stringtranslate.com

Вихревая накачка

Вихревой насос является компонентом мезомасштабного вихревого вертикального движения в океане . Это физический механизм, посредством которого вертикальное движение создается из изменений вращательной силы вихря. Циклонические ( антициклонические ) вихри приводят в первую очередь к апвеллингу ( даунвеллингу ). Это ключевой механизм, управляющий биологическими и биогеохимическими процессами в океане, такими как цветение водорослей и углеродный цикл .

Механизм

Концептуальное представление подъема глубинных вод в усиливающемся циклоническом вихре в Северном полушарии. (Вдохновлено [1] )

Вихри оказывают эффект повторной стратификации , что означает, что они имеют тенденцию организовывать воду в слои различной плотности. Эти слои разделены поверхностями, называемыми изопикнами . Повторная стратификация смешанного слоя сильнее всего в областях с большими горизонтальными градиентами плотности, также известных как «фронты», где геострофический сдвиг и потенциальная энергия обеспечивают источник энергии, из которого могут расти бароклинные и симметричные неустойчивости . [2] Ниже смешанного слоя область быстрого изменения плотности (или пикноклин ) разделяет верхнюю и нижнюю воду, препятствуя вертикальному переносу.

Концептуальное нисходящее движение в усиливающемся антициклоническом вихре в Северном полушарии. (Вдохновлено [1] )

Вихревая накачка является компонентом мезомасштабного вихревого вертикального движения. Такое вертикальное движение вызвано деформацией пикноклина. Его можно концептуализировать, предположив, что океанская вода имеет поверхность плотности со средней глубиной, усредненной по времени и пространству. Эта поверхность отделяет верхний океан, соответствующий эвфотической зоне , от нижнего, глубокого океана . Когда вихрь проходит через него, такая поверхность плотности деформируется. В зависимости от фаз жизненного цикла вихря это создаст вертикальные возмущения в разных направлениях. Жизненный цикл вихрей делится на формирование, эволюцию и разрушение. Возмущения вихревой накачки бывают трех типов:

Вихрецентричный подход

Вихри Mode-water имеют сложную структуру плотности. Из-за своей формы их нельзя отличить от обычных антициклонов в вихрецентрическом (сфокусированном на ядре вихря) анализе, основанном на высоте уровня моря . Тем не менее, вихревая накачка, индуцированная вертикальным движением в эвфотической зоне вихрей Mode-water, сопоставима с циклонами. По этой причине объясняются только циклонические и антициклонические механизмы возмущений вихревой накачки.

Концептуальное объяснение, основанное на уровне поверхности моря

Интуитивное описание этого механизма определяется как вихрецентрический анализ, основанный на уровне поверхности моря. [3] В Северном полушарии вращение против часовой стрелки в циклонических вихрях создает расхождение горизонтальных поверхностных течений из-за эффекта Кориолиса , что приводит к увлажнению поверхности воды. Чтобы компенсировать неоднородность возвышения поверхности, изопикнические поверхности поднимаются к эвфотической зоне, и может произойти включение глубоких океанических вод, богатых питательными веществами. [4]

Физическое объяснение

Концептуально вихревой насос связывает вертикальное движение внутри вихрей с временными изменениями относительной завихренности вихря. [3] Вертикальное движение, создаваемое изменением завихренности, понимается из характеристик воды, содержащейся в ядре вихря. Циклонические вихри вращаются против часовой стрелки (по часовой стрелке) в Северном (Южном) полушарии и имеют холодное ядро. Антициклонические вихри вращаются по часовой стрелке (против часовой стрелки) в Северном (Южном) полушарии и имеют теплое ядро. Разница температуры и солености между ядром вихря и окружающими водами является ключевым элементом, движущим вертикальное движение. Распространяясь в горизонтальном направлении, циклоны и антициклоны «изгибают» пикноклин вверх и вниз соответственно, что вызвано этим несоответствием температуры и солености. Степень вертикального возмущения поверхности плотности внутри вихря (по сравнению со средней поверхностью плотности океана) определяется изменениями вращательной силы (относительной завихренности) вихря. [5]

Игнорируя горизонтальную адвекцию в уравнении сохранения плотности , изменения плотности из-за изменений в завихренности могут быть напрямую связаны с вертикальным переносом. Это предположение согласуется с идеей вертикального движения, происходящего в центре вихря, в соответствии с изменениями идеально кругового потока. [6]

Концептуальное описание воздействия на пикноклин и вертикальный перенос, как циклонический вихрь усиливается и разрушается. Во время усиления пикноклин поднимается, что создает апвеллинг. Напротив, этот процесс создает дайввеллинг, когда циклон затухает и пикноклин возвращается в исходное состояние.

Благодаря такому механизму вихревой насос создает подъем холодных, богатых питательными веществами глубинных вод в циклонических вихрях и опускание теплых, бедных питательными веществами поверхностных вод в антициклонических вихрях.

Концептуальное описание воздействия на пикноклин и вертикальный перенос, как антициклонический вихрь усиливается и разрушается. Во время усиления пикноклин движется вниз, что создает даунвеллинг. Напротив, этот процесс создает даунвеллинг, когда антициклон затухает, и пикноклин возвращается в исходное состояние.

Зависимость от фазы жизненного цикла

Вихри ослабевают со временем из-за рассеивания кинетической энергии . По мере того, как вихри формируются и усиливаются, механизмы, упомянутые выше, будут усиливаться, и, поскольку увеличение относительной завихренности создает возмущения изопикнических поверхностей, пикноклин деформируется. С другой стороны, когда вихри стареют и несут низкую кинетическую энергию , их завихренность уменьшается и приводит к разрушению вихря. Такой процесс противостоит образованию и усилению вихрей, поскольку пикноклин вернется в свое исходное положение до деформации, вызванной вихрем. Это означает, что пикноклин будет подниматься в антициклонах и сжиматься в циклонах, что приведет к подъему и опусканию соответственно. [3]

Характеристики вихревой накачки

Направление вертикального движения в циклонических и антициклонических вихрях не зависит от полушария. Наблюдаемые вертикальные скорости вихревой накачки составляют порядка одного метра в день. Однако существуют региональные различия. В регионах, где кинетическая энергия выше, например, в западном пограничном течении , обнаружено, что вихри генерируют более сильные вертикальные течения, чем вихри в открытом океане . [7]

Ограничения

При описании вертикального движения в вихрях важно отметить, что вихревая накачка является лишь одним компонентом сложного механизма. Другим важным фактором, который следует учитывать, особенно при рассмотрении взаимодействия океана и ветра, является роль, которую играет вихревая накачка Экмана . [7] Некоторые другие ограничения приведенного выше объяснения обусловлены идеализированным, квазикруговым линейным динамическим ответом на возмущения, который пренебрегает вертикальным смещением, которое может испытывать частица, двигаясь вдоль наклонной нейтральной поверхности. [5] Вертикальное движение в вихрях является довольно недавней темой исследования, которая все еще представляет ограничения в теории как из-за сложности, так и из-за отсутствия достаточных наблюдений. Тем не менее, представленное выше является упрощением, которое помогает частично объяснить важную роль, которую вихри играют в биологической продуктивности, а также их биогеохимическую роль в углеродном цикле.

Биологическое воздействие

Недавние открытия показывают, что мезомасштабные вихри, вероятно, играют ключевую роль в транспортировке питательных веществ, например, в пространственном распределении концентрации хлорофилла в открытом океане. [8] Однако недостаток знаний о влиянии вихревой активности все еще заметен, поскольку утверждается, что вклад вихрей недостаточен для поддержания наблюдаемой первичной продукции за счет поставок азота в части субтропического круговорота . [9] Хотя механизмы, посредством которых вихри формируют экосистемы, еще не полностью изучены, вихри транспортируют питательные вещества посредством комбинации горизонтальных и вертикальных процессов. Перемешивание и улавливание связаны с транспортировкой питательных веществ, тогда как вихревая перекачка, вихреобразующая экмановская перекачка и вихревые воздействия на глубину смешанного слоя изменяют питательные вещества. [3] Здесь обсуждается роль, которую играет вихревая перекачка.

Циклоническая вихревая накачка стимулирует новую первичную продукцию, поднимая богатые питательными веществами воды в эвфотическую зону. Полное использование поднятых питательных веществ гарантируется двумя основными факторами. Во-первых, биологическое поглощение происходит в масштабах времени, которые намного короче средней продолжительности жизни вихрей. Во-вторых, поскольку увеличение питательных веществ происходит внутри вихря, изолированного от окружающих вод, биомасса может накапливаться до тех пор, пока поднятые питательные вещества не будут полностью потреблены. [7]

Основные примеры

Доказательства биологического воздействия механизма вихревой перекачки представлены в различных публикациях, основанных на наблюдениях и моделировании множества мест по всему миру. Вихрецентрические аномалии хлорофилла наблюдались в регионе Гольфстрима и у западного побережья Британской Колумбии ( вихри Хайда ), а также вызванное вихрями усиление биологической продукции в месте слияния рек Уэдделла и Скотия в Южном океане , в северной части залива Аляска , в Южно-Китайском море , в Бенгальском заливе , в Аравийском море и в северо-западной части моря Альборан , и это лишь некоторые из них. [7] Оценки вихревой перекачки в Саргассовом море привели к потоку от 0,24 до 0,5 азота . [10] [11] Эти количества были сочтены достаточными для поддержания скорости новой первичной продукции, соответствующей оценкам для этого региона.

В более широком экологическом масштабе, вихревые изменения производительности влияют на компромисс между выживаемостью личинок фитопланктона и численностью хищников. Эти концепции частично объясняют мезомасштабные изменения в распределении личинок голубого тунца , парусника , марлина , меч-рыбы и других видов. Распределение взрослых рыб также было связано с наличием циклонических вихрей. В частности, более высокая численность голубого тунца и китообразных в Мексиканском заливе и голубого марлина вблизи Гавайев связана с деятельностью циклонических вихрей. Такие пространственные закономерности распространяются на морских птиц, замеченных в окрестностях вихрей, включая больших фрегатов в Мозамбикском проливе и альбатросов , крачек и буревестников в южной части Индийского океана . [3]

Цветение фитопланктона в Северной Атлантике из-за вихревого подъема глубинных вод. [Мы признаем использование изображений, предоставленных службами NASA Global Imagery Browse Services (GIBS), частью Системы данных и информации NASA Earth Observing System (EOSDIS).] [12]

Цветение водорослей в Северной Атлантике

Северное море является идеальным бассейном для формирования цветения водорослей или весеннего цветения из-за сочетания обильных питательных веществ и интенсивных арктических ветров, которые способствуют перемешиванию вод. Цветение является важным показателем здоровья морской экосистемы.

Весеннее цветение фитопланктона, как считалось, инициируется сезонным увеличением освещенности и поверхностной стратификацией. Недавние наблюдения в ходе субполярного эксперимента в Северной Атлантике [13] и биофизические модели предполагают, что цветение может быть результатом стратификации, вызванной вихрями, которая происходит на 20–30 дней раньше, чем это произошло бы из-за сезонных изменений. Эти результаты революционизируют все понимание весеннего цветения. Более того, было показано, что вихревая накачка и вихревая накачка Экмана доминируют в биологических полях позднего и постцветения. [14]

Биогеохимия

Фитопланктон поглощает посредством фотосинтеза. Когда такие организмы умирают и опускаются на морское дно, поглощенный ими углерод сохраняется в глубинах океана через так называемый биологический насос . Недавние исследования изучали роль вихревой перекачки и, в более общем плане, вертикального движения в мезомасштабных вихрях в углеродном цикле. Доказательства показали, что вызванный вихревой перекачкой подъем и опускание глубинных вод могут играть значительную роль в формировании способа хранения углерода в океане. Несмотря на то, что исследования в этой области только развиваются, первые результаты показывают, что вихри вносят менее 5% от общего годового экспорта фитопланктона в глубь океана. [15]

Пластиковое загрязнение

Вихри играют важную роль в распределении микропластика на поверхности моря в океане. Благодаря своей конвергентной природе антициклонические вихри захватывают и транспортируют микропластик на поверхности моря вместе с питательными веществами, хлорофиллом и зоопланктоном. В североатлантическом субтропическом круговороте первое прямое наблюдение за концентрациями микропластика на поверхности моря между циклоническим и антициклоническим мезомасштабным вихрем показало повышенное накопление в последнем. [16] Накопление микропластика оказывает воздействие на окружающую среду через его взаимодействие с биотой. Первоначально плавучие пластиковые частицы (от 0,01 до 1 мм) погружаются ниже глубины климатологического смешанного слоя в основном из-за биообрастания . В регионах с очень низкой продуктивностью частицы остаются в верхней части смешанного слоя и могут опуститься ниже него только в случае весеннего цветения. [17]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab nibal (2014-10-09). "Прогнозируемые изменения в тропической части Тихого океана". SlideServe . Получено 2022-03-19 .
  2. ^ Томас, Лейф; Феррари, Раффаэле (2008-11-01). «Трение, фронтогенез и стратификация поверхностного смешанного слоя». Журнал физической океанографии . 38 (11): 2501–2518. Bibcode : 2008JPO....38.2501T. doi : 10.1175/2008jpo3797.1. hdl : 1912/4060 . ISSN  1520-0485.
  3. ^ abcde McGillicuddy, Dennis J. (2016-01-03). «Механизмы физико-биологического-биогеохимического взаимодействия в океаническом мезоскопическом масштабе». Annual Review of Marine Science . 8 (1): 125–159. Bibcode :2016ARMS....8..125M. doi :10.1146/annurev-marine-010814-015606. hdl : 1912/7530 . ISSN  1941-1405. PMID  26359818.
  4. ^ Ли, Цзюньминь; Ци, Ицюань; Цзин, Чжию; Ван, Цзя (апрель 2014 г.). «Улучшение вихре-Экмановского насоса внутри антициклонических вихрей с параллельным ветру расширением: спутниковые наблюдения и численные исследования в Южно-Китайском море». Журнал морских систем . 132 : 150–161. Bibcode : 2014JMS...132..150L. doi : 10.1016/j.jmarsys.2014.02.002. ISSN  0924-7963.
  5. ^ ab He, Qingyou; Zhan, Haigang; Cai, Shuqun; Zha, Guozhen (февраль 2016 г.). «Об асимметрии аномалий поверхностного хлорофилла, вызванных вихрями, в юго-восточной части Тихого океана: роль вихре-Экмановского насоса». Progress in Oceanography . 141 : 202–211. Bibcode : 2016PrOce.141..202H. doi : 10.1016/j.pocean.2015.12.012 . ISSN  0079-6611.
  6. ^ Нарделли, Бруно Буонджорно (октябрь 2013 г.). «Вихревые волны и вертикальное движение в мезомасштабном циклоническом вихре». Журнал геофизических исследований: Океаны . 118 (10): 5609–5624. Bibcode : 2013JGRC..118.5609N. doi : 10.1002/jgrc.20345. ISSN  2169-9275.
  7. ^ abcd G., Gaube, Peter McGillicuddy, Dennis J. Chelton, Dudley B. Behrenfeld, Michael J. Strutton, Peter (2015-02-24). Региональные вариации влияния мезомасштабных вихрей на хлорофилл вблизи поверхности. John Wiley & Sons. OCLC  1130871102.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  8. ^ Макгилликадди, диджей; Робинсон, Арканзас; Сигел, Д.А.; Яннаш, Х.В.; Джонсон, Р.; Дики, ТД; Макнил, Дж.; Майклс, А.Ф.; Кнап, AH (июль 1998 г.). «Влияние мезомасштабных вихрей на новую продукцию в Саргассовом море». Природа . 394 (6690): 263–266. Бибкод : 1998Natur.394..263M. дои : 10.1038/28367. ISSN  1476-4687. S2CID  4412679.
  9. ^ Ошлис, Андреас; Гарсон, Вероник (июль 1998 г.). «Усиление первичной продукции, вызванное вихрями, в модели северной части Атлантического океана». Nature . 394 (6690): 266–269. Bibcode :1998Natur.394..266O. doi :10.1038/28373. ISSN  1476-4687. S2CID  4337454.
  10. ^ Siegel, David A. (15 июня 1999 г.). «Мезомасштабные вихри, спутниковая альтиметрия и новая продукция в Саргассовом море». Journal of Geophysical Research . 104 (C6): 13359–13379. Bibcode : 1999JGR...10413359S. doi : 10.1029/1999JC900051.
  11. ^ Макгилликудди, DJ; Робинсон, AR (1997-08-01). «Вихревое снабжение питательными веществами и новая продукция в Саргассовом море». Исследования глубоководных районов, часть I: Океанографические исследовательские документы . 44 (8): 1427–1450. Bibcode : 1997DSRI...44.1427M. doi : 10.1016/S0967-0637(97)00024-1. ISSN  0967-0637.
  12. ^ "Цветение фитопланктона в Северной Атлантике". earthobservatory.nasa.gov . 2010-05-26 . Получено 2022-03-24 .
  13. ^ "Эксперимент по цветению в Северной Атлантике". apl.uw.edu . Получено 2022-03-24 .
  14. ^ DJ McGillicuddy Jr (1995). «Связанное физическое и биологическое моделирование весеннего цветения в Северной Атлантике (II): трехмерные процессы цветения и постцветения». Deep Sea Research Часть I: Oceanographic Research Papers . 42 (8): 1359–1398. Bibcode : 1995DSRI...42.1359M. doi : 10.1016/0967-0637(95)00035-5.
  15. ^ Prend, Channing (2019-09-20). "Насколько важен экспорт углерода океаническими вихрями?". oceanbites . Получено 2022-03-24 .
  16. ^ Brach, Laurent; Deixonne, Patrick; Bernard, Marie-France; Durand, Edmée; Desjean, Marie-Christine; Perez, Emile; van Sebille, Erik; ter Halle, Alexandra (01.01.2018). «Антициклонические вихри увеличивают накопление микропластика в субтропическом круговороте Северной Атлантики». Marine Pollution Bulletin . 126 : 191–196. doi : 10.1016/j.marpolbul.2017.10.077. hdl : 1874/358491 . ISSN  0025-326X. PMID  29421088. S2CID  46848531.
  17. ^ Фишер, Рейнт; Лобелль, Дельфина; Кои, Мерел; Кёльманс, Альберт; Онинк, Виктор; Лауфкоттер, Шарлотта; Амарал-Цеттлер, Линда; Йол, Эндрю; ван Себилле, Эрик (27.09.2021). «Моделирование подводных биозагрязненных микропластиков и их вертикальных траекторий». Biogeosciences Discussions : 1–29. doi : 10.5194/bg-2021-236 . ISSN  1726-4170. S2CID  244217444.