Ленгмюровское кровообращение - Langmuir circulation

Ленгмюровское кровообращение

Белые полосы в этой лагуне связаны с циркуляцией Ленгмюра.

Эти линии саргасса могут простираться 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 над поверхностью моря постоянно дует ветер. Ирвинг Ленгмюра обнаружила это явление после наблюдения валков водорослей в Саргассовом море в 1927 году ленгмюровских тиражей циркулировать в смешанном слое ; однако еще не совсем ясно, насколько сильно они могут вызвать перемешивание в основе смешанного слоя.

Теория

Движущей силой этих циркуляций является взаимодействие среднего потока с волновыми осредненными потоками поверхностных волн. Стоксова дрейфовая скорость 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, соотношение диффузии завихренности и производства определяет число Ленгмюра. ${\ 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, которые являются приближением лагранжевого среднего . В приближении Буссинеска определяющие уравнения можно записать ${\ displaystyle a}$${\ displaystyle \ sigma}$${\ displaystyle k}$${\ displaystyle \ beta}$${\ displaystyle S_ {0}}$

${\ displaystyle {\ frac {\ partial u_ {i}} {\ partial t}} + u_ {j} \, \ nabla _ {j} u_ {i} = - 2 \ varepsilon _ {ijk} \ Omega _ { j} (u_ {k} ^ {s} + u_ {k}) - \ nabla _ {i} \ left ({\ frac {P} {\ rho _ {0}}} + {\ frac {1} { 2}} u_ {j} ^ {s} u_ {j} ^ {s} + u_ {j} ^ {s} u_ {j} \ right) + \ varepsilon _ {ijk} u_ {j} ^ {s} \ varepsilon _ {k \ ell m} \, \ nabla _ {\ ell} u_ {m} + g_ {i} {\ frac {\ rho} {\ rho _ {0}}} + \ nabla _ {j} \ nu \, \ nabla _ {j} u_ {i}}$

${\ Displaystyle \ набла _ {я} и_ {я} = 0}$

${\ displaystyle {\ frac {\ partial \ rho} {\ partial t}} + u_ {j} \, \ nabla _ {j} \ rho = \ nabla _ {i} \ kappa \, \ nabla _ {i} \ rho}$

где - скорость жидкости, - вращение планеты, - скорость стоксова дрейфа поля поверхностных волн, - давление, - ускорение свободного падения, - плотность, - эталонная плотность, - вязкость, - коэффициент диффузии. ${\ displaystyle u_ {i}}$${\ displaystyle \ Omega}$${\ Displaystyle и_ {я} ^ {s}}$${\ displaystyle P}$${\ displaystyle g_ {i}}$${\ displaystyle \ rho}$${\ displaystyle \ rho _ {0}}$${\ displaystyle \ nu}$${\ displaystyle \ kappa}$

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

Наблюдения

Циркуляция наблюдалась между 0 ° –20 ° вправо от ветра в северном полушарии и спиралью, образующей 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 течения 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 . Апвеллинг менее интенсивный и протекает в более широкой полосе 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.

Биологические эффекты

Повышенная скорость ветра в конвергентных зонах ячеек Ленгмюра

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. Создаваемые ветром вихри крена создают области, где могут собираться организмы разной плавучести , ориентации и плавания, что приводит к образованию пятен. Действительно, LC может производить значительное скопление водорослей во время таких событий, как красный прилив . 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. 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.

PIV-векторы встречно вращающихся вихрей

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 дивергентной зоне, зона удержания в вихре LC и область между зонами апвеллинга и даунвеллинга. 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

Распределение частиц внутри ячеек Ленгмюра

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 скопление 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. 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. Точно так же такой эффект конвергенции LC также наблюдался как зона с высоким содержанием хлорофилла на высоте около 100 м в озере Тахо, что могло быть связано с наклонной буксировкой через LC. Кроме того, саргассум переносится с поверхности на бентос в зоне опускания ЛЦ и может потерять плавучесть после затопления на достаточное время на глубине. Некоторые из растений, которые обычно наблюдаются плавающими в воде, могут затонуть в условиях сильного ветра из-за нисходящего потока LC. Кроме того, LC также может приводить к пятнистости положительно плавучих динофлагеллат (включая токсичные организмы красного прилива ) во время цветения. Более того, было замечено, что фитопланктеры с отрицательной плавучестью, которые медленно тонут в стоячей воде, остаются в эвфотической зоне, что может быть связано с суспензией, создаваемой вертикальными конвекционными ячейками.

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 местной скорости ветра от 8 до 13 м / с. 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 плавучих макроводорослей на морском дне похоже на валки положительно плавучих частиц на поверхности воды из-за ЖК.

Влияние на животных

В то время как растения пассивно реагируют на ЖК, животные могут реагировать как на ЖК, так и на присутствие агрегации растения / пищи и на свет. 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.

Более того, исследования на озере Мендота показали хорошую корреляцию между концентрацией Daphnia pulex и появлением линий пены. Аналогичным образом, существенные 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 расходящейся зоне. Такое распределение частиц и животных можно описать с помощью математической модели, разработанной Стоммелом, которая предложила области удержания в зоне апвеллинга для тонущих частиц и в зоне нисходящего потока для частиц с положительной плавучестью. Фактически, зоопланктон может попасть в зоны апвеллинга до такой степени, что животные будут вынуждены плыть вниз. 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 последними. две зоны (за счет промежуточных токов). В таких моделях были дальнейшие улучшения, такие как модификация модели Стоммела, разработанная Титманом и Килхэмом для учета разницы в максимальных скоростях нисходящего и апвеллинга, а также Эвансом и Тейлором, которые обсуждали нестабильность регионов Стоммела из-за изменения скорости плавания с глубиной, которая образовались спиральные траектории, влияющие на область накопления.

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. В отличие от этого, наблюдались малые Flamingoes Phoeniconaias minor, которые питались пузырьковыми линиями, содержащими концентрированные сине-зеленые водоросли . Точно так же было обнаружено, что медузы собираются в линейном порядке (среднее расстояние 129 м) параллельно ветру в Беринговом море, что может быть связано с большими LC. Такое скопление может повлиять на питание и хищничество медуз .

Влияние на поверхностное натяжение

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 перемешивание воды и биологических / химических компонентов в локальной области по сравнению с таковым без поверхностно-активного вещества.

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

использованная литература

внешние ссылки

• СМИ, связанные с обращением Ленгмюра на Викискладе?