Апвеллинг — океанографическое явление, которое включает в себя вызванное ветром движение плотной, более холодной и обычно богатой питательными веществами воды из глубинных вод к поверхности океана . Она заменяет более теплую и обычно обедненную питательными веществами поверхностную воду . Богатая питательными веществами поднятая вода стимулирует рост и размножение первичных производителей , 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 a . [2] [3]
Повышенная доступность питательных веществ в регионах апвеллинга приводит к высокому уровню первичной продукции и, следовательно, к производству рыбы . Примерно 25% от общего мирового улова морской рыбы приходится на пять апвеллингов, которые занимают всего 5% от общей площади океана. [4] Апвеллинги, которые движутся прибрежными течениями или расходящимися открытыми океанами, оказывают наибольшее влияние на обогащенные питательными веществами воды и глобальные уловы рыбы. [4] [5]
Три основных фактора, которые работают вместе, чтобы вызвать апвеллинг, это 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 переносится на 90 градусов от направления ветра из-за сил Кориолиса и переноса Экмана. Перенос Экмана заставляет поверхностный слой воды двигаться примерно под углом 45 градусов от направления ветра, а трение между этим слоем и слоем под ним заставляет последующие слои двигаться в том же направлении. Это приводит к спирали воды, движущейся вниз по водной толще. Затем именно силы Кориолиса диктуют, в каком направлении будет двигаться вода; в Северном полушарии вода переносится справа от направления ветра. В Южном полушарии вода переносится слева от ветра. [7] Если это чистое движение воды расходится, то происходит подъем глубинных вод для восполнения потерянной воды. [2] [6]
Основные подъемы глубинных вод в океане связаны с расхождением течений, которые выносят на поверхность более глубокие, холодные и богатые питательными веществами воды. Существует по крайней мере пять типов подъема глубинных вод: прибрежный подъем глубинных вод, крупномасштабный подъем глубинных вод под действием ветра в глубине океана, подъем глубинных вод, связанный с водоворотами, топографически связанный подъем глубинных вод и широко-диффузный подъем глубинных вод в глубине океана.
Прибрежный апвеллинг является наиболее известным типом апвеллинга и наиболее тесно связан с деятельностью человека, поскольку он поддерживает некоторые из самых продуктивных рыбных промыслов в мире. Прибрежный апвеллинг будет происходить, если направление ветра параллельно береговой линии и создает ветровые течения. Ветровые течения отклоняются вправо от ветра 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 перенос Экмана (см. также Спираль Экмана ). Когда перенос Экмана происходит вдали от побережья, поверхностные воды, удаляющиеся от берега, заменяются более глубокой, холодной и плотной водой. [5] Обычно этот процесс апвеллинга происходит со скоростью около 5–10 метров в день, но скорость и близость апвеллинга к побережью могут меняться из-за силы и расстояния ветра. [2] [8]
Глубокие воды богаты питательными веществами, включая нитрат , фосфат и кремниевую кислоту , которые сами по себе являются результатом разложения тонущего органического вещества (мертвого/детритного планктона) из поверхностных вод. При попадании на поверхность эти питательные вещества используются фитопланктоном вместе с растворенным CO2 ( углекислым газом ) и световой энергией солнца для производства органических соединений посредством процесса фотосинтеза . Таким образом, области апвеллинга приводят к очень высоким уровням первичной продукции (количества углерода, зафиксированного фитопланктоном ) по сравнению с другими районами океана. На их долю приходится около 50% глобальной морской продуктивности. [9] Высокая первичная продукция распространяется вверх по пищевой цепи , поскольку фитопланктон находится в основе океанической пищевой цепи. [10]
Пищевая цепочка проходит по следующему 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 северо-запада Африки ), Бенгельское течение (у юга Африки ), Калифорнийское течение (у Калифорнии и Орегона ), течение Гумбольдта (у Перу и Чили ) и Сомалийское течение (у Сомали и Омана ). Все эти течения поддерживают крупные промыслы. Четыре основных восточных пограничных течения, в которых в основном 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, при этом апвеллинг происходит в обеих областях. Подсистемы разделены областью постоянного апвеллинга у Людерица , которая является самой сильной зоной апвеллинга в мире. Система Калифорнийского течения (CCS) является восточным пограничным течением северной части Тихого океана, которое также характеризуется разделением на север и юг. Разделение этой системы происходит в Point Conception , Калифорния из-за слабого апвеллинга на юге и сильного апвеллинга на севере. Канарское течение является восточным пограничным течением Северо-Атлантического круговорота и также разделено 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 1000 километров от берега. [9] Эти четыре восточных пограничных течения составляют большинство прибрежных зон апвеллинга в океанах.
Подъем глубинных вод на экваторе связан с зоной внутритропической конвергенции (ITCZ), которая фактически перемещается и, следовательно, часто располагается к северу или к 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, подъем глубинных вод все еще происходит к северу и к югу от экватора. Это приводит к расхождению, когда более плотная, богатая питательными веществами вода поднимается снизу, и приводит к замечательному факту, что экваториальная область в Тихом океане может быть обнаружена из космоса как широкая линия высокой концентрации фитопланктона . [4]
Крупномасштабный апвеллинг также обнаружен в Южном океане . Здесь сильные западные (восточные) ветры дуют вокруг Антарктиды , перемещая значительный поток воды на север. На самом деле это тип прибрежного апвеллинга. Поскольку в полосе открытых широт между Южной Америкой и оконечностью Антарктического полуострова нет континентов, часть этой воды поднимается с больших глубин. Во многих численных моделях и наблюдательных синтезах апвеллинг Южного океана представляет собой основное средство, с помощью которого глубокая плотная вода выводится на поверхность. В некоторых регионах Антарктиды ветровой апвеллинг вблизи побережья вытягивает относительно теплую циркумполярную глубокую воду на континентальный шельф, где он может усилить таяние шельфового ледника и повлиять на стабильность ледяного покрова. [14] Более мелкий ветровой апвеллинг также обнаружен 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 широкомасштабный апвеллинг происходит в тропиках, поскольку потоки под давлением направляют воду к низким широтам, где она диффузионно нагревается сверху. Однако требуемые коэффициенты диффузии, по-видимому, больше, чем те, которые наблюдаются в реальном океане. Тем не менее, некоторый диффузионный апвеллинг, вероятно, происходит.
Интенсивность подъема глубинных вод 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, похожим на весеннее цветение в прибрежных водах. Ветровой апвеллинг возникает из-за разницы температур между теплым, легким воздухом над землей и более прохладным плотным воздухом над морем. В умеренных широтах температурный контраст сильно варьируется в зависимости от сезона, создавая периоды сильного апвеллинга весной и летом, и слабого или отсутствующего апвеллинга зимой. Например, у побережья Орегона наблюдается четыре или пять сильных апвеллинговых событий, разделенных периодами слабого или отсутствующего апвеллинга в течение шестимесячного сезона апвеллинга. Напротив, тропические широты имеют более постоянный температурный контраст, создавая постоянный апвеллинг в течение года. Перуанский апвеллинг, например, происходит в течение 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, вода, которая поднимается на поверхность, намного теплее и беднее питательными веществами, что приводит к резкому сокращению биомассы и продуктивности фитопланктона . Это событие известно как событие Эль-Ниньо-Южное колебание (ENSO). Перуанская система апвеллинга особенно уязвима для событий ENSO и может вызывать экстремальную межгодовую изменчивость продуктивности. [5]
Изменения в батиметрии могут повлиять на силу апвеллинга. Например, подводный хребет , который простирается от побережья, создаст более благоприятные условия для апвеллинга, чем соседние регионы. Апвеллинг обычно начинается на таких хребтах и остается самым сильным на хребте 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 фокусом для морских исследований . Изучая трофические уровни и модели, типичные для регионов апвеллинга, исследователи обнаружили, что системы апвеллинга демонстрируют модель богатства «осиная талия». В этом типе модели высокие и низкие трофические уровни хорошо представлены высоким видовым разнообразием. Однако промежуточный трофический уровень представлен только одним или двумя видами. Этот трофический слой, состоящий из мелких пелагических рыб , обычно составляет всего около трех-четырех процентов видового разнообразия всех присутствующих видов рыб. Нижние трофические слои очень хорошо представлены примерно 500 видами веслоногих рачков , 2500 видами брюхоногих моллюсков и 2500 видами ракообразных в среднем. На вершинном и околовершинном трофических уровнях обычно находится 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 эти виды — либо анчоусы, либо сардины, и обычно присутствует только один вид, 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 не находятся в основании трофической пирамиды, они являются жизненно важными видами, которые связывают всю морскую экосистему и поддерживают продуктивность зон апвеллинга на таком высоком уровне [13]
Серьезной угрозой как для этого важнейшего промежуточного трофического уровня , так и для всей трофической экосистемы апвеллинга является проблема коммерческого рыболовства . Поскольку регионы апвеллинга являются наиболее продуктивными и богатыми видами областями в мире, они привлекают большое количество коммерческих рыбаков и рыболовных хозяйств. С одной стороны, это еще одно преимущество процесса апвеллинга, поскольку он служит жизнеспособным источником пищи и дохода для многих людей и стран, помимо морских животных. Однако, как и в любой экосистеме, последствия чрезмерного вылова рыбы из популяции могут быть пагубными для этой популяции и экосистемы в целом. В экосистемах апвеллинга каждый присутствующий вид играет жизненно важную роль в функционировании этой экосистемы. Если один вид значительно истощен, это окажет влияние на все остальные трофические уровни. Например, если популярный вид добычи становится объектом рыболовства, рыбаки могут выловить сотни тысяч особей этого вида, просто забросив свои сети в воды апвеллинга. По мере истощения этих рыб, истощается и источник пищи для тех, кто охотился на этих рыб. Поэтому хищники целевой рыбы начнут вымирать, и их будет не так много, чтобы кормить хищников, находящихся выше них. Эта система продолжается по всей пищевой цепочке , что приводит к возможному краху экосистемы. Вполне возможно, что экосистема может быть восстановлена со временем, но не все виды могут оправиться от таких событий, как эти. Даже если вид может адаптироваться, может возникнуть задержка в восстановлении этого сообщества апвеллинга. [13]
Возможность такого коллапса экосистемы представляет собой большую 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 оно представляет наибольшую угрозу 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 популярными целями рыболовства, поскольку около 64 процентов всего их улова составляют пелагические рыбы. Среди них шесть основных видов, которые обычно образуют промежуточный трофический слой, составляют более половины улова. [13]
Помимо того, что их отсутствие напрямую приводит к краху экосистемы, это может создавать проблемы в экосистеме и другими способами. Животные, находящиеся на более высоких трофических уровнях, могут не умереть от голода и не вымереть, но сокращение поставок пищи все равно может нанести вред популяции. Если животные не получают достаточно пищи, это снизит их репродуктивную жизнеспособность, что означает, что они не будут размножаться так часто или так успешно, как обычно. Это может привести к сокращению популяции, особенно у видов, которые не размножаются часто в обычных условиях или становятся репродуктивно зрелыми в позднем возрасте. Другая проблема заключается в том, что сокращение популяции вида из-за рыболовства может привести к сокращению генетического разнообразия, что приведет к сокращению биоразнообразия вида. Если разнообразие видов значительно сократится, это может вызвать проблемы для вида в среде, которая настолько изменчива и быстро меняется; они могут не суметь адаптироваться, что может привести к краху популяции или экосистемы. [13]
Еще одной угрозой для производительности и экосистем регионов апвеллинга является система Эль-Ниньо-Южное колебание (ENSO), или, более конкретно, события Эль-Ниньо. В течение обычного периода и событий Ла-Нинья восточные пассаты все еще сильны, что продолжает управлять процессом апвеллинга. Однако во время событий Эль-Ниньо пассаты слабеют, что приводит к снижению апвеллинга в экваториальных регионах, поскольку расхождение вод к северу и югу от экватора не так сильно или не так распространено. Прибрежные зоны апвеллинга также уменьшаются, поскольку они являются ветровыми системами, и ветер больше не является очень сильной движущей силой в этих областях. В результате глобальный апвеллинг резко уменьшается, вызывая снижение производительности, поскольку воды больше не получают богатую питательными веществами воду. Без этих питательных веществ остальная часть трофической пирамиды не может поддерживаться, и богатая экосистема апвеллинга рухнет. [18]
Прибрежный апвеллинг оказывает большое влияние на местный климат затронутого региона. Этот эффект усиливается, если океанское течение уже холодное. По мере того, как холодная, богатая питательными веществами вода движется вверх, а температура поверхности моря становится ниже, воздух непосредственно над ней также охлаждается и, вероятно, конденсируется, образуя морской туман и слоистые облака . Это также препятствует образованию облаков на больших высотах, ливней и гроз и приводит к выпадению осадков над океаном, оставляя сушу сухой. [19] [20] В круглогодичных системах апвеллинга (например, у западных побережий Южной Африки и Южной Америки) температуры, как правило, ниже, а осадков мало. Сезонные системы апвеллинга часто сочетаются с сезонными системами нисходящего потока (например, у западных побережий Соединенных Штатов [21] и Пиренейского полуострова ), что приводит к более прохладному, более сухому, чем в среднем, лету и более мягкой, более влажной, чем в среднем, зиме. Постоянные места апвеллинга обычно имеют полузасушливый / пустынный климат, в то время как сезонные места апвеллинга обычно имеют средиземноморский / полузасушливый климат, в некоторых случаях океанический . Некоторые города мира, затронутые сильными режимами апвеллинга, включают: Сан-Франциско , Антофагаста , Синиш , Эс-Сувейра , Уолфиш-Бей , Кюрасао и другие.