Тираж Ленгмюра

редактировать

Серия мелких, медленных, вращающихся в противоположных направлениях вихрей на поверхности океана, выровненных с ветром

Ленгмюровская циркуляция

Белые полосы в этой лагуне связаны с ленгмюровской циркуляцией.

Эти линии саргасс может простираться на многие мили по поверхности. Группы плавающих водорослей часто концентрируются под воздействием сильных ветров и волн, связанных с Гольфстримом.

В физической океанографии, ленгмюровской циркуляцией состоит из серии мелких, медленных, вращающихся в противоположных направлениях вихрей на поверхности океана, выровненных по направлению ветра. Эти циркуляции развиваются, когда ветер постоянно дует над поверхностью моря. Ирвинг Ленгмюр обнаружил это явление после наблюдения валков водорослей в Саргассовом море в 1927 году. Циркуляции Ленгмюра циркулируют в смешанном слое ; однако еще не совсем ясно, насколько сильно они могут вызвать перемешивание в основе смешанного слоя.

Содержание

1 Теория
2 Наблюдения
3 Биологические эффекты
- 3.1 Влияние на растения
- 3.2 Влияние на животных
- 3.3 Влияние на поверхностное натяжение
4 Ссылки
5 Внешние ссылки

Теория

Движущей силой этих циркуляций является взаимодействие среднего потока с волновыми осредненными потоками поверхностных волн. Стоксова скорость дрейфа волн растягивает и изменяет завихренность потока у поверхности. Возникновение завихренности в верхних слоях океана уравновешивается нисходящей (часто турбулентной) диффузией $ν T {\ displaystyle \ nu _ {T}}$ $\ nu _ {T}$ . Для потока, движимого ветром $τ {\ displaystyle \ tau}$ $\ tau$ , характеризуемого скоростью трения $u ∗ {\ displaystyle u _ {*}}$ $u _ {*}$ соотношение диффузии и производства завихренности определяет число Ленгмюра

L a = ν T 3 k 6 σ a 2 u ∗ 2 k 4 или ν T 3 β 6 u ∗ 2 S 0 β 3 {\ 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 }}}}}

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

где первое определение относится к монохроматическому волновому полю с амплитудой $a {\ displaystyle a}$ $a$ , частотой $σ {\ displaystyle \ sigma}$ $\ sigma$ и волновое число $k {\ displaystyle k}$ $k$ , а во втором используется общая шкала обратной длины $β {\ displaystyle \ beta}$ $\ beta$ и скорость Стокса. масштаб $S 0 {\ displaystyle S_ {0}}$ $S_{0}$ . Примером этого служат уравнения Крейка – Лейбовича, которые являются приближением лагранжевого среднего. В приближении Буссинеска определяющие уравнения могут быть записаны в виде $∂ ui ∂ t + uj ∇ jui = - 2 ε ijk Ω j (uks + uk) - ∇ i (P ρ 0 + 1 2 ujsujs + ujsuj) + ε ijkujs ε К ℓ м ∇ ℓ um + gi ρ ρ 0 + ∇ j ν ∇ jui ∇ iui = 0 ∂ ρ ∂ t + uj ∇ j ρ = ∇ i κ ∇ i ρ {\ displaystyle {\ begin {выровнено} {\ frac {\ partial u_ {i}} {\ partial t}} + u_ {j} \, \ nabla _ {j} u_ {i} = {} - 2 \ varepsilon _ {ijk} \ Омега _ {j} (u_ {k} ^ {s} + u_ {k}) - \ nabla _ {i} \ left ({\ frac {P} {\ rho _ {0}}} + {\ frac { 1} {2}} u_ {j} ^ {s} u_ {j} ^ {s} + u_ {j} ^ {s} u_ {j} \ right) \\ [5pt] {} + \ varepsilon _ {ijk} u_ {j} ^ {s} \ varepsilon _ {k \ ell m} \, \ nabla _ {\ ell} u_ {m} + g_ {i} {\ frac {\ rho} {\ rho _ { 0}}} + \ nabla _ {j} \ nu \, \ nabla _ {j} u_ {i} \\ [5pt] \ nabla _ {i} u_ {i} = {} 0 \\ [5pt] { \ frac {\ partial \ rho} {\ partial t}} + u_ {j} \, \ nabla _ {j} \ rho = {} \ nabla _ {i} \ kappa \, \ nabla _ {i} \ rho \ end {align}}}$ ${\ displaystyle {\ begin {align} {\ frac {\ partial u_ {i}} {\ partial t}} + u_ {j} \, \ nabla _ {j} u_ { i} = {} - 2 \ varepsilon _ {ijk} \ Omega _ {j} (u_ {k} ^ {s} + u_ {k}) - \ nabla _ {i} \ left ({\ frac {P } {\ rho _ {0}}} + {\ frac {1} {2}} u_ {j} ^ {s} u_ {j} ^ {s} + u_ {j} ^ {s} u_ {j} \ right) \\ [5pt] {} + \ varepsilon _ {ijk} u_ {j} ^ {s} \ varepsilon _ {k \ ell m} \, \ nabla _ {\ ell} u_ {m} + g_ {i} {\ frac {\ rho} {\ rho _ {0}}} + \ nabla _ {j} \ nu \, \ nabla _ {j} u_ {i} \\ [5pt] \ nabla _ {i } u_ {i} = {} 0 \\ [5pt] {\ frac {\ partial \ rho} {\ partial t}} + u_ {j} \, \ nabla _ {j} \ rho = {} \ nabla _ {i} \ kappa \, \ nabla _ {i} \ rho \ end {align}}}$ где $ui {\ displaystyle u_ {i}}$ $u_ {i}$ - скорость жидкости, $Ω {\ displaystyle \ Omega}$ $\ Omega$ - вращение планеты, $uis {\ displaystyle u_ {i} ^ {s}}$ $u_{i}^{s}$ - скорость стоксова дрейфа поля поверхностных волн, $P {\ displaystyle P}$ $P$ - давление, $gi { \ displaystyle g_ {i}}$ $g_ {i}$ - ускорение свободного падения, $ρ {\ displaystyle \ rho}$ $\ rho$ - плотность, $ρ 0 {\ displaystyle \ rho _ {0}}$ $\ rho _ { 0}$ - эталонная плотность, $ν {\ displaystyle \ nu}$ $\ nu$ - вязкость, а $κ {\ displaystyle \ kappa}$ $\ kappa$ - коэффициент диффузии.

В условиях открытого океана, где может не быть доминирующей шкалы длины, контролирующей масштаб ячеек Ленгмюра, продвигается концепция турбулентности Ленгмюра.

Наблюдения

Циркуляция наблюдалась между 0 ° –20 ° вправо от ветра в северном полушарии и спиралью образующие полосы расхождения и схождения 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 интенсивен и происходит 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

Более высокая скорость ветра в конвергентных зонах ячеек Ленгмюра

Ленгмюровские циркуляции (ЖК), которые представляют собой вращающиеся в противоположных направлениях цилиндрические вихри в верхнем слое 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 распределение морских организмов, таких как планктон, в верхнем смешанном слое океан. Создаваемые ветром катящиеся вихри создают области, где организмы с различной плавучестью, ориентацией и плаванием могут агрегироваться, что приводит к образованию пятен. Действительно, LC может производить значительную агрегацию 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 сильнее критической скорости 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 внутри ЖК, например, нисходящее течение в конвергентной зоне, восходящее течение в расходящейся зоне, удерживающая зона в вихре ЖК и область между зоны апвеллинга и даунвеллинга. Точно так же обнаружено, что LC имеет более высокий наветренный поверхностный ток в зонах схождения из-за струйного потока. Эта быстро движущаяся сходящаяся область на водной поверхности может улучшить перенос организмов и материалов в направлении ветра.

Воздействие на растения

Распределение частиц в клетках Ленгмюра

В 1927 году Ленгмюр увидел организованные ряды натанов саргасса при пересечении Саргассова моря в Атлантический океан. 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. 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 в виде зоны с высоким содержанием хлорофилла на высоте около 100 м в Lake Tahoe, что могло быть связано с наклонной буксировкой через LC. Кроме того, саргасс переносится с поверхности в бентос в зоне опускания LC и может потерять плавучесть после погружения на глубину в течение длительного времени. 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 образованию пятен у положительно плавучих сине-зеленых водорослей (токсичных красных приливов организмов) во время цветения. Кроме того, было замечено, что отрицательно плавучие фитопланктеры, которые медленно тонут в стоячей воде, задерживаются в эвфотической зоне, что может быть связано с суспензией, создаваемой вертикальными конвекционными ячейками.

Кроме того, более широкая зона. исследование суперячеек Ленгмюра, в которых циркуляция может достигать морского дна, обнаружило агрегацию макроводорослей Colpomenia sp. на морском дне мелководья (~ 5 м) в 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 возникновения LC, как это наблюдалось на спутниковых снимках цвета океана (NASA ) во время период учебы. Такое скопление отрицательно плавучих макроводорослей на морском дне аналогично скоплению положительно плавучих частиц на поверхности воды из-за ЖК.

Воздействие на животных

В то время как растения обладают пассивной реакцией на LC, животные могут реагировать как на LC, присутствие агрегации растения / пищи и света. Одним из таких наблюдений была адаптация Physalia к валкам, содержащим спутанный Sargassum. Физалия имеет тенденцию дрейфовать по валкам, что также увеличивает доступность корма или зоопланктера в расходящихся зонах.

Более того, исследования на озере Мендота показали хорошую корреляцию между концентрацией Daphnia pulex и появление линий пены. Аналогичным образом, значительные различия наблюдались в уловах дафний гиалиновых при отборе проб в и из пенистых линий в озере Южный Уэльс, при этом большее количество наблюдалось 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 оказаться в ловушке в зонах апвеллинга до точки, в которой животные будут вынуждены плавать 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 восходящего потока, а также Эвансом и Тейлором, которые обсуждали нестабильность регионов Стоммела из-за изменения скорости плавания с глубиной, которая образуются спиральные траектории, влияющие на область накопления.

Тем не менее, высокая концентрация планктонных организмов в пределах LC может привлекать птиц и рыб. Были замечены стаи белого окуня Roccus chrysops, питающиеся дафниями вдоль пенистой дорожки. Напротив, меньшие Flamingoes Phoeniconaias minor наблюдались поеданием пузырьковых линий, содержащих концентрированные сине-зеленые водоросли. 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. Такая агрегация 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 областях в ЖК. Численное моделирование показывает, 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.

Наконец, более теоретически и необходимы экспериментальные исследования для подтверждения значимости ЖК.

Ссылки

Внешние ссылки

СМИ, связанные с тиражом Ленгмюра на Викискладе