.jpg/1280px-Sea_spray_and_waves_(Unsplash).jpg)
Морские брызги — это аэрозольные частицы, образующиеся из океана , в основном путем выброса в атмосферу Земли в результате лопающихся пузырьков на границе раздела воздух-море. [1] Морские брызги содержат как органические вещества, так и неорганические соли, которые образуют аэрозоль морской соли (SSA). [2] SSA обладает способностью образовывать ядра конденсации облаков (CCN) и удалять из атмосферы антропогенные аэрозольные загрязнители . [3] Также было обнаружено, что крупные морские брызги препятствуют развитию молний в грозовых облаках. [4]
Морские брызги прямо (и косвенно, через SSA) ответственны за значительную степень потоков тепла и влаги между атмосферой и океаном, [5] [6] влияя на глобальные климатические условия 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, бараки и прибойные волны смешивают воздух с поверхностью моря, воздух перегруппировывается, образуя пузыри, всплывает на поверхность и взрывается на границе раздела воздух-море. [10] Когда они взрываются, они выпускают до тысячи частиц морских брызг, [10] [11] размер которых варьируется от нанометров до микрометров и может быть выброшен на расстояние до 20 см от поверхности моря. [10] Капли пленки составляют большую часть более мелких частиц, созданных в результате первоначального взрыва, 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] , они обычно больше по размеру и имеют меньшее время пребывания в воздухе. Удар падающих волн о поверхность моря также приводит к образованию морских брызг в виде капель [11] [13] . Состав морских брызг зависит прежде всего от состава воды, из которой они производятся, но в широком смысле представляет собой смесь солей и органических веществ . Несколько факторов определяют поток морских брызг, особенно скорость ветра, высоту волн , период волнения, влажность и разницу температур между атмосферой и поверхностными водами. [14] Таким образом, скорость производства и распределения SSA по размерам зависит от состояния смешивания. [15] Менее изученной областью образования морских брызг является образование морских брызг в результате воздействия капель дождя на морскую поверхность . [11]
Помимо местных условий, влияющих на образование морских брызг, существуют также устойчивые пространственные закономерности в образовании и составе морских брызг. Поскольку морские брызги образуются при смешивании воздуха с океаном, градиенты образования возникают за счет турбулентности поверхностных вод. [14] Воздействие волн вдоль береговой линии обычно является местом наибольшей турбулентности, поэтому именно здесь наблюдается наибольшее образование морских брызг. Частицы, генерируемые в турбулентных прибрежных районах, могут перемещаться горизонтально на расстояние до 25 км в пределах планетарного пограничного слоя . [14] По мере уменьшения расстояния от берега производство морских брызг снижается до уровня, поддерживаемого почти исключительно барашками. [14] Часть площади поверхности океана, которая достаточно турбулентна, чтобы образовывать значительные морские брызги, называется фракцией белых шапок. [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 во взвешенном состоянии в атмосфере, и обычно откладываются обратно в море в пределах нескольких десятков метров от места транспортировки. [10]
В зимние месяцы океан обычно испытывает штормовые и ветреные условия, которые вызывают большее затопление моря воздухом и, следовательно, большее количество морских брызг. [16] Более спокойные летние месяцы приводят к снижению общего производства морских брызг. [16] Во время пика первичной продуктивности летом увеличение количества органических веществ на поверхности океана приводит к последующему увеличению количества морских брызг. Учитывая, что морские брызги сохраняют свойства воды, из которой они были получены, состав морских брызг сильно меняется в зависимости от сезона. Летом растворенный органический углерод (РОУ) может составлять 60–90% массы морских брызг. [16] Несмотря на то, что во время штормового зимнего сезона 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 органических веществ 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 показателя первичной продукции и содержания органических веществ в морских брызгах, но его надежность для оценки концентрации растворенного органического углерода является спорной. [21] Биомасса часто попадает в морские брызги в результате гибели и лизиса клеток водорослей, что часто вызывается вирусными инфекциями . [20] Клетки распадаются на растворенный органический углерод, который выбрасывается в атмосферу, когда пузырьки на поверхности лопаются. Когда летом первичная продуктивность достигает пика, цветение водорослей может привести к образованию огромного количества органических веществ, которые в конечном итоге попадают в морские брызги. [16] [20] В правильных условиях агрегация растворенного органического углерода также может образовывать поверхностно-активные вещества или морскую пену .
При сильных ветрах слой капельного испарения (DEL) влияет на поверхностный энергетический теплообмен океана. [22] Скрытый тепловой поток морских брызг, образующийся в слое испарения капель, был назван важным дополнением 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 бараков капли морских брызг проявляют те же свойства, что и поверхность океана, но быстро адаптируются к окружающему воздуху. Некоторые капли морских брызг немедленно снова впитываются в море, в то время как другие полностью испаряются и вносят частицы соли, такие как диметилсульфид (ДМС), в атмосферу, где они могут переноситься посредством турбулентности в слои облаков и служить ядрами конденсации облаков . [15] Образование таких ядер конденсации облаков, как диметилсульфид, также имеет последствия для климата из-за их влияния на формирование облаков и взаимодействия с солнечной радиацией. [15] Кроме того, попадание в атмосферу морских брызг DMS связано с глобальным циклом серы . [23] Понимание общего воздействия природных источников, таких как морские брызги, может пролить свет на критические ограничения, создаваемые антропогенным влиянием, и может быть объединено с химией, биологией и физикой океана для прогнозирования будущей изменчивости океана и атмосферы. [15]
Доля органических веществ в морских брызгах может влиять на отражательную способность , определять общий охлаждающий эффект SSA [20] и слегка изменять способность SSA образовывать ядра конденсации облаков (17). Даже небольшие изменения уровней 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 отражение падающей солнечной радиации. [20]
Влияние морских брызг на поверхностный тепло- и влагообмен достигают пиков в периоды наибольшей разницы между температурами воздуха и моря. [22] При низкой температуре воздуха поток явного тепла от морских брызг может быть почти таким же большим, как поток скрытого тепла от брызг в высоких широтах. [6] Кроме того, морские брызги увеличивают поток энтальпии воздух/море во время сильных ветров в результате перераспределения температуры и влажности в морском пограничном слое . [7] Капли морских брызг, попадающие в воздух, термически уравновешивают ~1% своей массы. Это приводит к добавлению явного тепла перед возвращением в океан, увеличивая их потенциал для значительного ввода энтальпии. [7]
Эффекты переноса морских брызг в пограничном слое атмосферы еще полностью не изучены. [11] Капли морских брызг изменяют потоки импульса воздух-море, ускоряясь и замедляясь ветром. [11] При ураганном ветре наблюдается некоторое уменьшение потока импульса воздуха/моря. [10] Это уменьшение потока импульса проявляется как насыщение коэффициента сопротивления воздуха/моря . Некоторые исследования выявили воздействие разбрызгивания как одну из потенциальных причин насыщения коэффициента сопротивления воздуха/моря. [24] [25] [26] В ходе нескольких численных и теоретических исследований было показано, что морские брызги, если они 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 распространение растительных сообществ в прибрежных экосистемах. [29] Концентрация ионов в морских брызгах, выпадающих на сушу, в целом аналогична их концентрации в океане, за исключением того, что содержание калия в морских брызгах часто выше. [8] Отложение солей на суше обычно уменьшается по мере удаления 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 стеблей 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]
Хотя соли в морских брызгах могут серьезно подавлять рост растений в прибрежных экосистемах, выбирая солеустойчивые виды, морские брызги также могут приносить жизненно важные питательные вещества в эти места обитания. Например, одно исследование показало, что морские брызги в Уэльсе, Великобритания, ежегодно доставляют примерно 32 кг калия на гектар прибрежных песчаных дюн. [10] Поскольку почвы дюн очень быстро вымывают питательные вещества, удобрение морскими брызгами может иметь большое влияние на экосистемы дюн, особенно на растения, которые менее конкурентоспособны в средах с ограниченным количеством питательных веществ.
Вирусы, бактерии и планктон повсеместно распространены в морской воде, и это биоразнообразие отражается на составе морских брызг. [14] Вообще говоря, морские брызги содержат несколько меньшую концентрацию микробов, чем вода, из которой они производятся. Однако микробное сообщество морских брызг часто отличается от близлежащих водоемов и песчаных пляжей, что позволяет предположить, что некоторые виды более склонны к транспортировке SSA, чем другие. Морские брызги с одного пляжа могут содержать тысячи операционных таксономических единиц (ОТЕ). [14] Около 10 000 различных OTU были обнаружены в морских брызгах между Сан-Франциско, Калифорния, и Монтереем, Калифорния, и только 11% из них встречаются повсеместно. [14] Это говорит о том, что морские брызги в каждом прибрежном регионе, вероятно, имеют свой собственный уникальный комплекс микробного разнообразия, причем тысячи новых OTU еще предстоит обнаружить. Многие из наиболее распространенных OTU были отнесены к следующим таксонам: Cryptophyta (отряд), Stramenopiles (отряд) и OM60 (семейство). [14] Многие из них даже были отнесены к роду: Persicirhabdus, Fluviicola, Synecococcus, Vibrio и Enterococcus. [14]
Ученые предположили, что поток переносимых по воздуху микроорганизмов кружит по планете над погодными системами, но ниже коммерческих воздушных линий. [32] Некоторые из этих странствующих микроорганизмов переносятся земными пыльными бурями, но большинство происходит из морских микроорганизмов, содержащихся в морских брызгах. В 2018 году группа ученых сообщила, что сотни миллионов вирусов и десятки миллионов бактерий ежедневно оседают на каждом квадратном метре планеты. [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 растворены в микроскопических каплях воды в воздухе. [35]
Испытание в солевом тумане является мерой прочности материала или устойчивости к коррозии, особенно если материал будет использоваться на открытом воздухе и должен выполнять механическую нагрузку или выполнять другую важную роль. Эти результаты часто представляют большой интерес для морской промышленности , продукция которой может подвергаться резкому ускорению коррозии и последующему выходу из строя из-за воздействия соленой воды. [36]
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
