и только в определенные месяцы года в других регионах, известных как сезонные прибрежные апвеллинговые системы . Многие из этих апвеллинговых систем связаны с относительно высокой продуктивностью углерода и, следовательно, классифицируются как крупные морские экосистемы . [12]
Во всем мире существует пять основных прибрежных течений, связанных с областями апвеллинга: Канарское течение (у берегов Северо-Западной Африки ), Бенгельское течение (у берегов южной Африки ), Калифорнийское течение (у берегов Калифорнии и Орегона ), течение Гумбольдта (у берегов Перу и Чили ). и Сомалийское течение (у берегов Сомали и Омана ). Все эти течения поддерживают крупный рыболовный промысел. Четыре основных восточных пограничных течения, в которых преимущественно происходит прибрежный апвеллинг, — это Канарское течение, Бенгельское течение, Калифорнийское течение и течение Гумбольдта. [13] Бенгельское течение является восточной границей субтропического круговорота Южной Атлантики и может быть разделено на северную и южную подсистемы, причем в обеих областях наблюдается апвеллинг. Подсистемы разделены областью постоянного апвеллинга у Людерица , которая является самой сильной зоной апвеллинга в мире. Система Калифорнийских течений (CCS) — это восточное пограничное течение северной части Тихого океана, которое также характеризуется разделением на север и юг. Раскол в этой системе происходит в Пойнт-Концепции , штат Калифорния, из-за слабого апвеллинга на юге и сильного апвеллинга на севере. Канарское течение является восточным пограничным течением Северо-Атлантического круговорота и также отделено из-за присутствия Канарских островов . Наконец, течение Гумбольдта или Перуанское течение течет на запад вдоль побережья Южной Америки от Перу до Чили и простирается на расстояние до 1000 километров от берега. [9] Эти четыре восточных пограничных течения составляют большую часть прибрежных зон апвеллинга в океанах.
Апвеллинг на экваторе связан с внутритропической зоной конвергенции (ITCZ), которая фактически перемещается и, следовательно, часто располагается к северу или югу от экватора. Восточные (западные) пассаты дуют с северо-востока и юго-востока и сходятся вдоль экватора, дуя на запад, образуя ITCZ. Хотя вдоль экватора нет сил Кориолиса, апвеллинг все еще происходит к северу и югу от экватора. Это приводит к расхождению, когда более плотная, богатая питательными веществами вода поднимается снизу, и приводит к тому замечательному факту, что экваториальную область Тихого океана можно обнаружить из космоса как широкую линию высокой концентрации фитопланктона . [4]
Крупномасштабный апвеллинг также наблюдается в Южном океане . Здесь вокруг Антарктиды дуют сильные западные (восточные) ветры , гонящие значительный поток воды на север. На самом деле это разновидность прибрежного апвеллинга. Поскольку в полосе открытых широт между Южной Америкой и оконечностью Антарктического полуострова нет континентов , часть этой воды забирается с больших глубин. Во многих численных моделях и наблюдениях апвеллинг Южного океана представляет собой основной способ выноса глубокой плотной воды на поверхность. В некоторых регионах Антарктиды ветровой апвеллинг у побережья вытягивает относительно теплые циркумполярные глубокие воды на континентальный шельф, где это может усилить таяние шельфового ледника и повлиять на стабильность ледникового покрова. [14] Более мелкий ветровой апвеллинг также встречается у западных побережий Северной и Южной Америки, северо-западной и юго-западной Африки, а также юго-западной и южной Австралии , все они связаны с океаническими субтропическими циркуляциями высокого давления (см. Прибрежный апвеллинг выше).
Некоторые модели циркуляции океана предполагают, что в тропиках происходит широкомасштабный апвеллинг, поскольку потоки, вызванные давлением, направляют воду к низким широтам, где она диффузно нагревается сверху. Однако требуемые коэффициенты диффузии оказываются больше, чем наблюдаются в реальном океане. Тем не менее, некоторый диффузный апвеллинг, вероятно, все же имеет место.
Интенсивность апвеллинга зависит от силы ветра и сезонной изменчивости, а также от вертикальной структуры воды , изменений батиметрии дна и нестабильности течений .
В некоторых районах апвеллинг является сезонным явлением, приводящим к периодическим всплескам продуктивности, подобным весеннему цветению в прибрежных водах. Вызванный ветром апвеллинг возникает из-за разницы температур между теплым и легким воздухом над сушей и более холодным и плотным воздухом над морем. В умеренных широтах контраст температур сильно меняется в зависимости от сезона, создавая периоды сильного апвеллинга весной и летом и слабого апвеллинга или его отсутствия зимой. Например, у побережья Орегона в течение шестимесячного сезона апвеллинга происходит четыре или пять сильных апвеллингов, разделенных периодами незначительного апвеллинга или его отсутствия. Напротив, в тропических широтах более постоянный температурный контраст, что создает постоянный апвеллинг в течение года. Например, перуанский апвеллинг происходит на протяжении большей части года, что приводит к одному из крупнейших в мире морских промыслов сардин и анчоусов . [5]
В аномальные годы, когда пассаты ослабевают или меняют направление движения, поднимаемая вода значительно теплее и бедна питательными веществами, что приводит к резкому снижению биомассы и продуктивности фитопланктона . Это событие известно как явление Эль-Ниньо-Южное колебание (ЭНСО). Перуанская система апвеллинга особенно уязвима для явлений ЭНСО и может вызывать сильные межгодовые колебания продуктивности. [5]
Изменения батиметрии могут повлиять на силу апвеллинга. Например, подводный хребет , простирающийся от побережья, создаст более благоприятные условия для апвеллинга, чем соседние регионы. Апвеллинг обычно начинается на таких хребтах и остается наиболее сильным даже после развития в других местах. [5]
Наиболее продуктивные и плодородные районы океана, регионы апвеллинга являются важными источниками морской продуктивности. Они привлекают сотни видов на всех трофических уровнях; Разнообразие этих систем было в центре внимания морских исследований . Изучая трофические уровни и закономерности, типичные для регионов апвеллинга, исследователи обнаружили, что системы апвеллинга демонстрируют структуру богатства осиной талии. В этом типе структуры высокий и низкий трофические уровни хорошо представлены высоким видовым разнообразием. Однако промежуточный трофический уровень представлен лишь одним-двумя видами. Этот трофический слой, состоящий из мелких пелагических рыб , обычно составляет всего лишь три-четыре процента видового разнообразия всех присутствующих видов рыб. Нижние трофические слои очень хорошо представлены: в среднем около 500 видов веслоногих ракообразных , 2500 видов брюхоногих моллюсков и 2500 видов ракообразных . На вершинном и околоверхнем трофических уровнях обычно обитают около 100 видов морских млекопитающих и около 50 видов морских птиц. Однако жизненно важными промежуточными трофическими видами являются мелкие пелагические рыбы, которые обычно питаются фитопланктоном . В большинстве систем апвеллинга этими видами являются либо анчоусы, либо сардины, обычно присутствует только один, хотя иногда могут присутствовать два или три вида. Эти рыбы являются важным источником пищи для хищников, таких как крупные пелагические рыбы, морские млекопитающие и морские птицы. Хотя они и не находятся в основании трофической пирамиды, они являются жизненно важными видами, которые связывают всю морскую экосистему и поддерживают столь высокую продуктивность зон апвеллинга [13]
Серьезной угрозой как этому важнейшему промежуточному трофическому уровню , так и всей апвеллинговой трофической экосистеме является проблема коммерческого рыболовства . Поскольку регионы апвеллинга являются наиболее продуктивными и богатыми видами районами в мире, они привлекают большое количество коммерческих рыболовов и рыболовов. С одной стороны, это еще одно преимущество процесса апвеллинга, поскольку он служит жизнеспособным источником пищи и дохода для очень многих людей и стран, помимо морских животных. Однако, как и в любой экосистеме, последствия чрезмерного вылова рыбы могут нанести ущерб этой популяции и экосистеме в целом. В апвеллинговых экосистемах каждый присутствующий вид играет жизненно важную роль в функционировании этой экосистемы. Если один вид значительно истощится, это отразится на остальных трофических уровнях. Например, если популярный вид добычи является объектом рыболовства, рыбаки могут поймать сотни тысяч особей этого вида, просто забрасывая сети в поднимающиеся воды. Поскольку эта рыба истощается, источник пищи для тех, кто охотится на эту рыбу, истощается. Поэтому хищники целевых рыб начнут вымирать, и их будет не так много, чтобы кормить хищников над ними. Эта система продолжается по всей пищевой цепи , что приводит к возможному коллапсу экосистемы. Вполне возможно, что экосистема со временем восстановится, но не все виды смогут восстановиться после подобных событий. Даже если этот вид сможет адаптироваться, восстановление этого апвеллингового сообщества может произойти с задержкой. [13]
Возможность такого коллапса экосистемы представляет собой саму опасность для рыболовства в регионах апвеллинга. Рыболовство может быть направлено на множество различных видов, и поэтому оно представляет прямую угрозу для многих видов в экосистеме, однако наибольшую угрозу оно представляет для промежуточных пелагических рыб . Поскольку эти рыбы составляют основу всего трофического процесса апвеллинговых экосистем, они широко представлены во всей экосистеме (даже если присутствует только один вид). К сожалению, эти рыбы, как правило, являются наиболее популярным объектом рыболовства, поскольку около 64 процентов всего их улова составляет пелагическая рыба. Среди них шесть основных видов, которые обычно образуют промежуточный трофический слой, составляют более половины улова. [13]
Помимо непосредственного разрушения экосистемы из-за их отсутствия, это может создать проблемы в экосистеме и с помощью множества других методов. Животные, находящиеся на более высоких трофических уровнях , возможно, не умрут от голода и вымрут полностью, но сокращение запасов пищи все равно может нанести вред популяциям. Если животные не будут получать достаточно еды, это снизит их репродуктивную жизнеспособность, а это означает, что они не будут размножаться так часто и так успешно, как обычно. Это может привести к сокращению популяции, особенно у видов, которые в нормальных условиях не часто размножаются или становятся репродуктивно зрелыми в позднем возрасте. Другая проблема заключается в том, что уменьшение популяции вида из-за рыболовства может привести к уменьшению генетического разнообразия, что приведет к уменьшению биоразнообразия вида . Если видовое разнообразие значительно сократится, это может вызвать проблемы для видов в столь изменчивой и быстро меняющейся среде; они могут оказаться неспособными адаптироваться, что может привести к коллапсу популяции или экосистемы. [13]
Еще одной угрозой продуктивности и экосистемам регионов апвеллинга является система Эль-Ниньо-Южное колебание (ЭНСО), или, точнее, явления Эль-Ниньо. В обычный период и во время явлений Ла-Нинья восточные пассаты все еще сильны, что продолжает стимулировать процесс апвеллинга. Однако во время явлений Эль-Ниньо пассаты слабее, вызывая уменьшение апвеллинга в экваториальных регионах, поскольку расхождение вод к северу и югу от экватора не такое сильное и не столь распространенное. Прибрежные зоны апвеллинга также уменьшаются, поскольку они представляют собой системы, управляемые ветром, и ветер больше не является очень сильной движущей силой в этих районах. В результате глобальный апвеллинг резко уменьшается, что приводит к снижению продуктивности, поскольку в воды больше не поступает вода, богатая питательными веществами. Без этих питательных веществ остальная часть трофической пирамиды не сможет поддерживаться, и богатая апвеллинговая экосистема рухнет. [18]
Прибрежный апвеллинг оказывает большое влияние на местный климат пострадавшего региона. Этот эффект усиливается, если океанское течение уже прохладное. По мере того как холодная, богатая питательными веществами вода поднимается вверх, а температура поверхности моря снижается, воздух непосредственно над ней также охлаждается и, вероятно, конденсируется, образуя морской туман и слоистые облака . Это также препятствует образованию облаков на большей высоте, ливней и гроз и приводит к выпадению осадков над океаном, оставляющим землю сухой. [19] [20] В круглогодичных системах апвеллинга (например, на западном побережье Южной Африки и Южной Америки) температура обычно ниже, а осадков мало. Сезонные системы апвеллинга часто сочетаются с сезонными системами даунвеллинга (например, на западном побережье США [21] и на Пиренейском полуострове ), что приводит к более прохладному и сухому, чем в среднем, лету и более мягкой и влажной, чем в среднем, зиме. В местах постоянного апвеллинга обычно наблюдается полузасушливый / пустынный климат, тогда как в местах сезонного апвеллинга обычно наблюдается средиземноморский / полузасушливый климат, в некоторых случаях океанический . Некоторые города мира, затронутые сильными режимами апвеллинга, включают: Сан-Франциско , Антофагаста , Синиш , Эс-Сувейра , Уолфиш-Бей и другие.