циркуляция Ленгмюра

В физической океанографии циркуляция Ленгмюра состоит из серии мелких, медленных, вращающихся в противоположных направлениях вихрей на поверхности океана, выровненных по направлению ветра. Эти циркуляции развиваются, когда ветер устойчиво дует над поверхностью моря. Ирвинг Ленгмюр открыл это явление после наблюдения за рядами водорослей в Саргассовом море в 1927 году. ^[1] Циркуляции Ленгмюра циркулируют внутри смешанного слоя ; однако пока не совсем ясно, насколько сильно они могут вызывать перемешивание у основания смешанного слоя. ^[2]

Теория

Движущей силой этих циркуляций является взаимодействие среднего потока с волновыми усредненными потоками поверхностных волн. Скорость дрейфа Стокса волн растягивает и наклоняет завихренность потока вблизи поверхности. Производство завихренности в верхнем слое океана уравновешивается нисходящей (часто турбулентной) диффузией . Для потока, движущегося ветром, характеризующимся скоростью трения , отношение диффузии завихренности и производства определяет число Ленгмюра ^[2] , где первое определение дано для монохроматического волнового поля амплитуды , частоты и волнового числа , а второе использует общий обратный масштаб длины и масштаб скорости Стокса . Это иллюстрируется уравнениями Крейка–Лейбовича ^[3], которые являются приближением среднего значения Лагранжа . ^[4]^[5] В приближении Буссинеска основные уравнения можно записать следующим образом: $\nu _{T}$ $\тау$ $u_{*}$ $\mathrm {La} ={\sqrt {\frac {\nu _{T}^{3}k^{6}}{\sigma a^{2}u_{*}^{2}k^{4}}}}~{\text{ или }}~{\sqrt {\frac {\nu _{T}^{3}\beta ^{6}}{u_{*}^{2}S_{0}\beta ^{3}}}}$ $а$ $\сигма$ $к$ $\бета$ $S_{0}$ ${\frac {\partial u_{i}}{\partial t}}+u_{j}\,\nabla _{j}u_{i}=-2\varepsilon _{ijk}\Omega _{j}(u_{k}^{s}+u_{k})-\nabla _{i}\left({\frac {P}{\rho _{0}}}+{\frac {1}{2}}u_{j}^{s}u_{j}^{s}+u_{j}^{s}u_{j}\right)+\varepsilon _{ijk}u_{j}^{s}\varepsilon _{k\ell m}\,\nabla _{\ell }u_{m}+g_{i}{\frac {\rho }{\rho _{0}}}+\nabla _{j}\nu \,\nabla _{j}u_{i}$ $\nabla _{i}u_{i}=0$ ${\frac {\partial \rho }{\partial t}}+u_{j}\,\nabla _{j}\rho =\nabla _{i}\kappa \,\nabla _{i}\rho$

$u_{i}$ скорость жидкости,
$\Омега$ это вращение планет,
$u_{i}^{s}$ — скорость дрейфа Стокса поля поверхностной волны,
$P$ это давление,
$g_{i}$ это ускорение свободного падения,
$\ро$ это плотность,
$\rho _{0}$ - опорная плотность,
$\nu$ это вязкость, и
$\каппа$ это коэффициент диффузии.

В условиях открытого океана, где может отсутствовать доминирующий масштаб длины, контролирующий масштаб ячеек Ленгмюра, развивается концепция турбулентности Ленгмюра . ^[6]

Наблюдения

Циркуляция наблюдается между 0°–20° справа от ветра в северном полушарии ^[7] и спиралью, образующей полосы расхождения и конвергенции на поверхности. В зонах конвергенции обычно наблюдаются концентрации плавающих водорослей, пены и мусора вдоль этих полос. 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 расхождения в зону конвергенции, а расстояние между этими зонами составляет порядка 1–300 м (3–1000 футов). Ниже зон конвергенции образуются узкие струи нисходящего потока, и величина течения будет сопоставима с горизонтальным потоком. Распространение вниз обычно будет порядка метров или десятых долей метра и не проникнет в пикноклин . Подъем воды менее интенсивен и происходит в более широкой полосе под зоной расхождения. При скорости ветра от 2 до 12 м/с (6,6–39,4 фута/с) максимальная вертикальная скорость колебалась от 2 до 10 см/с (0,79–3,94 дюйма/с) с соотношением скоростей нисходящих потоков и ветра от −0,0025 до −0,0085. ^[8]

Биологические эффекты

Циркуляции Ленгмюра (ЦЛ), которые представляют собой вращающиеся в противоположных направлениях цилиндрические вихри в верхнем слое океана, играют важную роль в вертикальном перемешивании. Хотя они являются временными 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 смешанном слое океана. ^[9]^[10] Создаваемые ветром вихри создают области, где организмы с различной плавучестью , ориентацией и поведением при плавании могут собираться вместе, что приводит к пятнистости. ^[11] Действительно, ЦЛ может вызывать значительное скопление водорослей во время таких событий, как красный прилив . ^[10] Теоретически размер ЦЛ увеличивается со скоростью ветра, если только он не ограничен разрывами плотности пикноклина . Но видимость поверхностных эффектов ЦЛ может быть ограничена разрушающимися волнами во время сильных ветров, которые рассеивают материалы, присутствующие на поверхности. ^[12] Таким образом, поверхностные эффекты LC с большей вероятностью будут видны при ветре, превышающем критическую скорость ветра в 3 м/с, но не слишком сильном.

Более того, предыдущие исследования показали, что организмы и материалы могут собираться в разных областях внутри LC, таких как нисходящее течение в конвергентной зоне, восходящее течение в дивергентной зоне, зона удержания в вихре LC и область между зонами восходящего и нисходящего течения. ^[13] Аналогичным образом, обнаружено, что LC имеют более высокий наветренный поверхностный ток в конвергентных зонах из-за струйного течения. Эта более быстро движущаяся конвергентная область на поверхности воды может улучшить транспортировку организмов и материалов в направлении ветра.

Воздействие на растения

В 1927 году Ленгмюр увидел организованные ряды Sargassum natans , пересекая Саргассово море в Атлантическом океане . В отличие от активных пловцов, таких как животные и зоопланктон, растения и фитопланктон обычно являются пассивными телами в воде, и их агрегация определяется поведением потока. В валках концентрированные планктонные организмы окрашивают воду и указывают на присутствие LC. Было отмечено большее разнообразие в планктонных пучках, собранных вдоль направления ветра, чем в образцах, собранных перпендикулярно ветру. ^[14] И одной из причин такого разнообразия может быть LC, который приводит к конвергенции (высокая выборка) или между (низкая выборка) зонами в продольной ветровой буксировке. ^[15] Аналогичным образом, такой конвергентный эффект LC также наблюдался в виде зоны с высоким содержанием хлорофилла на глубине около 100 м в озере Тахо , что могло быть связано с косым буксированием через LC. ^[16] Кроме того, саргассум переносится с поверхности в бентос в зоне нисходящего течения LC и может потерять плавучесть после погружения на глубину в течение достаточного времени. ^[17] Некоторые из растений, которые обычно наблюдаются плавающими в воде, могут погрузиться под воду во время сильного ветра из-за нисходящего течения LC. Кроме того, LC также может привести к пятнистости положительно плавучих динофлагеллятов (включая токсичные организмы красного прилива ) во время цветения. ^[18] Более того, отрицательно плавучие фитопланктеры, которые медленно тонут в стоячей воде, как было замечено, задерживаются в эвфотической зоне, что может быть связано с суспензией, созданной вертикальными конвекционными ячейками. ^[19]^[20]

Кроме того, более широкое исследование суперячеек Ленгмюра, в которых циркуляция может достигать морского дна, обнаружило скопление макроводорослей Colpomenia sp. на морском дне мелководья (~5 м) в районе Большого Багамского залива из-за местной скорости ветра около 8-13 м/с. ^[21] Такой LC может быть ответственным за перенос углеродной биомассы с мелководья в глубокое море . Этот эффект был очевиден, поскольку было обнаружено, что концентрация водорослей резко снизилась после возникновения LC, как это наблюдалось на спутниковых снимках цвета океана ( NASA ) в период исследования. Такое скопление отрицательно плавучих макроводорослей на морском дне похоже на валы положительно плавучих частиц на поверхности воды из-за LC.

Воздействие на животных

В то время как растения пассивно реагируют на LC, животные могут реагировать как на LC, так и на наличие скопления растений/пищи и света. Одним из таких наблюдений была адаптация Physalia к валкам, содержащим перепутанный Sargassum . Physalia имеет тенденцию дрейфовать через валки , что также увеличивает доступность пищи или зоопланктера в расходящихся зонах. ^[22]

Более того, исследования в озере Мендота показали хорошую корреляцию между концентрацией Daphnia pulex и появлением пенных линий. Аналогичным образом, значительные различия наблюдались в уловах Daphnia hyaline при отборе проб в пенных линиях и из них в озере Южный Уэльс, при этом большее количество появлялось в зоне дивергенции. ^[23] Такое распределение частиц и животных можно описать с помощью математической модели, разработанной Стоммелем, которая предполагала область удержания в зоне апвеллинга для тонущих частиц и в зоне нисходящего потока для положительно плавучих частиц. ^[15] Фактически, зоопланктон мог оказаться в ловушке в зонах апвеллинга до точки, где животные стимулируются плыть вниз. ^[24] Более подробная модель была позже разработана Ставном, описывающим агрегацию зоопланктона, где ориентация животных, реакция спинного света и скорость течения определяли их область концентрации либо в нисходящем потоке (из-за медленного течения), либо в апвеллинге (из-за сильного течения), либо между двумя последними зонами (из-за промежуточных течений). ^[11] Были сделаны дальнейшие усовершенствования в таких моделях, как модификация модели Стоммеля Титманом и Килхэмом с целью учета разницы в максимальных скоростях нисходящего и восходящего движения ^[25] и Эвансом и Тейлором, которые обсуждали нестабильность областей Стоммеля из-за изменения скорости плавания в зависимости от глубины, что приводило к образованию спиральных траекторий, влияющих на область накопления. ^[10]

Тем не менее, высокая концентрация планктонных организмов в пределах LC может привлекать птиц и рыб. Стаи белых окуней Roccus chrysops были замечены питающимися дафниями вдоль пенной дорожки. ^[26] Напротив, малые фламинго Phoeniconaias minor были замечены питающимися на пузырьковых линиях, содержащих концентрированные сине-зеленые водоросли . ^[27] Аналогичным образом было обнаружено, что медузы собираются в линейном порядке (среднее расстояние 129 м) параллельно ветру в Беринговом море, что может быть связано с большими LC. ^[12] Такое скопление может влиять на питание и хищничество медуз .

Влияние на поверхностное натяжение

Высокая концентрация поверхностно-активных веществ (ПАВ), производимых фитопланктоном, может привести к более высокому напряжению Марангони в сходящихся областях в LC. Численное моделирование показывает, что такое напряжение Марангони из-за ПАВ может увеличить размер вихревых структур, вертикальную скорость и повторное смешивание воды и биологических/химических компонентов в локальной области по сравнению с областью без ПАВ. ^[28]

Наконец, необходимы дополнительные теоретические и экспериментальные исследования для подтверждения значимости LC.

Ссылки

^ Открытый университет (2001), Ocean Circulation (2-е изд.), Butterworth-Heinemann, ISBN 9780750652780
^ ab Thorpe, SA (2004), "Циркуляция Ленгмюра", Annual Review of Fluid Mechanics , 36 : 55–79, Bibcode : 2004AnRFM..36...55T, doi : 10.1146/annurev.fluid.36.052203.071431
^ Craik, ADD; Leibovich, S. (1976), "Рациональная модель для ленгмюровских циркуляций", Journal of Fluid Mechanics , 73 (3): 401–426, Bibcode : 1976JFM....73..401C, doi : 10.1017/S0022112076001420, S2CID 18089261
^ Эндрюс, Д.Г.; Макинтайр, М.Э. (1978), «Точная теория нелинейных волн в лагранжевом среднем потоке», Журнал механики жидкости , 89 (4): 609–646, Bibcode : 1978JFM....89..609A, doi : 10.1017/S0022112078002773, S2CID 4988274
^ Лейбович, С. (1980), «О теориях взаимодействия волн и токов в ленгмюровских циркуляционных системах», Журнал механики жидкости , 99 (4): 715–724, Bibcode : 1980JFM....99..715L, doi : 10.1017/S0022112080000857, S2CID 14996095
^ Мак-Вильямс, Дж.; Салливан, П.; Моенг, К. (1997), «Турбулентность Ленгмюра в океане», Журнал механики жидкости , 334 (1): 1–30, Bibcode : 1997JFM...334....1M, doi : 10.1017/S0022112096004375, S2CID 76650016
^ Стюарт, Роберт Х. (2002), Введение в физическую океанографию (редакция осень 2002 г.)
^ Лейбович, С. (1983), «Форма и динамика ленгмюровских циркуляций», Annual Review of Fluid Mechanics , 15 : 391–427, Bibcode : 1983AnRFM..15..391L, doi : 10.1146/annurev.fl.15.010183.002135
^ Кукулка, Т.; Плюддеманн, А. Дж.; Троубридж, Дж. Х.; Салливан, ПП (28.05.2009). "Значение циркуляции Ленгмюра в перемешивании верхнего слоя океана: сравнение наблюдений и моделирования". Geophysical Research Letters . 36 (10): L10603. Bibcode : 2009GeoRL..3610603K. doi : 10.1029/2009gl037620. hdl : 1912/3380 . ISSN 0094-8276. S2CID 55791721.
^ abc Эванс, Джеффри Т.; Тейлор, Ф. Дж. Р. (1980). «Накопление фитопланктона в ячейках Ленгмюра1: Фитопланктон в ячейках Ленгмюра». Лимнология и океанография . 25 (5): 840–845. doi :10.4319/lo.1980.25.5.0840.
^ ab Stavn, Robert Hans (1971). "Гипотеза горизонтально-вертикального распределения: циркуляция Ленгмюра и распределение дафний1". Лимнология и океанография . 16 (2): 453–466. Bibcode :1971LimOc..16..453S. doi : 10.4319/lo.1971.16.2.0453 .
^ аб Хамнер, Уильям М.; Шнайдер, Дэвид (1986). «Правильно расположенные ряды медуз в Беринговом море: роль ленгмюровской циркуляции1». Лимнология и океанография . 31 (1): 171–176. Бибкод : 1986LimOc..31..171H. дои : 10.4319/lo.1986.31.1.0171. S2CID 6201912.
^ Ставн, Роберт Ганс (1971). «Гипотеза горизонтально-вертикального распределения: циркуляция Ленгмюра и распределение дафний1». Лимнология и океанография . 16 (2): 453–466. Bibcode :1971LimOc..16..453S. doi : 10.4319/lo.1971.16.2.0453 .
^ Нис, Дж. К. (1949). Докторская диссертация, Висконсинский университет, Мэдисон.
^ ab Stommel, H. (1949). Траектории малых тел, медленно погружающихся через конвективные ячейки. J. Mar. Res., 8, 24-9.
^ Powell, TM; Richerson, PJ; Dillon, TM; Agee, BA; Dozier, BJ; Godden, DA; Myrup, LO (1975-09-26). "Пространственные масштабы скорости течения и флуктуации биомассы фитопланктона в озере Тахо". Science . 189 (4208): 1088–1090. Bibcode :1975Sci...189.1088P. doi :10.1126/science.189.4208.1088. ISSN 0036-8075. PMID 17800160. S2CID 38185886.
^ Джонсон, Дэвид Л.; Ричардсон, Филип Л. (1977). «О затоплении саргассума под действием ветра». Журнал экспериментальной морской биологии и экологии . 28 (3): 255–267. doi :10.1016/0022-0981(77)90095-8. ISSN 0022-0981.
^ Райтер, Дж. Х. (1955). Экология автотрофных морских динофлагеллятов в отношении условий красной воды. В: Люминесценция биологических систем (Джонсон, Ф. Х. (ред.)), Am. Assoc. Adv. Sci., стр. 387-413
^ Коппен, В. (1921). Аннн Гидрогр. Берл., 49, 170-3.
^ Smayda, TJ (1970). Взвешивание и погружение фитопланктона в море. Oceanogr. Mar. Biol. Ann. Rer., 8, 353-414.
^ Dierssen, HM; Zimmerman, RC; Drake, LA; Burdige, DJ (2009-02-18). "Потенциальный экспорт неприкрепленных бентосных макроводорослей в глубокое море посредством ветровой циркуляции Ленгмюра". Geophysical Research Letters . 36 (4): L04602. Bibcode : 2009GeoRL..36.4602D. doi : 10.1029/2008GL036188 . ISSN 0094-8276.
^ Вудкок, А. Х. (1944). Теория движения поверхностных вод, выведенная из движения Physalia под действием ветра. J. Mar. Res., 5, 196--205.
^ Джордж, Д. Г. и Эдвардс, Р. В. (1973). Распределение дафний в круговороте Ленгмюра. Limnol. Oceanogr, 18, 798-800.
^ Хатчинсон, GE (1967). Трактат по лимнологии, т. 2, Нью-Йорк. John Wiley and Sons, lll5pp.
^ Титман, Дэвид; Килхэм, Питер (1976). «Погружение в пресноводный фитопланктон: некоторые экологические последствия состояния питательных веществ в клетках и процессов физического смешивания1». Лимнология и океанография . 21 (3): 409–417. Bibcode : 1976LimOc..21..409T. doi : 10.4319/lo.1976.21.3.0409. hdl : 2027.42/109909 . ISSN 0024-3590.
^ Макнот, Дональд К.; Хаслер, Артур Д. (1961). «Поверхностное косячное и пищевое поведение белого окуня, Roccus Chrysops (Rafinesque), в озере Мендота». Лимнология и океанография . 6 (1): 53–60. Bibcode : 1961LimOc...6...53M. doi : 10.4319/lo.1961.6.1.0053 . ISSN 0024-3590.
^ Tuite, CH (1981). "Плотность стояния урожая и распределение спирулины и бентосных диатомовых водорослей в щелочных соленых озерах Восточной Африки". Freshwater Biology . 11 (4): 345–360. Bibcode : 1981FrBio..11..345T. doi : 10.1111/j.1365-2427.1981.tb01266.x. ISSN 0046-5070.
^ Botte, Vincenzo; Mansutti, Daniela (август 2012 г.). «Численная оценка эффектов натяжения поверхности моря, вызванных планктоном, в циркуляции Ленгмюра». Математика и компьютеры в моделировании . 82 (12): 2916–2928. doi :10.1016/j.matcom.2012.07.014.

Внешние ссылки

Медиа, связанные с циркуляцией Ленгмюра на Wikimedia Commons