Войти
Северо-западное побережье Британской Колумбии и юго-восток Аляски. Вихри хайда представляют собой эпизодические океанские вихри, вращающиеся по часовой стрелке, которые образуются зимой у западного побережья Хайда-Гвайи Британской Колумбии и архипелага Александра на Аляске. Эти водовороты отличаются большим размером, постоянством и частым повторением. Реки, текущие с североамериканского континента, снабжают континентальный шельф в проливе Гекаты более теплой, свежей и обогащенной питательными веществами водой. Водовороты хайда образуются каждую зиму, когда этот быстрый отток воды через пролив оборачивается вокруг мыса Сент-Джеймс на южной оконечности Хайда-Гвайи и встречается с более прохладными водами течения Аляски. Это образует серию шлейфов, которые могут сливаться в большие водовороты, которые к концу зимы выпадают в северо-восточную часть Тихого океана и могут сохраняться до двух лет.
Вихри Хайда могут иметь диаметр более 250 км, и транспортировать массу прибрежных вод, приблизительно равную объему озера Мичиган, на расстоянии более 1000 км от берега в нижние питательные воды северо-восточной части Тихого океана. Эти «кольца с теплой сердцевиной » переносят тепло в море, доставляя питательные вещества (особенно нитрат и железо) в обедненные питательными веществами области с низкой производительностью. Следовательно, первичная продукция в водоворотах Хайды в три раза выше, чем в окружающих водах, поддерживая обширные сообщества, основанные на фитопланктоне, а также влияя на зоопланктон и итиопланктон состав сообщества.
Название хайда происходит от народа хайда, уроженца региона, с центром на островах Хайда-Гвайи (ранее известные как Острова Королевы Шарлотты ).
Изображение Земли в видимом диапазоне от НАСА; цвет океана со спутника SeaWIFS, показывающий антициклонический вихрь Хайда в Аляскинском течении, к юго-западу от Хайда-Гвайи. Из-за их большого размера ученые смогли наблюдать только в эпоху спутников. полный масштаб и жизненные циклы водоворотов Хайда. Их протяженность такова, что океанский лайнер может перемещаться через водоворот, не наблюдая за его границами, поэтому точных данных не существовало до конца 1980-х годов.
Между 1985-1990 годами первая исследовательская миссия США по изучению изменений высоты поверхности моря с использованием радара альтиметрии (прибор, используемый для измерения высоты поверхности океана с помощью радиолокационный импульс относительно геоида ), был проведен ВМС США с использованием геодезического / геофизического спутника (GEOSAT ). Основное внимание уделялось изучению фронтов, водоворотов, ветров, волн и приливов; каждый из этих процессов приводит к изменению высоты поверхности моря на несколько метров. В 1986 году исследователи Гауэр и Табата наблюдали вихри по часовой стрелке в заливе Аляски с помощью GEOSAT - первого спутникового наблюдения вихрей Хайда. В 1987 году в рамках программы Ocean Storms было задействовано 50 дрифтеров для изучения приливных колебаний и перемешивания во время осенних штормов и наблюдений за вихрями, распространяющимися на запад. Также в 1987 году исследователи Ричард Томсон, Пол ЛеБлонд и Уильям Эмери наблюдали, что океанские дрифтеры, развернутые в заливе Аляски на глубине 100–120 метров от поверхности, прекратили движение на восток и фактически начали двигаться на запад, встречая его. к преобладающему течению. Исследователи объяснили неожиданное движение вихрями, уносящими буи на запад со своей траектории со скоростью примерно 1,5 см / с.
В 1992 г. исследователи Мейерс и Басу наблюдали вихри Хайда как положительные аномалии высоты морской поверхности с помощью TOPEX-POSEIDON, спутниковой платформы на основе альтиметрии (например, GEOSAT). Они особо отметили увеличение количества водоворотов Хайда во время зимы Эль-Ниньо 1997/1998 года. Вихревые альтиметрические наблюдения Хайда были дополнительно дополнены спутниками Европейского дистанционного зондирования, ERS1 и ERS2. В 1995 году Ричард Томсон вместе с Джеймсом Гауэром из Института наук об океане в Британской Колумбии обнаружил первые четкие свидетельства наличия водоворотов вдоль всей континентальной окраины, используя карты температуры из инфракрасных наблюдений с использованием National Oceanic и Спутники Управления атмосферы (NOAA). Спутниковые наблюдения в сочетании с дрифтерными наблюдениями позволили ученым определить физические и биогеохимические структуры вихрей Хайда.
Северо-Тихоокеанское течение, разделенное на южное Калифорнийское течение и северное Аляскинское течение (бифуркация на изображении происходит около 45 ° северной широты). Водовороты Хайда встречаются в приполярном круговороте Аляски к северу от Тихоокеанского течения. Стрелки указывают направление течения. Циркуляция океана в регионе начинается с переноса вод на восток по Северо-Тихоокеанскому течению, также известному как «Дрейф западного ветра», который образует северную ветвь. антициклонического (вращение флюидов по часовой стрелке в Северном полушарии) субтропического круговорота в северной части Тихого океана. Северное Тихоокеанское течение приближается к континентальной части США и разделяется на текущее на юг Калифорнийское течение и текущее на север Аляскинское течение. Широта этой бифуркации зависит от изменений характера западного атмосферного ветра на средних широтах (30-60 ° широты), которые являются основным фактором, влияющим на циркуляцию океана в этом регионе. Эти западные ветры колеблются около 45 ° с.ш. и могут иметь переменную скорость ветра. Изменения в этих ветрах основаны на крупномасштабной атмосферной циркуляции, которая имеет сезонную (лето / зима), межгодовую (ENSO ) и десятилетнюю (Pacific Decadal Oscillation, или PDO) изменчивость.. Затем северо-западное течение Аляски впадает в западное прибрежное течение Аляски и, в конечном итоге, в Аляскинский поток; вместе они составляют циклонический (вращающийся против часовой стрелки) субполярный круговорот Аляски, где встречаются водовороты Хайда.
Зимой место разветвления Северо-Тихоокеанского течения находится примерно на 45 ° северной широты, что на 5 ° южнее того места, где оно разветвляется летом примерно на 50 ° северной широты. Это имеет значение в отношении того, какая вода перемещается в приполярный круговорот Аляски. Зимой, когда разделение течения более южное, переносятся пресные, более теплые воды из рек Колумбия (47 ° N) и Fraser (49 ° N). к северу. Этот сдвиг в текущем положении в северной части Тихого океана приводит к зимним течениям, переносящим относительно более теплую воду к полюсу с более низких широт, чем летом. Хотя северная ветвь субтропического круговорота зимой смещается на юг, субполярный круговорот не меняет своего положения, а усиливает свою циркуляцию. Это усиление приводит к увеличению объема воды с юга в субполярном круговороте, который снова зависит от величины атмосферной циркуляции. Например: Алеутский минимум - это система постоянного низкого давления над заливом Аляска, которая может колебаться в десятилетних временных масштабах, производя PDO. Если эта система будет относительно сильной зимой, будет увеличиваться перенос воды на север вдоль течения Аляски из-за южных ветров. Документально подтверждено, что водовороты хайда формируются преимущественно зимой, когда бифуркация южная, и благоприятные атмосферные условия усиливают субполярный круговорот. В этих условиях также было задокументировано, что образование вихрей Хайда происходит из-за бароклинной нестабильности из-за изменения направления ветра вдоль берега, экваториальных волн Кельвина и топографии дна. Бароклинные неустойчивости образуются при наклоне или наклоне изопикн (горизонтальные линии постоянной плотности). Бароклинная нестабильность из-за смены направления ветра вдоль берега возникает, когда постоянный ветер вдоль побережья меняет направление. Например: в Заливе Аляски ветры в среднем дуют с юга в сторону полюса (так называемые южные ветры), но во время смены направления ветра ветры резко сменяются на северо-западный ветер (приходящий с северо-запада), а прибрежное течение перемещенный на север теперь будет перемещен на юг. Это изменение направления вызывает вращение первоначально направленного на север тока, что приводит к наклону изопинкалей. Волны Кельвина, образующиеся вдоль экватора, могут распространяться вдоль западного побережья Северной Америки до залива Аляска, где их присутствие может вызывать нарушения полярного течения и формировать бароклинную нестабильность. Рельеф дна, третий процесс формирования водоворотов Хайда, может происходить из-за того, что течение Аляски будет взаимодействовать с холмами или скальными образованиями под поверхностью, и это может вызвать бароклинную нестабильность.
Идеализированный водоворот в заливе Аляска. «Изотермы» - это линии, соединяющие точки равной температуры. Теплая, богатая питательными веществами прибрежная вода движется по спирали по часовой стрелке, образуя ядро водоворота. Фитопланктон сконцентрирован на краях водоворота у поверхности океана, питаясь богатой питательными веществами вихревой водой. Водовороты Хайда обладают общими физическими характеристиками, которые зависят от свойств воды. что транспортируется, и как это влияет на общую структуру. Вихри Хайда характеризуются как относительно долгоживущие, переходные (отклонение от среднего океанического течения вдоль побережья), средние (мезомасштаб ) океанские вихри, которые вращаются по часовой стрелке (антициклонические) и обладают теплым, менее соленый керн по сравнению с окружающими водами. Эти теплые воды в водовороте объясняются бароклинным движением по часовой стрелке, которое приводит к скоплению воды около центра и смещению поверхностной воды вниз на глубину (нисходящий ). Это явление называется накачкой Экмана и возникает в результате сохранения массы, вертикальной скорости и силы Кориолиса. Нисходящая вода в результате конвергенции вызывает так называемые «динамические аномалии высоты» между центром и окружающими водами. Аномалия рассчитывается путем взятия разницы между исследуемой поверхностью, например, серединой водоворота Хайда, и контрольной точкой (в океанографии это привязка к геопотенциальной поверхности или геоиду ). Вихри Хайда способны создавать аномалии динамической высоты между центром и окружающими водами 0,12-0,35 м.
Перекачивание поверхностных вод по Экману в сочетании с переносом теплых вод на север (от места бифуркации) снижает температурный градиент от поверхности до 300 м, так что температура воды внутри водоворота ниже поверхности чем в обычных условиях. Стратификация увеличивается между этими более теплыми, менее солеными вихрями и окружающими водами за счет эффективного подавления фоновых линий постоянной температуры (изотерм ) и солености (изохалины ) (показано на рисунке). Это делает их идеальным транспортным средством для транспортировки прибрежных водных объектов в залив Аляски из-за меньшего смешивания с окружающими водами.
По мере того как водовороты Хайда отрываются от берега в субполярный круговорот, они переносят такие свойства воды, как температура, соленость и кинетическая энергия. Обычной водной массой в этом районе является масса верхних вод Тихоокеанского субарктического региона (PSUW) с консервативными (постоянными во времени и пространстве) свойствами солености (32,6-33,6 psu) и температуры (3-15 ° C). PSUW движется в течение Аляски из Северного Тихоокеанского течения и может быть перемешан через водовороты Хайды в субполярный круговорот. Пресная (слабосоленая) вода из рек смешивается в водовороты Хайда. Они также могут обмениваться потенциальной энергией и импульсом от прибрежного среднего течения, процесс, который забирает энергию от прибрежного течения и направляет ее к середине круговорота. В среднем в заливе Аляска происходит 5,5 вихрей Хайда в год, при этом типичный вихрь характеризуется динамической высотой примерно 0,179 м, скоростью распространения 2 км в день, средним диаметром ядра 97 км, общим объемом примерно от 3000 до 6000. км и продолжительностью 30 недель.
Биогеохимическая динамика в водоворотах Хайды обычно характеризуются высокопродуктивными, но относительно обедненными питательными веществами поверхностными водами, которые могут пополняться за счет диффузии и смешивание с богатыми питательными веществами подземными водами керна. Этому обмену питательных веществ также часто способствуют сезонные колебания глубины поверхностного смешанного слоя (~ 20 м зимой, до 100 м летом), в результате чего поверхностные воды с низким содержанием биогенных веществ контактируют с питательными веществами - богатые основные воды по мере углубления смешанного слоя. Зимой при образовании водоворотов в поверхностных водах высока концентрация питательных веществ, включая нитраты, углерод, железо и другие вещества, важные для биологического производства. Однако они быстро потребляются фитопланктоном в течение весны и лета, до осени, когда теперь сниженные концентрации биогенных веществ могут быть медленно восполнены путем смешивания с подземными водами ядра. Чистый эффект водоворотов Хайда на макроэлементы и микроэлементы микроэлементов микроэлементов заключается в переносе материалов из прибрежных вод в открытый океан по морю, увеличивая первичную продуктивность на шельфе внутри места образования вихрей.
Юго-восточная и центральная части залива Аляски, как правило, ограничены содержанием железа, и водовороты Хайда доставляют в эти регионы большие количества богатых железом прибрежных вод. В областях с высоким содержанием питательных веществ и низким содержанием хлорофилла (HNLC) железо имеет тенденцию ограничивать рост фитопланктона больше, чем макроэлементы, поэтому доставка железа играет важную роль в стимулировании биологической активности. В то время как поверхностные воды в водовороте подобны поверхностным водам HNLC, воды в ядре вихря сильно обогащены железом. Железо доставляется вверх на поверхность из ядра вихря в результате физических транспортных свойств, когда вихрь затухает или взаимодействует с другими вихрями. Этот поток железа в фотическую зону (где достаточно света для поддержания роста) связан с увеличением первичной продукции весной и летом и истощением макроэлементов по мере их потребления фитопланктоном. Наблюдалось, что повышенные концентрации железа сохраняются в центре вихря до 16 месяцев после образования вихря. Физические транспортные свойства сохраняют подачу железа на поверхность из все еще богатого железом вихревого ядра в течение всего срока службы вихря. Из-за большого вертикального переноса железа водовороты Хайда вносят значительную часть общего количества железа, доступного для биологического использования.
Общие концентрации растворенного железа в водоворотах Хайда примерно в 28 раз выше, чем в водах открытого океана круговорота Аляски. Среднесуточное поступление железа , приподнятого из ядра вихря, в 39 раз превышает количество железа, вносимого среднесуточным отложением пыли в северо-восточной части Тихого океана. Несмотря на то, что сезонное обмеление и усиление термоклина может препятствовать перемешиванию между поверхностным слоем и обогащенными водами ниже (уменьшая обмен железа между ними на 73%), концентрации все же остаются на порядок величины. выше, чем окружающая вода, ежегодно доставляя примерно 4,6 x 10 моль железа в залив Аляски. Эта нагрузка сравнима с общим поступлением железа из атмосферной пыли или крупных вулканических извержений. Таким образом, появление водоворотов Хайда может внести от 5 до 50% годового объема растворенного железа в верхние 1000 м залива Аляски.
Летом 2012 года удобрение железом В ходе эксперимента 100 тонн тонкоизмельченных оксидов железа были помещены в водоворот Хайда, чтобы увеличить отдачу лосося за счет попытки увеличить первичную продукцию. Это привело к самым высоким концентрациям хлорофилла, измеренным в водовороте, и наиболее интенсивному цветению фитопланктона за последние десять лет в северо-восточной части Тихого океана. Однако влияние этого цветения на более высокие трофические организмы, такие как зоопланктон и рыба, неизвестно.
Концентрации растворенного неорганического углерода (DIC) и нитрат (NO 3), которые являются важными макроэлементами для фотосинтеза, быстро истощаются в вихревых поверхностных водах Хайда в течение большей части своего первого года из-за поглощения их первичной биологической продукцией.. Это поглощение питательных веществ, которое в основном осуществляется фитопланктоном, приводит к наблюдаемому увеличению концентраций хлорофилла-a (Chl-a). Летом большая часть пула DIC потребляется из-за увеличения производства кокколитофорид, которые представляют собой фитопланктон, использующий ион бикарбоната для создания своего карбоната кальция ( CaCO 3), высвобождая диоксид углерода (CO 2) в процессе. Этот процесс также приводит к летнему снижению общей щелочности, которая является мерой способности морской воды нейтрализовать кислоты и в значительной степени определяется концентрациями бикарбонатов и карбонат ионов. Окружающие поверхностные воды демонстрируют аналогичные или даже немного более высокие концентрации DIC, общей щелочности и нитратов, и иногда могут обмениваться поверхностными водами с водоворотами Хайда, как было засвидетельствовано, когда Хайда-2000 объединился с Хайда-2001. Хотя некоторый обмен питательными веществами происходит на поверхности, экспорт органического углерода из водоворотов не увеличивается, а концентрация органического углерода на глубине меняется незначительно, что позволяет предположить, что органический углерод, образующийся в результате первичной продукции, в значительной степени рециркулируется в водоворотах..
В феврале поверхностные концентрации CO 2 (количественно выраженные как ƒCO 2 ) в центре и краях вихря начинаются относительно перенасыщенными по сравнению с атмосферными. Концентрации CO 2, но быстро падают, частично из-за биологического производства. К июню CO 2 становится недонасыщенным по сравнению с атмосферными концентрациями, но в течение лета снова немного увеличивается, чему способствует потепление. В центре вихря ƒCO 2 обычно достигает почти равновесия с атмосферой при падении (в зависимости от времени углубления смешанного слоя), когда вертикальное увлечение и перемешивание снизу могут пополнять ƒCO 2, а также теперь обедненные концентрации ДВС и нитратов. Однако более низкие значения ƒCO 2 имеют тенденцию сохраняться в течение лета в прибрежных водах, скорее всего, из-за наличия повышенной биологической продукции, о чем свидетельствует присутствие более высоких концентраций Chl-a. Окружающие воды обычно достигают паритета с атмосферным CO 2 к весне после небольшого начального снижения в начале года. Чистое удаление CO 2 из атмосферы водоворотами Хайда оценивается в 0,8-1,2 x 10 тонн в год, что подчеркивает важную роль, которую они играют в заливе Аляска.
Транспортировка и доставка других следов металлов в заливе Аляска также усиливаются водоворотами Хайда и могут привести к увеличению захоронения следов металлов в морских отложения, где они больше не могут использоваться для поддержания биологического роста. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что водовороты Хайда могут быть важным источником растворенных ионов серебра с концентрацией водоворотов в поверхностной воде в три-четыре раза выше, чем в окружающей воде. Скорость поглощения силикатов морскими диатомовыми водорослями в водоворотах Хайды в три раза больше, чем в окружающих водах, что свидетельствует о значительном росте популяции диатомовых водорослей. Вихри хайда являются важным источником серебра для производства диатомовых водорослей, поскольку серебро включается в силикатные оболочки диатомовых водорослей, а перенос серебра, связанный с вихрями хайда, способствует росту диатомовых водорослей. Серебро поглощается этим производством и в конечном итоге переносится на глубину тонущими частицами органического вещества, связывая серебро с морским силикатным циклом.
. Большие количества растворенных ионов алюминия и марганца также поставляются Залив Аляска за счет вихревого переноса прибрежных вод, обогащенных речными поступлениями. Переносимое количество также сопоставимо с количеством атмосферной пыли. Такое поступление следов металлов влияет на скорость удаления растворенного железа, поскольку частицы имеют тенденцию агрегироваться и опускаться на морское дно - процесс, на который может приходиться 50-60% удаления растворенного алюминия и марганца. Кроме того, есть данные об усилении доставки кадмия и меди в залив Аляски водоворотами Хайда.
Водовороты Хайда могут производить низкое содержание силикатов и высокое содержание нитратов, хлорофилла и осадконакопление на шельфе..
Вихри, образующиеся у берегов залива Аляска, переносят питательные вещества шельфа на запад в воды с высоким содержанием питательных веществ, низким содержанием хлорофилла (HNLC) и олиготрофные (с низким содержанием питательных веществ) воды северо-восточной части Тихого океана, или на юг, в воды с сезонным обеднением нитратов. Если водовороты направляются на юг от Аляскинского залива к Британской Колумбии, воды в водовороте становятся обогащенными питательными веществами за счет морской воды, из которой они захватывают питательные вещества, в результате чего прибрежные воды становятся относительно бедными питательными веществами. Если водовороты направляются на запад в воды HNLC центральной части бассейна залива Аляска, они переносят твердые частицы и снабжают фотическую зону нитратами, которые в три раза превышают типичный сезонный перенос, увеличивая весеннюю продуктивность.
Время адвекции от водоворота имеет важные сезонные последствия для доставки питательных веществ. Прибрежные воды с высоким содержанием питательных веществ и железа переносятся в залив Аляски либо из центра водоворота, либо из внешнего кольца. Ядро водоворота содержит теплые, свежие, богатые питательными веществами воды, образующиеся зимой, и с добавлением солнечного света дает сильные весенние цветы первичной продуктивности на море. Когда вихрь смещается на запад поздней весной и летом, внешнее кольцо смешивает прибрежные и глубоководные воды океана в виде больших дуг вокруг края вихря. Этот процесс оказывает влияние на сотни километров от берега и способствует обмену питательными веществами между шельфом и глубоководным океаном с конца зимы до следующей осени.
Питательные вещества, захваченные и перенесенные водоворотами Хайда, поддерживают больший биологический рост по сравнению с окружающей океанской водой с низким содержанием питательных веществ.
Повышенные измерения хлорофилла в центрах вихрей по сравнению с окружающей водой указывают на то, что вихри увеличивают первичную продукцию и могут поддерживать многократное цветение фитопланктона в течение одного года. Это цветение вызвано не только повышенным содержанием питательных веществ, но и способностью водоворота переносить биоту с побережья в водоворот. Весеннее цветение вызвано тем, что достаточное количество света достигает теплой, богатой питательными веществами воды, содержащейся в середине водоворота, из-за антициклонического вращения. Второе цветение может произойти, когда водоворот переместился ближе к глубине океана, когда внешние пределы водоворота могут собрать богатую питательными веществами воду либо с побережья, либо из соседнего водоворота. Прибрежная вода, переносимая этой адвекцией внешнего кольца, может переместиться от берега в водоворот за шесть дней, что также позволяет быстро переносить прибрежные водоросли в водовороты, богатые питательными веществами. Цветение в конце лета может произойти, если штормы вызывают вертикальную конвекцию смешанного слоя, заставляя его углубляться и захватывать питательные вещества снизу в область первичной продукции.
Высокая кинетическая энергия вихрей (EKE) также может увеличивать концентрацию хлорофилла в водоворотах. Северный залив Аляски и вихревые районы Хайда имеют больше хлорофилла, когда EKE было выше, что может быть вызвано штормами, вызывающими более сильное перемешивание смешанного слоя и поступление питательных веществ снизу. Из-за этой корреляции исследования показывают, что EKE можно использовать для прогнозирования цветения хлорофилла.
Водовороты гайды влияют на распределение зоопланктона, перенося прибрежные виды в глубокие океаны. В первое лето, когда водоворот перемещается в сторону от берега, прибрежные виды часто доминируют в сообществах зоопланктона, но через один или два года исчезают по мере того, как водоворот рассеивается. Виды, которые совершают прямую вертикальную миграцию, могут оставаться в ядре вихря в течение более длительных периодов времени.
Влияние вихрей Хайда на более крупные организмы остается плохо изученным. Считается, что они влияют на зимние привычки кормления северных морских котиков, обеспечивая пищу при низких затратах энергии. Состав ихтиопланктона в водоворотах значительно отличается от состава окружающей воды океана. Видовой состав основан на том, где образуется вихрь, и, следовательно, какие прибрежные виды он приобрел. Видовое богатство личинок рыб коррелирует с расстоянием от центра водоворота, а более богатое - ближе к сердцевине. Сообщества ихтиопланктона также меняются в зависимости от возраста вихря.
