Морские брызги состоят из аэрозольных частиц, образующихся в океане, в основном путем выброса в атмосферу Земли через лопающиеся пузырьки на границе раздела воздух-море [1] Морские брызги содержат как органические вещества, так и неорганические соли, которые образуют морской солевой аэрозоль (SSA). [2] SSA обладает способностью образовывать ядра конденсации облаков (CCN) и удалять антропогенные аэрозольные загрязнители из атмосферы. [3] Также было обнаружено, что крупные морские брызги подавляют развитие молний в грозовых облаках. [4]
Морские брызги напрямую (и косвенно, через SSA) отвечают за значительную часть потоков тепла и влаги между атмосферой и океаном, [5] [6] влияя на глобальные климатические модели и интенсивность тропических штормов. [7] Морские брызги также влияют на рост растений и распределение видов в прибрежных экосистемах [8] и усиливают коррозию строительных материалов в прибрежных районах. [9]
Когда ветер, белые барашки и прибойные волны смешивают воздух с поверхностью моря, воздух перегруппировывается, образуя пузырьки, всплывает на поверхность и лопается на границе раздела воздух-море. [10] Когда они лопаются, они высвобождают до тысячи частиц морских брызг, [10] [11] которые имеют размер от нанометров до микрометров и могут быть выброшены на расстояние до 20 см от поверхности моря. [10] Пленочные капли составляют большинство более мелких частиц, созданных первоначальным взрывом, в то время как струйные капли образуются в результате схлопывания полости пузырька и выбрасываются с поверхности моря в виде вертикальной струи. [12] [11] В ветреную погоду капли воды механически отрываются от гребней прибойных волн. Капли морских брызг, образующиеся с помощью такого механизма, называются каплями пены [11] и, как правило, имеют больший размер и меньшее время пребывания в воздухе. Удар падающих волн о морскую поверхность также генерирует морские брызги в виде капелек брызг [11] [13] . Состав морских брызг зависит в первую очередь от состава воды, из которой они образуются, но в целом представляет собой смесь солей и органических веществ . Несколько факторов определяют поток производства морских брызг, особенно скорость ветра, высота зыби , период зыби, влажность и разница температур между атмосферой и поверхностной водой. [14] Таким образом, скорость производства и распределения размеров SSAs чувствительны к состоянию смешивания. [15] Менее изученной областью образования морских брызг является образование морских брызг в результате удара капель дождя о морскую поверхность . [11]
В дополнение к локальным условиям, которые влияют на формирование морских брызг, существуют также последовательные пространственные закономерности в образовании и составе морских брызг. Поскольку морские брызги образуются, когда воздух смешивается с океаном, градиенты образования устанавливаются турбулентностью поверхностной воды. [14] Волновое воздействие вдоль прибрежных береговых линий, как правило, является местом наибольшей турбулентности, поэтому именно здесь образование морских брызг является самым высоким. Частицы, образующиеся в турбулентных прибрежных районах, могут перемещаться горизонтально на расстояние до 25 км в пределах планетарного пограничного слоя . [14] По мере уменьшения расстояния от берега образование морских брызг снижается до уровня, поддерживаемого почти исключительно белыми барашками. [14] Доля поверхности океана, достаточно турбулентная для образования значительных морских брызг, называется фракцией белых барашков. [10] Единственный другой механизм образования морских брызг в открытом океане — это прямое воздействие ветра, когда сильные ветры фактически разрушают поверхностное натяжение воды и поднимают частицы в воздух. [10] Однако частицы морской воды, образующиеся таким образом, часто слишком тяжелы, чтобы оставаться взвешенными в атмосфере, и обычно оседают обратно в море в течение нескольких десятков метров от места транспортировки. [10]
В зимние месяцы океан обычно испытывает штормовые, ветреные условия, которые вызывают большее затопление моря воздухом и, следовательно, больше морских брызг. [16] Более спокойные летние месяцы приводят к снижению общего производства морских брызг. [16] Во время пиковой первичной продуктивности летом увеличение органического вещества на поверхности океана приводит к последующему увеличению морских брызг. Учитывая, что морские брызги сохраняют свойства воды, из которой они были произведены, состав морских брызг испытывает экстремальные сезонные колебания. Летом растворенный органический углерод (РОУ) может составлять 60-90% массы морских брызг. [16] Несмотря на то, что в штормовой зимний сезон образуется гораздо больше морских брызг, состав почти полностью состоит из соли из-за низкой первичной продукции. [16]
Органическое вещество в морских брызгах состоит из растворенного органического углерода [17] (DOC) и даже самих микробов, таких как бактерии и вирусы. [18] Количество органического вещества в морских брызгах зависит от микробиологических процессов, [19] хотя общий эффект этих процессов до сих пор неизвестен. [20] [21] Хлорофилл-а часто используется в качестве косвенного показателя первичной продукции и содержания органического вещества в морских брызгах, но его надежность для оценки концентрации растворенного органического углерода является спорной. [21] Биомасса часто попадает в морские брызги через гибель и лизис клеток водорослей, часто вызванных вирусными инфекциями . [20] Клетки распадаются на растворенный органический углерод, который выбрасывается в атмосферу, когда лопаются пузырьки на поверхности. Когда первичная продуктивность достигает пика летом, цветение водорослей может генерировать огромное количество органического вещества, которое в конечном итоге включается в морские брызги. [16] [20] В правильных условиях агрегация растворенного органического углерода также может образовывать поверхностно-активное вещество или морскую пену .
При сильном ветре слой испарения капель (DEL) влияет на поверхностный энергетический теплообмен океана. [22] Скрытый тепловой поток морских брызг, образующийся в слое испарения капель, упоминается как важное дополнение к усилиям по моделированию климата, особенно в симуляциях, оценивающих тепловой баланс воздуха и моря в связи с ураганами и циклонами, образующимися во время сильных ветров. [6] Во время образования белых барашков капли морских брызг проявляют те же свойства, что и поверхность океана, но быстро адаптируются к окружающему воздуху. Некоторые капли морских брызг немедленно реабсорбируются в море, в то время как другие полностью испаряются и вносят солевые частицы, такие как диметилсульфид (DMS), в атмосферу, где они могут переноситься посредством турбулентности в облачные слои и служить ядрами конденсации облаков . [15] Образование этих ядер конденсации облаков, таких как диметилсульфид, также имеет климатические последствия из-за их влияния на формирование облаков и взаимодействия с солнечной радиацией. [15] Кроме того, вклад морских брызг DMS в атмосферу связан с глобальным циклом серы . [23] Понимание общего воздействия от естественных источников, таких как морские брызги, может пролить свет на критические ограничения, налагаемые антропогенным влиянием, и может быть объединено с химией океана , биологией и физикой для прогнозирования будущей изменчивости океана и атмосферы. [15]
Доля органического вещества в морских брызгах может влиять на отражательную способность , определять общий охлаждающий эффект SSA, [20] и немного изменять способность SSA образовывать ядра конденсации облаков (17). Даже небольшие изменения в уровнях SSA могут повлиять на глобальный радиационный баланс, что приведет к последствиям для глобального климата. [20] SSA имеет низкое альбедо , но его присутствие на более темной поверхности океана влияет на поглощение и отражательную способность входящего солнечного излучения. [20]
Влияние морских брызг на поверхностный тепло- и влагообмен достигает пика в периоды наибольшей разницы между температурами воздуха и моря. [22] Когда температура воздуха низкая, явный поток тепла морских брызг может быть почти таким же большим, как и скрытый поток тепла брызг в высоких широтах. [6] Кроме того, морские брызги усиливают поток энтальпии воздух/море во время сильных ветров в результате перераспределения температуры и влажности в морском пограничном слое . [7] Капли морских брызг, выбрасываемые в воздух, термически уравновешивают ~1% своей массы. Это приводит к добавлению явного тепла перед повторным входом в океан, увеличивая их потенциал для значительного ввода энтальпии. [7]
Эффекты переноса морских брызг в пограничном слое атмосферы еще не полностью изучены. [11] Капли морских брызг изменяют потоки импульса воздух-море, ускоряясь и замедляясь ветрами. [11] При ураганных ветрах наблюдается некоторое уменьшение потока импульса воздух-море. [10] Это уменьшение потока импульса проявляется как насыщение коэффициента сопротивления воздух/море . Некоторые исследования определили эффекты брызг как одну из потенциальных причин насыщения коэффициента сопротивления воздух/море. [24] [25] [26] Было показано с помощью нескольких численных и теоретических исследований, что морские брызги, если присутствуют в значительных количествах в пограничном слое атмосферы, приводят к насыщению коэффициентов сопротивления воздух-море. [27] [28]
Отложение солей из морских брызг является основным фактором, влияющим на распределение растительных сообществ в прибрежных экосистемах. [29] Концентрации ионов морских брызг, отложенных на суше, обычно отражают их концентрации в океане, за исключением того, что содержание калия в морских брызгах часто выше. [8] Отложение солей на суше обычно уменьшается с расстоянием от океана, но увеличивается с увеличением скорости ветра. [8] Отложение солей из морских брызг коррелирует с уменьшением высоты растений и значительным рубцеванием, уменьшением побегов, уменьшением высоты стебля и отмиранием тканей на наветренной стороне кустарников и деревьев. [30] [31] Изменение отложения солей также влияет на конкуренцию между растениями и устанавливает градиенты солеустойчивости. [30]
В то время как соли в морских брызгах могут серьезно подавлять рост растений в прибрежных экосистемах, выбирая виды, устойчивые к соли, морские брызги также могут приносить жизненно важные питательные вещества в эти среды обитания. Например, одно исследование показало, что морские брызги в Уэльсе, Великобритания, ежегодно доставляют около 32 кг калия на гектар прибрежных песчаных дюн. [10] Поскольку почвы дюн очень быстро выщелачивают питательные вещества, удобрение морскими брызгами может оказать большое влияние на экосистемы дюн, особенно на растения, которые менее конкурентоспособны в среде с ограниченным количеством питательных веществ.
Вирусы, бактерии и планктон повсеместно присутствуют в морской воде, и это биоразнообразие отражается в составе морских брызг. [14] Вообще говоря, морские брызги имеют немного более низкую концентрацию микробов, чем вода, из которой они производятся. Однако микробное сообщество в морских брызгах часто отличается от близлежащих вод и песчаных пляжей, что говорит о том, что некоторые виды более склонны к транспортировке SSA, чем другие. Морские брызги с одного пляжа могут содержать тысячи операционных таксономических единиц (OTU). [14] Около 10 000 различных OTU были обнаружены в морских брызгах только между Сан-Франциско, Калифорния и Монтереем, Калифорния, и только 11% из них обнаружены повсеместно. [14] Это говорит о том, что морские брызги в каждом прибрежном регионе, вероятно, имеют свою собственную уникальную совокупность микробного разнообразия, и тысячи новых OTU еще предстоит открыть. Многие из наиболее распространенных OTU были идентифицированы в следующих таксонах: Cryptophyta (порядок), Stramenopiles (порядок) и OM60 (семейство). [14] Многие даже были идентифицированы в роде: Persicirhabdus, Fluviicola, Synecococcus, Vibrio и Enterococcus. [14]
Ученые предположили, что поток микроорганизмов, находящихся в воздухе, окружает планету выше погодных систем, но ниже коммерческих воздушных трасс. [32] Некоторые из этих странствующих микроорганизмов выметаются из земных пылевых бурь, но большинство происходит от морских микроорганизмов в морских брызгах. В 2018 году группа ученых сообщила, что сотни миллионов вирусов и десятки миллионов бактерий ежедневно оседают на каждом квадратном метре по всей планете. [33] [34]
Морские брызги в значительной степени ответственны за коррозию металлических предметов вблизи береговой линии, поскольку соли ускоряют процесс коррозии в присутствии большого количества атмосферного кислорода и влаги. [9] Соли не растворяются в воздухе напрямую, а находятся во взвешенном состоянии в виде мелких частиц или растворяются в микроскопических каплях воды в воздухе. [35]
Испытание в соляном тумане является мерой выносливости материала или устойчивости к коррозии, особенно если материал будет использоваться на открытом воздухе и должен выполнять механическую нагрузку или иную критическую роль. Эти результаты часто представляют большой интерес для морской промышленности , чья продукция может подвергаться чрезвычайному ускорению коррозии и последующему выходу из строя из-за воздействия соленой воды. [36]
{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )