Пикноклин — это клин или слой, где градиент плотности ( ∂ ρ/∂ z ) является наибольшим в пределах водоема. Океаническое течение создается такими силами, как прибойные волны, разница температур и солености , ветер, эффект Кориолиса и приливы, вызванные гравитационным притяжением небесных тел. Кроме того, физические свойства в пикноклине, вызванные градиентами плотности, также влияют на потоки и вертикальные профили в океане . Эти изменения могут быть связаны с переносом тепла, соли и питательных веществ через океан, а диффузия пикноклина контролирует подъем глубинных вод. [1]
Под смешанным слоем стабильный градиент плотности (или пикноклин) разделяет верхнюю и нижнюю воду, препятствуя вертикальному переносу. [2] Это разделение имеет важные биологические эффекты для океана и морских живых организмов. Однако вертикальное перемешивание через пикноклин является обычным явлением в океанах и происходит посредством турбулентности , создаваемой сдвигом . [3] Такое перемешивание играет ключевую роль в переносе питательных веществ. [4]
Турбулентное перемешивание, создаваемое ветрами и волнами, переносит тепло вниз с поверхности. В низких и средних широтах это создает поверхностно-смешанный слой воды почти однородной температуры, который может быть глубиной от нескольких метров до нескольких сотен метров. Ниже этого смешанного слоя, на глубине 200–300 м в открытом океане, температура начинает быстро понижаться примерно до 1000 м. Слой воды, в котором градиент температуры самый крутой, известен как постоянный термоклин . [5] Разница температур в этом слое может достигать 20 °C в зависимости от широты. Постоянный термоклин совпадает с изменением плотности воды между более теплыми, малоплотными поверхностными водами и лежащими ниже холодными плотными донными водами. Область быстрого изменения плотности известна как пикноклин, и она действует как барьер для вертикальной циркуляции воды; таким образом, она также влияет на вертикальное распределение определенных химических веществ, которые играют роль в биологии морей. Резкие перепады температуры и плотности также могут ограничивать вертикальные перемещения животных. [6]
Хотя общая структура пикноклина, описанная выше, остается верной, пикноклины могут меняться в зависимости от сезона. Зимой температура поверхности моря ниже, а волны, как правило, больше, что увеличивает глубину смешанного слоя даже до основного термоклина/пикноклина в некоторых случаях. [7]
Летом более высокие температуры, таяние морского и наземного льда и увеличение солнечного света вызывают повышение температуры поверхностного слоя океана. Этот слой находится поверх большого зимнего смешанного слоя, который был создан ранее, и образует сезонный пикноклин над основным пикноклином, при этом зимний смешанный слой становится более низким градиентом плотности, называемым пикностадом. Когда времена года снова начинают меняться, чистая потеря тепла из поверхностного слоя и продолжающееся перемешивание ветром стирают сезонный пикноклин до следующего лета. [7]
Хотя температура и соленость оказывают влияние на плотность, один из них может иметь больший эффект, чем другой, в зависимости от широтного региона. В тропиках и средних широтах поверхностная плотность для всех океанов следует за температурой поверхности, а не за соленостью поверхности. На самых высоких широтах, более 50°, поверхностная плотность следует за соленостью больше, чем за температурой для всех океанов, потому что температура постоянно находится вблизи точки замерзания. [7]
В низких и средних широтах постоянный пикноклин существует на глубинах от 200 до 1000 м. В некоторых крупных, но географически ограниченных субтропических регионах, таких как Саргассово море в Атлантике , существуют два постоянных термоклина со слоем нижней вертикальной стратификации, называемым термостатом, разделяющим их. Это явление отражается в плотности из-за сильной зависимости плотности от температуры океана; два постоянных пикноклина связаны с постоянными термоклинами, а плотность, эквивалентная термостату, называется пикностадом. [7]
В субполярных и полярных регионах поверхностные воды намного холоднее круглый год из-за широты и намного преснее из-за таяния морского и материкового льда, большого количества осадков и стока пресной воды, в то время как более глубокие воды довольно постоянны по всему миру. Из-за этого нет постоянного термоклина, но могут возникать сезонные термоклины. В этих областях существует постоянный галоклин, и этот галоклин является основным фактором, определяющим постоянный пикноклин. [7]
Скорость роста фитопланктона контролируется концентрацией питательных веществ, а регенерация питательных веществ в море является очень важной частью взаимодействия между высшими и низшими трофическими уровнями . Разделение из-за образования пикноклина предотвращает подачу питательных веществ из нижнего слоя в верхний. Потоки питательных веществ через пикноклин ниже, чем в других поверхностных слоях. [8]
Микробная петля — это трофический путь в морской микробной пищевой сети . Термин «микробная петля» был придуман Азамом и др. (1983) для описания роли, которую играют микробы в циклах углерода и питательных веществ морской экосистемы , где растворенный органический углерод (РОУ) возвращается на более высокие трофические уровни посредством включения в бактериальную биомассу, а также в сочетании с классической пищевой цепью, образованной фитопланктоном — зоопланктоном — нектоном .
В конце цветения фитопланктона, когда водоросли входят в стадию старения, происходит накопление фитодетрита и повышенное высвобождение растворенных метаболитов. Именно в это время бактерии могут использовать эти источники энергии для размножения и создания резкого импульса (или цветения), который следует за цветением фитопланктона. Та же связь между фитопланктоном и бактериями влияет на вертикальное распределение бактериопланктона. Максимальное количество бактерий обычно встречается в пикноклине, где фитодетрит накапливается, опускаясь из вышележащей эвфотической зоны . Там разложение бактериями способствует образованию слоев с минимальным содержанием кислорода в стабильных водах. [9]
Одной из наиболее характерных поведенческих особенностей планктона является вертикальная миграция, которая происходит с 24-часовой периодичностью. Это часто называют суточной или суточной вертикальной миграцией . Вертикальное расстояние, пройденное за 24 часа, варьируется, как правило, больше среди более крупных видов и лучших пловцов. Но даже небольшие веслоногие рачки могут мигрировать на несколько сотен метров дважды за 24-часовой период, а более сильные пловцы, такие как эвфаузииды и пелагические креветки, могут перемещаться на 800 м и более. [10] Диапазон глубины миграции может быть ограничен наличием термоклина или пикноклина. Однако фитопланктон и зоопланктон, способные к суточной вертикальной миграции, часто концентрируются в пикноклине. [11] Кроме того, те морские организмы, которые умеют плавать через термоклин или пикноклин, могут испытывать сильные градиенты температуры и плотности, а также значительные изменения давления во время миграции.
Пикноклины становятся нестабильными, когда их число Ричардсона падает ниже 0,25. Число Ричардсона — это безразмерная величина, выражающая отношение потенциальной энергии к кинетической. Это отношение падает ниже 0,25, когда скорость сдвига превышает стратификацию. Это может привести к неустойчивости Кельвина-Гельмгольца , что приводит к турбулентности, которая приводит к перемешиванию. [12]
Изменения глубины пикноклина или свойств можно смоделировать с помощью некоторых моделей компьютерной программы. Простой подход для этих моделей заключается в изучении модели накачки Экмана , основанной на модели общей циркуляции океана (OCGM). [13]