Ленгмюровская циркуляция

Ленгмюровская циркуляция

Белые полосы в этой лагуне связаны с циркуляцией Ленгмюра.

Эти линии саргасса могут тянуться на многие мили вдоль поверхности. Группы плавающих водорослей часто концентрируются под воздействием сильных ветров и волн, связанных с Гольфстримом .

В физической океанографии , Ленгмюра циркуляция состоит из ряда мелких, медленные, вращающиеся в противоположных направлениях вихрей на поверхности океана выровненного с ветром. Эти циркуляции развиваются, когда ветер постоянно дует над поверхностью моря. Ирвинг Ленгмюра обнаружила это явление после наблюдения валков водорослей в Саргассовом море в 1927 г. ^[1] Ленгмюра циркуляции циркулировать внутри смешанного слоя ; однако еще не совсем ясно, насколько сильно они могут вызвать перемешивание в основе смешанного слоя.^[2]

Теория [ править ]

Движущей силой этих циркуляций является взаимодействие среднего потока с волновыми осредненными потоками поверхностных волн.Скорость стоксова дрейфа волн растягивает и наклоняет завихренность потока у поверхности. Возникновение завихренности в верхних слоях океана уравновешивается нисходящей (часто турбулентной) диффузией . Для потока, движущегося ветром, характеризуемого скоростью трения, отношение диффузии завихренности и производства определяет число Ленгмюра ^[2]${\ displaystyle \ nu _ {T}}$${\ Displaystyle \ тау}$ ${\ displaystyle u _ {*}}$

${\ displaystyle \ mathrm {La} = {\ sqrt {\ frac {\ nu _ {T} ^ {3} k ^ {6}} {\ sigma a ^ {2} u _ {*} ^ {2} k ^ {4}}}} {\ text {или}} {\ sqrt {\ frac {\ nu _ {T} ^ {3} \ beta ^ {6}} {u _ {*} ^ {2} S_ {0} \ beta ^ {3}}}}}$

где первое определение предназначено для монохроматического волнового поля амплитуды , частоты и волнового числа, а второе использует общую шкалу обратной длины и шкалу скорости Стокса . Примером этого являются уравнения Крейка – Лейбовича ^[3], которые являются приближением лагранжевого среднего . ^{[4] [5]} В приближении Буссинеска основные уравнения могут быть записаны где - скорость жидкости, - вращение планеты, - скорость стоксова дрейфа поля поверхностной волны, - давление, - ускорение свободного падения, - плотность, ${\ displaystyle a}$${\ displaystyle \ sigma}$${\ displaystyle k}$${\ displaystyle \ beta}$${\ displaystyle S_ {0}}$${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {\partial u_{i}}{\partial t}}+u_{j}\,\nabla _{j}u_{i}={}&-2\varepsilon _{ijk}\Omega _{j}(u_{k}^{s}+u_{k})-\nabla _{i}\left({\frac {P}{\rho _{0}}}+{\frac {1}{2}}u_{j}^{s}u_{j}^{s}+u_{j}^{s}u_{j}\right)\\[5pt]&{}+\varepsilon _{ijk}u_{j}^{s}\varepsilon _{k\ell m}\,\nabla _{\ell }u_{m}+g_{i}{\frac {\rho }{\rho _{0}}}+\nabla _{j}\nu \,\nabla _{j}u_{i}\\[5pt]\nabla _{i}u_{i}={}&0\\[5pt]{\frac {\partial \rho }{\partial t}}+u_{j}\,\nabla _{j}\rho ={}&\nabla _{i}\kappa \,\nabla _{i}\rho \end{aligned}}}$${\displaystyle u_{i}}$${\displaystyle \Omega }$${\displaystyle u_{i}^{s}}$${\displaystyle P}$${\displaystyle g_{i}}$${\displaystyle \rho }$${\displaystyle \rho _{0}}$- эталонная плотность, - вязкость, - коэффициент диффузии.${\displaystyle \nu }$${\displaystyle \kappa }$

В условиях открытого океана, где может не быть доминирующего масштаба длины, контролирующего масштаб ячеек Ленгмюра, выдвигается концепция турбулентности Ленгмюра .^[6]

Наблюдения [ править ]

Циркуляция наблюдалась между 0 ° –20 ° вправо от ветра в северном полушарии ^[7] и спираль, образующая полосы расхождения и конвергенции.на поверхности. В зонах конвергенции обычно наблюдаются скопления плавающих морских водорослей, пены и мусора вдоль этих полос. Вдоль этих расходящихся зон поверхность океана обычно очищена от мусора, поскольку расходящиеся потоки вытесняют материал из этой зоны в соседние зоны схождения. На поверхности циркуляция будет устанавливать течение из зоны дивергенции в зону конвергенции, а расстояние между этими зонами составляет порядка 1–300 м (3–1 000 футов). Ниже зон конвергенции образуются узкие струи нисходящего потока, и величина тока будет сопоставима с горизонтальным потоком. Нисходящее распространение обычно составляет порядка метров или десятых долей метра и не проникает через пикноклин . апвеллингменее интенсивен и занимает более широкую полосу под зоной дивергенции. При скорости ветра от 2 до 12 м / с (6,6–39,4 футов / с) максимальная вертикальная скорость составляла от 2 до 10 см / с (0,79–3,94 дюйма / с) с соотношением скорости ветра вниз и вниз. от −0,0025 до −0,0085.^[8]

Биологические эффекты [ править ]

Ленгмюровские циркуляции (ЖК), которые представляют собой вращающиеся в противоположных направлениях цилиндрические валковые вихри в верхних слоях океана, играют важную роль в вертикальном перемешивании. Хотя они временны и их сила, а также направление зависят от свойств ветра и волн, они способствуют смешиванию питательных веществ и влияют на распространение морских организмов, таких как планктон, в верхнем смешанном слое океана. ^{[9] [10]} Создаваемые ветром вращающиеся вихри создают области, где организмы разной плавучести , ориентации и плавания могут собираться, что приводит к образованию пятен. ^[11] Действительно, LC может производить значительное скопление водорослей во время таких событий, как красный прилив.. ^[10] Теоретически размер ЖК увеличивается со скоростью ветра, если только он не ограничен скачками плотности пикноклином . Но видимость поверхностных эффектов ЖК может быть ограничена обрушивающимися волнами во время сильных ветров, которые рассеивают материалы, присутствующие на поверхности. ^[12] Таким образом, поверхностные эффекты LC с большей вероятностью будут видны при ветрах, более сильных, чем критическая скорость ветра 3 м / с, но не слишком сильных.

Более того, предыдущие исследования показали, что организмы и материалы могут агрегироваться в различных областях в пределах LC, таких как нисходящее течение в конвергентной зоне, восходящее течение в расходящейся зоне, зона удержания в вихре LC и область между зонами апвеллинга и даунвеллинга. ^[13] Точно так же обнаружено, что LC имеет более высокое наветренное поверхностное течение в зонах схождения из-за струйного потока. Эта быстро движущаяся сходящаяся область на водной поверхности может улучшить перенос организмов и материалов в направлении ветра.

Влияние на растения [ править ]

В 1927 году Ленгмюр увидел организованные ряды Sargassum natans , пересекая Саргассово море в Атлантическом океане . В отличие от активных пловцов, таких как животные и зоопланктон, растения и фитопланктон обычно являются пассивными телами в воде, и их агрегация определяется поведением потока. В валках концентрированные планктонные организмы окрашивают воду и указывают на присутствие ЖК. Наблюдается большая изменчивость уловов планктона, собранных вдоль направления ветра, чем у образцов, собранных перпендикулярно ветру. ^[14] И одна из причин такого разброса может быть связана с LC, который приводит к конвергенции (высокая выборка) или промежуточным зонам (низкая выборка) при попутной буксировке. ^[15]Точно так же такой эффект конвергенции LC также наблюдался в виде зоны с высоким содержанием хлорофилла на высоте около 100 м в озере Тахо, что могло быть связано с наклонной буксировкой через LC. ^[16] Кроме того, саргасс переносится с поверхности в бентос в зоне опускания ЛЦ и может потерять плавучесть после погружения на глубину в течение длительного времени. ^[17] Некоторые из растений, которые обычно наблюдаются плавающими в воде, могут затонуть во время сильного ветра из-за нисходящего потока LC. Кроме того, LC также может приводить к появлению пятнистости положительно плавучих сине-зеленых водорослей (токсичных организмов красного прилива ) во время цветения. ^[18]Более того, фитопланктеры с отрицательной плавучестью, которые медленно тонут в стоячей воде, остаются в эвфотической зоне, что может быть связано с суспензией, создаваемой вертикальными конвекционными ячейками. ^{[19] [20]}

Более того, более широкое исследование суперячеек Ленгмюра, в которых циркуляция может достигать морского дна, выявило агрегацию макроводорослей Colpomenia sp. на морском дне мелководья (~ 5 м) на банке Большого Багамы из-за местного ветра со скоростью около 8-13 м / с. ^[21] Такой ЖК может нести ответственность за перенос углеродной биомассы с мелководья в глубокое море . Этот эффект был очевиден, так как было обнаружено, что концентрация водорослей резко снизилась после появления ЖК, что наблюдалось на спутниковых снимках цвета океана ( НАСА ) в течение периода исследования. Такое скопление отрицательно плавучихмакроводоросли на морском дне похожи на валки положительно плавучих частиц на поверхности воды за счет ЖК.

Влияние на животных [ править ]

В то время как растения пассивно реагируют на ЖК, животные могут реагировать как на ЖК, так и на наличие скоплений растений / пищевых продуктов и света. Одним из таких наблюдений была адаптацией физалий к валкам , содержащих запутывание Sargassum . Физалия имеет тенденцию дрейфовать по валкам, что также увеличивает доступность корма или зоопланктона в расходящихся зонах. ^[22]

Более того, исследования на озере Мендота показали хорошую корреляцию между концентрацией Daphnia pulex и появлением линий пены. Аналогичным образом, значительные различия наблюдались в уловах гиалиновой дафнии при отборе проб в районе пенистой зоны озера Южный Уэльс и за ее пределами , причем большее количество образцов было обнаружено в зоне отклонения. ^[23] Такое распределение частиц и животных можно описать с помощью математической модели, разработанной Стоммелом, которая предлагает области удержания в зоне апвеллинга для тонущих частиц и в зоне нисходящего потока для частиц с положительной плавучестью. ^[15] Собственно зоопланктонмогут застрять в зонах апвеллинга до такой степени, что животные будут вынуждены плыть вниз. ^[24] Позже Ставном была разработана более подробная модель, описывающая агрегацию зоопланктона, где ориентация животных, реакция спинного света и скорость течения определяли область их концентрации в нисходящем (из-за медленного течения), апвеллинге (из-за сильного течения) и между двумя последними зонами (из-за промежуточных токов). ^[11] В такие модели были внесены дальнейшие улучшения, такие как модификация модели Стоммеля, разработанная Титманом и Килхэмом, с целью учета разницы в максимальных скоростях нисходящего и восходящего потока ^[25]и Эвансом и Тейлором, которые обсуждали нестабильность регионов Стоммела из-за изменения скорости плавания с глубиной, что приводило к спиральным траекториям, влияющим на область накопления. ^[10]

Тем не менее, высокая концентрация планктонных организмов в ЛЦ может привлекать птиц и рыб. Школы Белого Bass Roccus Chrysops наблюдали кормление на дафний вдоль дорожки пены. ^[26] Напротив, было замечено , что меньшие Flamingoes Phoeniconaias minor питаются пузырьками, содержащими концентрированные сине-зеленые водоросли . ^[27] Точно так же было обнаружено, что медузы собираются по линейной схеме (среднее расстояние 129 м) параллельно ветру в Беринговом море, что может быть связано с большими LC. ^[12] Такое скопление может повлиять на питание и хищничество медуз .

Влияние на поверхностное натяжение [ править ]

Высокая концентрация поверхностно-активных веществ (поверхностно-активных веществ), продуцируемых фитопланктоном, может привести к более высокому стрессу Марангони в сходящихся регионах ЖК. Численное моделирование предполагает, что такое напряжение Марангони из-за поверхностно-активного вещества может увеличивать размер вихревых структур, вертикальную скорость и повторное смешивание воды и биологических / химических компонентов в локальной области по сравнению с таковым без поверхностно-активного вещества. ^[28]

Наконец, необходимы дополнительные теоретические и экспериментальные исследования, чтобы подтвердить важность ЖК.

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• СМИ, связанные с обращением Ленгмюра на Викискладе?