Cienkie warstwy (oceanografia) - Thin layers (oceanography)

Widoczne warstwy czerwonego przypływu , planktonicznego rozkwitu glonów u wybrzeży południowej Kalifornii

Cienkie warstwy to skoncentrowane skupiska fitoplanktonu i zooplanktonu w wodach przybrzeżnych i przybrzeżnych, które są ściśnięte pionowo do grubości od kilku centymetrów do kilku metrów i są rozległe w poziomie, czasami na kilometry. Generalnie cienkie warstwy mają trzy podstawowe kryteria: 1) muszą być poziomo i czasowo trwałe; 2) nie mogą przekraczać krytycznego progu grubości pionowej; oraz 3) muszą przekraczać krytyczny próg maksymalnego stężenia. Dokładne wartości krytycznych progów cienkich warstw były przedmiotem debaty przez długi czas ze względu na ogromną różnorodność planktonu, oprzyrządowania i warunków środowiskowych. Cienkie warstwy mają wyraźne sygnatury biologiczne, chemiczne, optyczne i akustyczne, które są trudne do zmierzenia przy użyciu tradycyjnych technik pobierania próbek, takich jak siatki i butelki. Jednak w ciągu ostatnich dwóch dekad nastąpił gwałtowny wzrost liczby badań cienkich warstw ze względu na duży postęp w technologii i oprzyrządowaniu. Fitoplankton jest często mierzony za pomocą instrumentów optycznych, które mogą wykryć fluorescencję, takich jak LIDAR , a zooplankton jest często mierzony za pomocą instrumentów akustycznych, które mogą wykryć akustyczne rozproszenie wsteczne, takie jak ABS . Te nadzwyczajne stężenia planktonu mają istotne konsekwencje dla wielu aspektów ekologii morza (np. Dynamiki wzrostu fitoplanktonu, wypasu zooplanktonu, zachowania, skutków środowiskowych, szkodliwych zakwitów glonów ), a także dla optyki oceanów i akustyki. Należy zauważyć, że cienkie warstwy zooplanktonu często znajdują się nieco pod warstwami fitoplanktonu, ponieważ wiele z nich żeruje na nich. Cienkie warstwy występują w wielu różnych środowiskach oceanicznych, w tym w ujściach rzek, półkach przybrzeżnych, fiordach, zatokach i otwartym oceanie, i często są one związane z pewną formą struktury pionowej w słupie wody, taką jak pikokliny , oraz w strefach zmniejszony przepływ.

Kryteria

Trwałość

Cienkie warstwy utrzymują się od godzin do tygodni, podczas gdy inne niewielkie plamy planktonu istnieją przez kilka minut. Obecność składników odżywczych, a także fronty przybrzeżne, wiry i strefy upwellingu znacznie zwiększają trwałość cienkich warstw. Jednym z głównych kryteriów uznawania agregacji planktonu za cienką warstwę jest to, że zwiększone stężenie na pewnej głębokości słupa wody musi pojawić się w następnie mierzonych profilach. Jednak cienkie warstwy są dynamiczne i rozległe w poziomie, więc ich trwałości nie można określić za pomocą wielu pomiarów tylko w jednym miejscu. Badanie alg Karenia brevis odpowiedzialnych za nowsze i coraz dłuższe zakwity czerwonego przypływu pokazuje, że wzorce ekspresji genów komórkowych są niezwykle zróżnicowane, co oznacza, że ten konkretny gatunek planktonu jest bardziej odporny, ponieważ dobrze dostosowuje się do zmieniających się warunków. Badania wskazują również, że zakwity czerwonego przypływu są często przerywane przez interakcje z innymi drobnoustrojami, takimi jak wirusy i bakterie, które mogą konkurować o te same składniki odżywcze lub niekorzystnie wpływać na komórki glonów.

Grubość

W niektórych badaniach uznano, że maksymalny krytyczny próg grubości pionowej cienkich warstw wynosi trzy metry, ale nowsze dane wykazały, że kryteria można złagodzić do pięciu metrów. Poziome rozciągłości cienkich warstw mogą sięgać dziesiątek kilometrów, a ich współczynnik proporcji poziomej do pionowej wynosi zwykle co najmniej 1000: 1.

Intensywność

Intensywność cienkiej warstwy odnosi się do maksymalnego stężenia planktonu w warstwie w stosunku do tła i słupa wody. Stężenia w cienkich warstwach mogą wynosić od trzech do 100 razy więcej niż tło i do 75% całkowitej biomasy w słupie wody.

Tworzenie

Pławność

Odtwórz multimedia

Warstwy fitoplanktonu występujące w Oceanie Arktycznym.

Cienkie warstwy nieruchliwego fitoplanktonu mają tendencję do gromadzenia się na granicach silnych pionowych gradientów zasolenia ( halokliny ), temperatury ( termokliny ) i gęstości ( pikokliny ), które często pokrywają się, ponieważ są wprost proporcjonalne. Te szczególne cienkie warstwy powstają w wyniku zatopienia nieruchliwego fitoplanktonu, który osiąga neutralną pływalność na piknoclinie i tłumi pionową turbulentną dyspersję na tych głębokościach. Inne badania wykazały, że gradienty składników odżywczych (nutriclines) również przyczyniają się do tworzenia cienkich warstw.

Migracja pionowa

Wiele zooplanktonów zwykle wykazuje wzorzec migracji pionowej diel ( DVM ), który dyktuje ich głębokość w słupie wody na podstawie pory dnia. Fitoplankton wymaga światła słonecznego do fotosyntezy i produkcji białek, ale nie przyciąga go przede wszystkim światło. Jest to widoczne po ich pojedynczym ruchu w górę blisko powierzchni przed wschodem słońca i pojedynczym zejściu w głębsze wody przed zachodem. Ich zbiorowe ruchy mogą skutkować agregacją, która tworzy cienkie warstwy. Uważa się, że te regularne ruchy są regulowane przez wewnętrzny zegar przy normalnych stężeniach składników odżywczych. Jednak zaobserwowano również, że migrują one nieregularnie, gdy stężenia składników odżywczych są wyższe lub niższe niż normalnie.

Plaster planktonu w oceanie jest rozpraszany poziomo w wyniku ścinania prędkości

Chemotaksja

Zaobserwowano, że ruchomy plankton jest w stanie wykryć i płynąć w kierunku wyższych stężeń składników odżywczych i / lub intensywności światła. Mechanizm ten nazywany jest chemotaksją i jest częściowo odpowiedzialny za tworzenie się cienkich warstw na głębokościach, na których występuje obfitość składników odżywczych. Inny mechanizm specyficzny dla bruzdnicowatych nazywany jest helikalną klinotaksją, w której zdolność komórki glonów do reagowania zarówno na pozytywne, jak i negatywne sygnały chemosensoryczne ma kluczowe znaczenie dla ich ruchliwości. Gdyby bruzdnice nie były zdolne zarówno do dodatniej, jak i ujemnej chemotaksji, nie nawigowałyby z powodzeniem ze względu na naturę wici poprzecznej i podłużnej powodującej odpowiednio ruchy obrotowe i postępowe.

Wiry, włókna i fronty

Żyrotaktyczne wychwytywanie pływającego planktonu w wyniku gwałtownych zmian prędkości przepływu w oceanie.

Inną oczywistą przyczyną cienkich warstw jest poziomy transport wód o dużej koncentracji planktonu do wód o niższych stężeniach. W tym przypadku sugeruje się, że przyczyną zakwitu glonów i niektórych cienkich warstw są wypiętrzenia wody bogatej w składniki odżywcze na zboczu. Jednak zaobserwowano, że na granicach bardziej złożonych mechanizmów płynowych, takich jak wiry, włókna i fronty, tworzą się cienkie warstwy. Te cienkie warstwy znajdowały się w warstwie przejściowej, obszarze maksymalnego ścinania i rozwarstwienia u podstawy mieszanej warstwy.

Naprężenie przez ścinanie

Mechanizm płynu, który przyczynia się do tworzenia cienkich warstw, to odkształcanie płynu przez profil prędkości ścinania, który powoduje przechylenie płynu i rozproszenie go w poziomie. Jeśli płat planktonu znajduje się na ścinanym płynie, cienka warstwa mogłaby powstać w wyniku odkształcenia łaty przez ścinanie z prędkością. Cztery fazy rozkładu planktonu spowodowane odkształceniem to: 1) przechylanie, 2) zmniejszanie się lepkości pod wpływem ścinania, 3) rozpad i 4) rozpraszanie (dyssypacja) przy ścinaniu.

Żyrotaktyczne pułapki

Ostra zmiana prędkości przepływu może również uniemożliwić niektórym ruchomym planktonom orientację lub pływanie w pionie. Ten mechanizm płynów nazywany jest pułapką żyrotaktyczną.