Северотихоокеанский субтропический круговорот (NPSG) — крупнейшая непрерывная экосистема на Земле. В океанографии субтропический круговорот — это кольцевая система океанических течений, вращающихся по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки в Южном полушарии, вызванная эффектом Кориолиса . Обычно они образуются в больших открытых океанских областях, которые лежат между массивами суши.
NPSG является крупнейшим из круговоротов, а также крупнейшей экосистемой на нашей планете. Как и другие субтропические круговороты, он имеет зону высокого давления в своем центре. Циркуляция вокруг центра происходит по часовой стрелке вокруг этой зоны высокого давления. Субтропические круговороты составляют 40% поверхности Земли и играют важную роль в фиксации углерода и круговороте питательных веществ . [1] Этот конкретный круговорот охватывает большую часть Тихого океана и включает в себя четыре преобладающих океанических течения: Северо-Тихоокеанское течение на севере, Калифорнийское течение на востоке, Северное экваториальное течение на юге и течение Куросио на западе. Его большой размер и удаленность от берега привели к тому, что NPSG плохо исследован и, следовательно, плохо изучен. [2]
Жизненные процессы в экосистемах открытого океана являются стоком для увеличивающегося количества CO 2 в атмосфере . Круговороты составляют большую долю, приблизительно 75%, того, что мы называем открытым океаном, или областью океана, которая не состоит из прибрежных зон. Они считаются олиготрофными или бедными питательными веществами, поскольку они далеки от наземного стока. [3] Когда-то эти регионы считались однородными и статичными местообитаниями. Однако появляется все больше доказательств того, что NPSG демонстрирует существенную физическую, химическую и биологическую изменчивость в различных временных масштабах. [2] В частности, NPSG демонстрирует сезонные и межгодовые колебания первичной продуктивности (просто определяемой как производство нового растительного материала), что важно для поглощения CO 2 .
NPSG является не только поглотителем CO2 в атмосфере, но и других загрязняющих веществ. Как прямой результат этой круговой модели, водовороты действуют как гигантские водовороты и становятся ловушками для антропогенных загрязняющих веществ, таких как морской мусор . NPSG стал известен из-за большого количества пластикового мусора, плавающего прямо под поверхностью в центре водоворота. Эта область недавно привлекла много внимания СМИ и обычно называется Большим тихоокеанским мусорным пятном .
NPSG нечасто исследуется из-за его удаленности от побережья и нехватки морской жизни . Эти обширные и глубокие океанские воды, далекие от влияния суши, исторически считались океаническим эквивалентом наземных пустынь с низкими запасами биомассы и низкими темпами производства. Эта точка зрения вытекает из недостатка всесторонних исследований местообитаний центрального круговорота. За последние два десятилетия эти взгляды были оспорены новым пониманием динамики NPSG. [4]
.jpg/1280px-HMS_Challenger_(1858).jpg)
На заре морских исследований HMS Challenger (1872–1876) на своем пути из Иокогамы в Гонолулу собрал образцы растений и животных, а также многочисленные образцы морской воды. [2] Целью этой экспедиции было определение химического состава морской воды и органических веществ во взвешенном состоянии, а также изучение распределения и численности различных сообществ организмов. Мотивация изучения экосистем открытого океана со временем изменилась, тогда как сегодня более современные исследования сосредоточены на биоразнообразии и влиянии климата на динамику экосистем. Сегодня программа Hawaii Ocean Time-series (HOT) собрала самый большой и полный набор экологических данных для NPSG и, как планируется, продолжится до следующего тысячелетия . [2] Такие программы, как HOT, развенчали гипотезу о том, что эта экосистема статична и однородна, обнаружив, что NPSG демонстрирует динамические сезонные закономерности, отделяющие ее от других систем открытого океана.
NPSG является крупнейшей из открытых океанических сред обитания и считается крупнейшим смежным биомом Земли . [5] Эта большая антициклоническая циркуляция простирается от 15° с. ш. до 35° с. ш. и от 135° в. д. до 135° з. д. долготы. Площадь ее поверхности составляет приблизительно 2 x 10 7 км 2 . Ее западная часть, к западу от 180° долготы, имеет большую физическую изменчивость, чем восточная часть. Эта изменчивость, при которой различные погодные условия по-разному влияют на субрегионы, обусловлена большими размерами этого круговорота. [2]
Эта большая изменчивость вызвана дискретными вихрями, почти инерционными движениями и внутренними приливами . [2] Климатические модели, такие как северо-тихоокеанское круговое колебание (NPGO), Эль-Ниньо/Южное колебание (ENSO) и тихоокеанское декадное колебание (PDO), влияют на межгодовую изменчивость первичной продуктивности в NPSG. [3] DiLorenzo et al., 2008 Эти условия могут оказывать глубокое воздействие на биологические процессы в этой среде обитания, [2] они способны изменять температуру поверхности моря (SST), структуру хлорофилла, структуру питательных веществ, концентрацию кислорода, глубину смешанного слоя и, таким образом, пропускную способность (количество жизни, которое может переносить эта среда обитания) NPSG.
Низкие концентрации питательных веществ и, следовательно, низкая плотность живых организмов характеризуют поверхностные воды NPSG. Низкая биомасса приводит к чистой воде, что позволяет фотосинтезу происходить на значительной глубине. NPSG классически описывается как двухслойная система. Верхний, ограниченный питательными веществами слой отвечает за большую часть первичной продукции , поддерживаемой в основном переработанными питательными веществами. Нижний слой содержит более доступные питательные вещества, но фотосинтез ограничен светом. [4]
В системах открытого океана биологическое производство зависит от интенсивной переработки питательных веществ в эвфотической (освещенной солнцем) зоне, и лишь небольшая часть поддерживается поступлением «новых» питательных веществ. [6] Ранее существовало мнение, что NPSG представляет собой морскую пустыню и что «новые» питательные вещества обычно не добавляются в эту систему. Перспективы изменились, поскольку ученые начали лучше понимать эту среду обитания. [2] Хотя довольно высокие показатели первичной продукции поддерживаются за счет быстрой переработки питательных веществ, [4] физические процессы, такие как внутренние волны и приливы, циклонические мезомасштабные вихри , ветровой насос Экмана и атмосферные штормы, могут приносить новые питательные вещества. [7]
Питательные вещества, которые не расходуются на поверхности, в конечном итоге опускаются вниз и питают среду обитания морского дна. Глубокие бентосные среды обитания океанских круговоротов, как правило, состоят из некоторых из самых бедных пищей регионов на планете. [8] Одним из источников питательных веществ для этой глубоководной среды обитания является морской снег . Морской снег состоит из детрита, мертвого органического вещества, которое падает с поверхностных вод, где продуктивность самая высокая, и экспортирует углерод и азот из поверхностного смешанного слоя в глубокий океан. Данные о распространенности морского снега на глубоководном дне океана отсутствуют в этой большой экосистеме. [9] Однако Пилскалн и др. обнаружили, что в NPSG морской снег был в более высокой распространенности, чем ожидалось, и был удивительно сопоставим с глубоководной прибрежной системой апвеллинга.
Более высокая питательная ценность может быть обусловлена матами Rhizosolenia, которые также играют важную роль в формировании морского снега в субтропических круговоротах. Обычно это многовидовые ассоциации видов диатомовых водорослей Rhizosolenia. Этот более крупный фитопланктон может достигать размеров до десятков сантиметров. [9] Эти маты особенно распространены в NPSG. Их распространенность в этой экосистеме предполагает более высокий поток питательных веществ в NPSG, чем предсказывалось в классических теориях.
В то время как N переносится глубже с помощью этого механизма, поверхностные воды потенциально отрезаны от этого источника. Азот должен быть доступен для жизни на поверхности. Чтобы компенсировать этот недостаток азота на поверхности, существуют организмы, способные к фиксации азота в NPSG. Trichodesmium — один из видов, способных к фиксации азота, который встречается во многих поверхностных планктонных цветках. [7] Фиксация азота — это процесс, при котором инертный N 2 извлекается из атмосферы и преобразуется в азотное соединение, доступное для использования организмами. Во многих олиготрофных морских экосистемах фиксация азота является распространенным источником азота.
Вертикально мигрирующий зоопланктон также может активно переносить питательные вещества в различные зоны водной толщи . Зоопланктон питается в поверхностных водах ночью, а затем днем выделяет фекальные гранулы в средние слои воды, которые могут переносить C, N и P в более глубокие воды. В NPSG сообщество зоопланктона не статично, а колеблется в зависимости от сезона и в нем доминируют веслоногие рачки, эвфаузииды и хетогнаты. [6]
Недавно классические теории о нехватке питательных веществ в NPSG были опровергнуты, и новые теории предполагают, что экосистема на самом деле динамична и характеризуется сильной сезонной, межгодовой и даже десятилетней изменчивостью [9]. Она также считается очень чувствительной к изменению климата , ученые наблюдали увеличение стратификации водной толщи и снижение доступности неорганических питательных веществ. Эти изменения предлагаются в качестве движущих механизмов, которые меняют текущую тенденцию в структуре сообщества фитопланктона от эукариотических к прокариотическим популяциям, поскольку эти более простые организмы могут выдерживать более низкое снабжение питательными веществами. [9] Зоопланктон и фитопланктон представляют менее 10% живых организмов в этом регионе, и теперь хорошо документировано, что NPSG является «микробной экосистемой». [2]
Микробные организмы составляют большинство первичных производителей в NPSG. Они являются автотрофными , то есть они захватывают свою собственную «пищу» из солнечного света и химических веществ, включая CO2 . Эти организмы составляют основу пищевой цепи , и поэтому их присутствие в экосистеме является фундаментальным. В NPSG первичная продуктивность часто описывается как низкая.
До 1978 года ученые выдвигали гипотезу, что диатомовые водоросли доминируют в популяциях планктона в NPSG. Ожидалось, что основными потребителями будет относительно крупный мезозоопланктон. [2] Сейчас хорошо известно, что большинство водорослей в NPSG на самом деле являются бактериями (одноклеточными организмами), среди которых доминируют цианобактерии или сине-зеленые водоросли . Эти простые организмы составляют большую часть постоянного запаса фотосинтезирующей морской жизни в этой экосистеме. Ученые также недавно обнаружили гены архей (также одноклеточного микроорганизма , но больше похожего на эукариот, чем на бактерии) в NPSG, что предполагает наличие дополнительного разнообразия в этой среде обитания. Многие микроорганизмы могут существовать в этом круговороте, поскольку небольшой размер тела имеет конкурентное преимущество в океане для получения ресурсов (света и питательных веществ). [2] В современном представлении о NPSG микробная пищевая сеть присутствует всегда, тогда как более крупная пищевая цепочка эукариот-травоядных является сезонной и эфемерной. [2]
Эукариотический планктон в круговороте зависит от «новых» питательных веществ, поступающих из физических погодных условий. Классическая двухслойная модель, обсуждавшаяся в предыдущих разделах, рассматривает верхний слой как эквивалент «вращающегося колеса» с небольшим экспортом питательных веществ, поскольку они постоянно перерабатываются. Эта модель не допускает поступления новых питательных веществ, что проблематично, поскольку это сделало бы невозможным любой быстрый рост или цветение фитопланктона. Несмотря на постоянное ограничение питательных веществ в верхней части, биомасса планктона и темпы первичной продукции имеют значительную временную изменчивость и действительно вызывают цветение в NPSG. [3]
Эта межгодовая изменчивость была приписана изменениям в снабжении питательными веществами верхнего слоя океана, вызванным физическими изменениями из-за ENSO и PDO. [3] На основании новых данных теперь становится ясно, что текущие темпы первичной продукции в этих регионах с низким содержанием питательных веществ намного выше, чем считалось ранее, и могут значительно варьироваться во временных масштабах от суточных до междекадных. [2] Весной быстрое увеличение поверхностного фитопланктона иногда наблюдается в связи с циклоническими мезомасштабными вихрями или интенсивными атмосферными возмущениями, оба физических процесса приносят новые питательные вещества. [4] Летом цветение наблюдается более регулярно и, как правило, в нем доминируют диатомовые водоросли и цианобактерии. Эти регулярные летние цветения могут быть вызваны изменениями в PDO. [3] Летнее цветение наблюдалось в этих водах с тех пор, как туда заходили исследовательские суда. Все эти цветения наблюдались в восточной части NSPG, и ни одно из них не наблюдалось западнее 160° з.д. [4] Гипотезы, объясняющие это явление, состоят в том, что круговорот характеризуется низким содержанием фосфата, но что область цветения восточной NPSG имеет значительно более высокую концентрацию фосфата, чем западная. [4]
Изменения первичной продукции в NPSG могут существенно влиять на круговорот питательных веществ, динамику пищевой цепи и глобальные потоки элементов. [3] Распределение размеров пелагических первичных производителей определяет как состав, так и величину экспортируемых питательных веществ в более глубокие воды. [2] Это, в свою очередь, влияет на сообщества, которые живут в более глубоких водах этой системы.
Мезопелагическую зону иногда называют сумеречной зоной; она простирается от 200 м до примерно 1000 м. В более глубоких слоях NPSG виды, находящиеся выше в пищевой цепи, будут мигрировать вертикально или горизонтально внутри или в и из круговорота. На основе анализа сообщества зоопланктона, центральная часть северной части Тихого океана имеет высокое видовое разнообразие (или большое количество видов) и высокую равномерность (что означает относительно равное количество каждого вида). Также существует низкая степень сезонной изменчивости плотности зоопланктона. [2]
Исследования мезопелагических рыб центральных субтропических вод немногочисленны. Те немногие исследования, которые существуют, обнаружили, что мезопелагические виды рыб неравномерно распределены по всему субтропическому Тихому океану. Их географические ареалы соответствуют закономерностям, показанным зоопланктоном. Некоторые из обнаруженных видов ограничены этими малопродуктивными центральными круговоротами. Некоторые из семейств рыб, которые широко представлены, - это Mytophids, Gonostomatids, Photichthyids, Sternoptychids и Melamphaids. [10] Наше понимание мезопелагического сообщества NPSG страдает от недостатка данных из-за трудности доступа к более глубоким зонам этой системы.
Самым глубоким сообществом в NPSG является бентосное сообщество. На глубине круговорота лежит морское дно из мелкозернистых глинистых осадков. Этот осадок является домом для сообщества организмов, которые обычно получают свои питательные вещества в виде «дождя» продуктивности, опускающегося сверху. На глубине под круговоротом лежит одна из самых бедных пищей областей на планете, которая поэтому поддерживает очень низкую плотность и биомассу бентосной инфауны или животных, обитающих в осадке. [8] В самом осадке питательные вещества обычно уменьшаются с глубиной, включая углерод, хлорофилл и азот. Плотность бентосной инфауны согласуется с этой моделью питательных веществ. Инфауна обычно находится в более мелких слоях осадков, где находится интерфейс осадок-вода , и, как правило, уменьшается в количестве с увеличением глубины в осадке. [11] Бактерии в осадке демонстрируют эту закономерность, а также макрофауна (инфаунные организмы >0,5 мм), в которой доминируют агглютинирующие (мягкотелые) фораминиферы и нематоды. Другие известные представители макрофауны, обнаруженные в осадке, — это известковые фораминиферы, веслоногие рачки, полихеты и двустворчатые моллюски. [11] Эти бентосные организмы в значительной степени зависят от поставок питательных веществ, которые оседают на морское дно. Любое изменение первичной продукции на поверхности может представлять серьезную угрозу для этих организмов, а также вызывать другие потенциально негативные последствия для других частей NPSG.
.jpg/1280px-Plastic_Ocean_(4408273247).jpg)
До недавнего времени NPSG считался статической частью обширной глобальной морской пустыни. Недавние открытия доказали, что эта система динамична и содержит физическую, химическую и биологическую изменчивость в различных временных масштабах. С текущим изменением климата модели в атмосфере смещаются и вызывают изменения в первичной продукции в NPSG. Изменения в первичной продуктивности могут влиять на цикл углерода океана и потенциально на атмосферный CO2 и климат, поскольку такие изменения могут изменять количество углерода, хранящегося в подповерхностных слоях океанов. [12] Поскольку NPSG является крупнейшим смежным биомом на Земле, он важен не только для сообщества организмов, но и для остальной части планеты.
NPSG привлек к себе пристальное внимание из-за другой проблемы, с которой он сталкивается в настоящее время. Вихревые эффекты круговорота служат для удержания загрязняющих веществ в его центре. Если загрязняющее вещество попадает в поток, направляющийся к круговороту, оно останется там на неопределенный срок или на протяжении всей жизни загрязняющего вещества. Одним из таких загрязняющих веществ, которые являются стойкими и распространенными в NPSG, является пластиковый мусор. NPSG выталкивает мусор в свою центральную область. Это явление недавно дало этому круговороту прозвище «Тихоокеанское мусорное пятно». Среднее обилие и вес пластиковых кусков в этой области в настоящее время являются самыми большими, наблюдаемыми в Тихом океане. [13] Ходят слухи, что этот пластиковый «суп» имеет размеры от Техаса до США. С ростом интереса к загрязнению и изменению климата NPSG привлекла к себе все больше внимания. Важно, чтобы наши знания об этой системе продолжали процветать по этим причинам, а также исключительно для понимания крупнейшей в мире экосистемы.
