Krążenie Langmuira - Langmuir circulation

Obieg Langmuira

Białe smugi w tej lagunie są spowodowane krążeniem Langmuira.

Te linie sargassum mogą rozciągać się na kilometry wzdłuż powierzchni. Kępy pływających glonów są często skoncentrowane przez silne wiatry i fale związane z Prądem Zatokowym .

W oceanografii fizycznej , cyrkulacja Langmuira składa się z szeregu płytkich, powolny, przeciwbieżnych wirów na powierzchni oceanu wyrównany z wiatrem. Te cyrkulacje powstają, gdy wiatr wieje równomiernie nad powierzchnią morza. Irving Langmuir odkrył to zjawisko po obserwowaniu pryzmy wodorostów na Morzu Sargassowym w 1927 roku. Cyrkulacje Langmuira krążą w warstwie mieszanej ; jednak nie jest jeszcze tak jasne, jak silnie mogą powodować mieszanie u podstawy zmieszanej warstwy.

Teoria

Siłą napędową tych cyrkulacji jest oddziaływanie średniego przepływu z uśrednionymi falowymi przepływami fal powierzchniowych. Prędkość dryfu Stokesa fal rozciąga i przechyla wirowość przepływu w pobliżu powierzchni. Wytwarzanie wirów w górnym oceanie jest równoważone przez dyfuzję w dół (często turbulentną) . Dla przepływu napędzanego wiatrem o prędkości tarcia stosunek dyfuzji wirowości do produkcji określa liczbę Langmuira ${\ Displaystyle \ nu _ {T}}$${\ Displaystyle \ tau}$ ${\displaystyle u_{*}}$

${\ Displaystyle \ operatorname {La} = {\ sqrt {\ Frac {\ nu _ {T} ^ {3} k ^ {6}} {\ sigma a ^ {2} u_ {*} ^ {2} k ^ {4}}}}{\text{ lub }}{\sqrt {\frac {\nu _{T}^{3}\beta ^{6}}{u_{*}^{2}S_{0} \beta ^{3}}}}}$

gdzie pierwsza definicja dotyczy monochromatycznego pola falowego o amplitudzie , częstotliwości i liczbie falowej, a druga wykorzystuje ogólną odwrotną skalę długości i skalę prędkości Stokesa . Przykładem są równania Craika-Leibovicha, które są przybliżeniem średniej Lagrange'a . W przybliżeniu Boussinesqa można zapisać równania rządzące ${\displaystyle a}$${\displaystyle \sigma}$${\displaystyle k}$${\ Displaystyle \ beta}$${\displaystyle S_{0}}$

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

${\ Displaystyle \ nabla _ {i} u_ {i} = 0}$

${\ Displaystyle {\ Frac {\ częściowy \ rho} {\ częściowy t}} + u_ {j} \ \ nabla _ {j} \ rho = \ nabla _ {i} \ kappa \ \ nabla _ {i} \rho}$

gdzie to prędkość płynu, to obrót planety, to prędkość dryfu Stokesa pola fal powierzchniowych, to ciśnienie, to przyspieszenie grawitacyjne, to gęstość, to gęstość odniesienia, to lepkość, to dyfuzyjność. ${\displaystyle u_{i}}$${\ Displaystyle \ Omega}$${\ Displaystyle u_ {i} ^ {s}}$${\displaystyle P}$${\displaystyle g_{i}}$${\ Displaystyle \ rho}$${\ Displaystyle \ rho _ {0}}$${\displaystyle \nu}$${\ Displaystyle \ kappa}$

W warunkach otwartego oceanu, gdzie może nie istnieć dominująca skala długości kontrolująca skalę komórek Langmuira, koncepcja turbulencji Langmuira jest zaawansowana.

Obserwacje

Zaobserwowano, że cyrkulacja znajduje się w zakresie od 0° do 20° na prawo od wiatru na półkuli północnej, a spirala tworzy pasma dywergencji i zbieżności na powierzchni. W strefach konwergencji wzdłuż tych pasm zwykle występują koncentracje pływających wodorostów, piany i gruzu. Wzdłuż tych rozbieżnych stref powierzchnia oceanu jest zazwyczaj wolna od zanieczyszczeń, ponieważ rozbieżne prądy wypychają materiał z tej strefy do sąsiednich stref zbieżnych. Na powierzchni cyrkulacja wytworzy prąd ze strefy dywergencji do strefy konwergencji, a odległości między tymi strefami są rzędu 1–300 m (3–1000 stóp). Poniżej stref zbieżności tworzą się wąskie strumienie o przepływie w dół, a wielkość prądu będzie porównywalna z przepływem poziomym. Propagacja w dół będzie zwykle rzędu metrów lub dziesiątych części metra i nie będzie penetrować piknokliny . Upwelling jest mniej intensywny i odbywa się w szerszym paśmie poniżej strefy rozbieżności. Przy prędkości wiatru w zakresie 2–12 m/s (6,6–39,4 ft/s) maksymalna prędkość pionowa wahała się od 2–10 cm/s (0,79–3,94 cala/s) ze stosunkiem opadania do prędkości wiatru w zakresie od -0,0025 do -0,0085.

Efekty biologiczne

Większa prędkość nawietrzna w strefach zbieżnych komórek Langmuira

Cyrkulacje Langmuira (LC), które są przeciwbieżnymi cylindrycznymi wirami tocznymi w górnym oceanie, odgrywają znaczącą rolę w mieszaniu pionowym. Chociaż są one przejściowe, a ich siła i kierunek zależą od właściwości wiatru i fal, ułatwiają mieszanie składników odżywczych i wpływają na rozmieszczenie organizmów morskich, takich jak plankton, w górnej mieszanej warstwie oceanu. Wytwarzane przez wiatr wiry kołysania tworzą regiony, w których organizmy o różnej wyporności , orientacji i zachowaniach pływackich mogą się agregować, powodując powstawanie niejednorodności. Rzeczywiście, LC może powodować znaczną agregację glonów podczas wydarzeń takich jak czerwony przypływ . Teoretycznie wielkość LC wzrasta wraz z prędkością wiatru, chyba że jest ograniczona nieciągłością gęstości przez piknoklinę . Jednak widoczność efektów powierzchniowych LC może być ograniczona przez załamujące się fale podczas silnych wiatrów, które rozpraszają materiały obecne na powierzchni. Tak więc efekty powierzchniowe LC będą bardziej widoczne podczas wiatrów silniejszych niż krytyczna prędkość wiatru 3 m/s, ale nie za silne.

Wektory PIV wirów przeciwbieżnych

Co więcej, wcześniejsze badania wykazały, że organizmy i materiały mogą agregować w różnych regionach LC, jak prąd opadający w strefie zbieżnej, prąd upwellingowy w strefie rozbieżnej, strefa retencyjna w wirze LC i obszar między strefami upwellingu i opadania. Podobnie stwierdzono, że LC ma wyższy prąd powierzchniowy nawietrzny w strefach zbieżnych ze względu na przepływ podobny do strumienia. Ten szybciej poruszający się zbieżny obszar na powierzchni wody może usprawnić transport organizmów i materiałów w kierunku wiatru.

Wpływ na rośliny

Rozkład cząstek w komórkach Langmuira

W 1927 Langmuir zobaczył zorganizowane rzędy Sargassum natans podczas przekraczania Morza Sargassowego na Oceanie Atlantyckim . W przeciwieństwie do aktywnych pływaków, takich jak zwierzęta i zooplankton, rośliny i fitoplankton są zwykle ciałami pasywnymi w wodzie, a ich agregacja jest determinowana przez zachowanie przepływu. W pryzmach skoncentrowane organizmy planktonowe barwią wodę i wskazują na obecność LC. Zaobserwowano większą zmienność w kablach planktonu pobranych wzdłuż kierunku wiatru niż w próbkach pobranych prostopadle do wiatru. Jedną z przyczyn takiej zmienności może być LC, która powoduje konwergencję (wysoka próbka) lub pomiędzy (niska próbka) strefami w holu wzdłuż wiatru. Podobnie, taki zbieżny efekt LC zaobserwowano jako strefę wysokiego chlorofilu na około 100 mw jeziorze Tahoe, co może być spowodowane ukośnym holowaniem przez LC. Ponadto Sargassum jest przenoszony z powierzchni do bentosu w strefie opadania LC i może tracić pływalność po zatopieniu się na głębokości na wystarczająco długi czas. Niektóre z roślin, które są zwykle obserwowane unoszące się w wodzie, mogą zostać zanurzone podczas silnych wiatrów z powodu prądu opadającego LC. Poza tym, LC może również prowadzić do niejednorodności wiciowców o dodatniej wyporności (w tym toksycznych organizmów przypływu ) podczas kwitnienia. Ponadto zaobserwowano, że fitoplanktery o ujemnej wyporności, które powoli opadałyby w stojącej wodzie, zostały zatrzymane w strefie eufotycznej , co może być spowodowane zawiesiną wytworzoną przez pionowe komórki konwekcyjne.

Co więcej, w szerszym badaniu superkomórek Langmuira, w których cyrkulacja może dotrzeć do dna morskiego, zaobserwowano agregację makroglonów Colpomenia sp. na dnie morskim płytkich wód (~5 m) w Great Bahama Bank ze względu na lokalną prędkość wiatru od około 8 do 13 m/s. Taki LC może być odpowiedzialny za transport biomasy węglowej z płytkich wód do głębin morskich . Efekt ten był widoczny, ponieważ stwierdzono, że koncentracja glonów dramatycznie spadła po wystąpieniu LC, co zaobserwowano na zdjęciach satelitarnych w kolorze oceanu ( NASA ) w okresie badania. Taka agregacja makroglonów o ujemnej wyporności na dnie morskim jest podobna do pryzmy cząstek o wyporności dodatniej na powierzchni wody dzięki LC.

Wpływ na zwierzęta

Podczas gdy rośliny reagują pasywnie na LC, zwierzęta mogą reagować zarówno na LC, obecność agregacji roślin/pokarmu, jak i na światło. Jedną z takich obserwacji była adaptacja Physalia do pryzm zawierających oplatające się Sargassum . Physalia mają tendencję do dryfowania przez pryzmy, co również zwiększa dostępność pożywienia lub zooplankterów w strefach rozbieżnych.

Ponadto badania w jeziorze Mendota wykazały dobrą korelację między koncentracją Daphnia pulex a pojawieniem się linii piany. Podobnie, istotne różnice zaobserwowano w połowach Daphnia hyaline podczas pobierania próbek do i z pian w jeziorze South Wales, przy czym większa liczba pojawiała się w strefie rozbieżnej. Takie rozmieszczenie cząstek i zwierząt można opisać za pomocą modelu matematycznego opracowanego przez Stommela, który sugerował obszar retencji w strefie upwellingu dla cząstek opadających oraz w strefie downwellingu dla cząstek o wyporności dodatniej. W rzeczywistości zooplankton może zostać uwięziony w strefach upwellingu do punktu, w którym zwierzęta są pobudzane do płynięcia w dół. Bardziej szczegółowy model został później opracowany przez Stavna, opisujący agregację zooplanktonu, w której orientacja zwierząt, reakcja na światło grzbietowe i prędkość prądu określały obszar ich koncentracji zarówno w downwellingu (z powodu wolnego prądu), upwellingu (z powodu wysokiego prądu) i pomiędzy tymi ostatnimi. dwie strefy (ze względu na prądy pośrednie). Dokonano dalszych ulepszeń w takich modelach, jak modyfikacja modelu Stommela przez Titmana i Kilhama w celu uwzględnienia różnicy w maksymalnych prędkościach downwellingu i upwellingu oraz przez Evansa i Taylora, którzy omówili niestabilność regionów Stommela ze względu na zmieniającą się prędkość pływania wraz z głębokością, która wytworzyły spiralne trajektorie wpływające na obszar akumulacji.

Niemniej jednak wysoka koncentracja organizmów planktonowych w LC może przyciągać ptaki i ryby. Szkoły Biały Bass chrysops Roccus zaobserwowano karmienie na rozwielitki wzdłuż torów pianki. W przeciwieństwie do tego zaobserwowano mniejsze flamingi Phoeniconaias minor żerujące na liniach bąbelkowych zawierających skoncentrowane niebiesko-zielone algi . Podobnie stwierdzono, że meduzy agregują liniowo (średnia odległość 129 m) równolegle do wiatru w Morzu Beringa, co może być spowodowane dużymi LC. Taka agregacja może wpływać na żerowanie i drapieżnictwo meduzy .

Wpływ na napięcie powierzchniowe

Wysokie stężenie surfaktantów (substancji powierzchniowo czynnych) wytwarzanych przez fitoplankton może skutkować wyższym stresem Marangoni w zbieżnych regionach w LC. Symulacje numeryczne sugerują, że takie naprężenie Marangoni spowodowane środkiem powierzchniowo czynnym może zwiększyć rozmiar struktur wirowych, prędkość pionową i ponowne zmieszanie wody i składników biologicznych/chemicznych w regionie w porównaniu z tym bez środka powierzchniowo czynnego.

Wreszcie, potrzeba więcej badań teoretycznych i eksperymentalnych, aby potwierdzić znaczenie LC.

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• Multimedia związane z krążeniem Langmuir w Wikimedia Commons