Кіріспе
Жоғары тығыздықтағы материалдың төмен тығыздықтағы материалдың астына жинақталу және шөгу процесі.
Төмен қарай ағып кету – үлкен сұйықтық массасы ішіндегі сұйық бөлігінің және оның қасиеттерінің (мысалы, тұздылығы, температурасы, pH) төмен қарай қозғалысы. Бұл құбылыс жоғары қарай ағып шығумен тығыз байланысты. Төмен қарай ағып кету көбінесе мұхит процестерін сипаттау үшін қолданылса да, ол Жердегі әртүрлі құбылыстарды сипаттау үшін де пайдаланылады. Оларға мантия динамикасы, ауа ағындары және тұщы су жүйелеріндегі (мысалы, ірі көлдердегі) қозғалыс жатады. Бұл мақалада мұхиттың төмен қарай ағып кетуі және оның мұхит айналымы мен биогеохимиялық циклдерге тигізетін маңызды әсеріне назар аударылады. Суды төмен қарай тасымалдаудың екі негізгі механизмі бар: жүзу күшінің әсері және желдің әсерінен туындайтын Экман ағысы (яғни Экман сорғысы). Төмен қарай ағып кету теңіз тіршілігіне маңызды әсер етеді. Жер бетіндегі судың, әдетте, терең сумен салыстырғанда қоректік заттарға қанағаттандырмайтын мөлшерде ие болады, себебі фототикалық аймақтағы қоректік заттар бастапқы өндіріс үшін қолданылады. Дегенмен, жер бетіндегі судың құрамында фотосинтез және ауа-теңіз газ алмасу процестері нәтижесінде терең мұхитпен салыстырғанда оттегінің мөлшері жоғары. Су төмен қарай қозғалғанда, оттегі беттен төмен қарай сорғыланады, онда ол шіруге ұшыраған организмдер пайдаланады. Төмен қарай ағып кету кезінде беткі мұхиттағы бастапқы өндіріс төмендеуі мүмкін, себебі төменнен қоректік заттар жеткілікті түрде жеткізілмейді.
Желмен жүретін Экман көлігі
Экман көлігі – желдің қысымы және Кориолис күші нәтижесінде мұхит бетіндегі су массасының таза қозғалысы. Жел мұхит бетінен соққанда, ол үйкеліс күшін тудырады, бұл күш беткі су қабатын бірге итереді. Жердің айналысы салдарынан, бұл беттік ағындар жел бағытына қарай 45° бұрышпен қалыптасады. Дегенмен, үйкеліс күштерінің күшеюі Экман қабаты арқылы болатын таза қозғалыстың Солтүстік жарты шардан жел бағытына оңға қарай 90° және Оңтүстік жарты шардан солға қарай 90° бұрылуына себеп болады. Экман көлігі субтропикалық айналымдарда немесе жағалау бойындағы төмен қарайтын ағындар кезінде, сауда желдері мен батыс желдері арасында суды жинақтайды. Беткі су массасының артуы суды төмен қарай итетін жоғары қысым аймақтарын жасайды. Сонымен қатар, ол тұрақты желдер кезінде Langmuir айналымын құру үшін ұзақ жинақталатын аймақтарды да қалыптастыра алады.
Судың үстіне көтерілу күшпен төмен түсуі
Судың қалықтау қабілеті салқындау, булану және теңіз мұзының қалыптасуы арқылы тұзды судың бөлінуі нәтижесінде жоғалады. Қалықтау қабілетінен айырылу көптеген кеңістіктік және уақыт өлшемдерінде жүзеге асады. Ашық мұхитта түнде салқындау мен аралас қабаттың тереңдеуі болатын аймақтар бар, ал күндіз мұхит қайта қабаттасады. Жылдық циклдарда күзде кең ауқымды салқындау басталады, ал конвективті аралас қабаттың тереңдеуі мұхиттың ішкі жағына жүздеген метрге жете алады. Қарсылығында, желдің әсерінен аралас қабаттың тереңдігі 150 метрге дейін шектеледі.
Ірі булану оқиғалары конвекцияны тудыруы мүмкін; алайда, буланумен байланысты жасырын жылудың жоғалтылуы көбінесе басым болады және қыс мезгілінде бұл процесс Жерорта теңізінің терең суларының қалыптасуына себеп болады. Гренландия теңізі, Лабрадор теңізі, Уэдделл теңізі және Росс теңізі сияқты белгілі бір аймақтардағы терең конвекция (>1000 м) жаһандық мұхиттың терең суларының көп бөлігін желдетіп (қышқылданып), термохалиндік айналымды қозғайды.
Жағалаудағы судың төмен түсуі
Жағалаудағы төмен қарай ағын жел жағалау бойымен параллель соққанда пайда болады. Мұндай жел кезінде Экман көлігі су қозғалысын жағалауға қарай немесе тікелей жағалаудан шетке қарай бағыттайды. Егер Экман көлігі суды жағалауға қарай жылжытса, жағалау сызығы кедергі ретінде әрекет етеді, нәтижесінде беткі су жағалауда жиналады. Жиналған су төмен қарай итеріледі, аралас қабаттың астына жылы, қоректік заттарға кедей, оттегіге толы суды айдайды.
Шұңқырлар
Мезо (>10 100 км) және субмезо масштабты (<1 10 км) айналар жоғары мұхиттың кең таралған ерекшеліктері болып табылады. Айналар циклоникалық (салқын ядролы) немесе антициклоникалық (жылы ядролы) айналымға ие. Жылы ядролы айналар антициклоникалық айналыммен сипатталады, ол беттік суларды ішке қарай бағыттайды, нәтижесінде теңіз бетінің жоғары температурасы мен биіктігі пайда болады. Бұл айналыммен сақталатын жоғары орталық гидростатикалық қысым судың төмен қарай иеленуіне және тұрақты тығыздыққа ие изопикналдық беттердің (Эдди сорғысын қараңыз) жылына жүздеген метрге дейін төмендеуіне себеп болады. Әдеттегі нәтиже – төмен бастапқы өніммен сипатталатын терең жылы су қабаты. Жылы ядролы айналар биогеохимиялық циклдарда және ауа-теңіз арақатынастарында маңызды рөл атқарады. Мысалы, олардың жоғары теңіз беті температурасының арқасында Оңтүстік мұхитта мұздың пайда болуын азайтады. Сондай-ақ, осы айналардың ортасында көмірқышқыл газының ауа-теңіз ағыны төмендейтіні және температураның бұл ағынды тежеудің басты себебі екендігі байқалды. Жылы ядролы айналар оттегіні мұхиттың ішкі бөлігіне (фототикалық аймақтың астында) тасымалдайды, бұл тыныс алу процесін қолдайды. Оттегі сияқты қосылыстар терең мұхитқа тасымалданатын болса да, жылы ядролы айналардың ортасында қабаттанудың күшеюіне байланысты көміртегі экспортының төмендеуі байқалады. Мұндай қабаттану қоректік заттарға бай судың бетке араласуын тежейді, олар бастапқы өндірісті күшейте алады. Осылайша, бастапқы өндіріс төмен болғандықтан, көміртегі экспортының әлеуеті де төмен болып қалады.
Алдыңғы және талшықтар
Океандық фронттар әртүрлі су массаларының көлденең жиналуымен қалыптасады. Олар тұздылық және температура айырмашылықтарынан туындаған көлденең тығыздық градиенттерімен сипатталатын, тұщы судың құйылатын аймақтарында немесе айналмалы ағындардың созылуы мен ұзартылуынан пайда болуы мүмкін. Бұл аймақтарда көлденең қалықтау градиенттері 10 км-ден кіші болады және олар изопикналдардың еңістенуінен туындайды. Жер бетіндегі суды тереңдікке тасымалдаудың екі негізгі механизмі бар: осы изопикналдардың адиабатикалық еңкейіп, жайпаюы және изопикналдық ағын немесе субдукция арқылы. Бұл механизмдер аралас қабаттың астына жылу сияқты беткі қасиеттерді тасымалдап, биологиялық сорғы арқылы көміртегіні тұрақтандыруға көмектеседі. Сандық модельдер субмезо масштабты фронттардағы тік жылдамдықтарды 100 м/күн шамасында болжайды. Дегенмен, мұхит жүзу құралдары арқылы 1000 м/күннен жоғары тік жылдамдықтар байқалған. Бұл байқаулар сирек кездеседі, себебі кемедегі сенсорлардың тік жылдамдықтарды өлшеуге жеткілікті дәлдігі жоқ.
Өзгерімділік
Төменге қарай ағын үрдісі ендіктер бойынша өзгеше болады және жел күшінің өзгеруімен, маусым алмасумен байланысты болуы мүмкін. Кейбір аймақтарда жағалаудағы төменге қарай ағын – судың қоректік заттардан айырылған бөліктерін жағалауға қарай итеру арқылы жүзеге асатын маусымдық құбылыс. Желдің әсерінің әлсіреуі немесе бағытының өзгеруі жағалау бойында су жиналуына байланысты төменге қарай ағын кезеңдерін тудырады. Мысалы, АҚШ-тың Тынық мұхитының солтүстік-батыс жағалауында күз және қыс айларында Аляска шығанағы мен Калифорния ағысы жүйесіндегі оңтүстік желдер төменге қарай ағынға қолайлы жағдай жасайды, суды оңтүстік-батыстан жағалауға қарай тасымалдайды. Бұл төменге қарай ағын оқиғалары бірнеше күнге созылуы мүмкін, қысқы дауылдармен байланысты болуы және күз бен қыс айларында байқалатын бастапқы өнімнің төмен деңгейіне әсер етуі мүмкін. Керісінше, төменге қарай ағын маусымының аяқталуы мен жоғарыға қарай ағын маусымының басталуындағы "көктемгі кезең" жағалауда суық, қоректік заттарға толы, жоғарыға қарай ағынмен келген судың болуымен сипатталады, бұл бастапқы өнімділіктің жоғары деңгейін ынталандырады. Маусымдық ауытқуларға қарағанда, полюстерде төменге қарай ағын тұрақтырақ болады, себебі суық ауа тропиктерден ағып келетін ағындармен тасымалданатын тұзды судың температурасын төмендетеді. Эль-Ниньо-Оңтүстік тербелісінің (ENSO) бейтарап және Ла-Нинья фазаларында экваторлық аймақтардағы тұрақты шығыс пассат желдері Батыс Тынық мұхитында судың жиналуына себеп болуы мүмкін. Бұл желдердің әлсіреуі шығыс Тынық мұхитының экваторы бойымен таралатын Кельвин толқындарын тудыруы мүмкін. Тынық мұхитының шығысындағы судың қалыптан тыс жылы температурасымен байланысты Кельвин толқындарының тізбегі Эль-Ниньо оқиғасына дейін жатуы мүмкін. ENSO-ның Эль-Ниньо фазасында сауда желдерінің бұзылуы Оңтүстік Американың батыс жағалауында мұхит суының жиналуына әкеледі. Бұл өзгеріс жоғарыға қарай ағынның азаюымен байланысты және жағалаудағы төменге қарай ағынды күшейтуі мүмкін.
Мұхит биогеохимиясына әсері
Төменге қарай ағып түсуге байланысты биогеохимиялық циклдер осы процестің орналасуы мен жиілігімен шектеледі. Жоғарыда сипатталғандай, төменгі ағыстың көп бөлігі полярлық аймақтарда терең және түбіндегі судың қалыптасуы немесе субтропикалық айналымдардың ортасында жүзеге асады. Оңтүстік мұхитында (Уэдделл теңізі) және Солтүстік Атлант мұхитында (Гренландия, Лабрадор, Норвегия және Жерорта теңізі) түбіндегі және терең судың қалыптасуы антропогенді көмірқышқыл газын, еріген органикалық көміртекті (ЭОК) және еріген оттекті жоюға және тоқтатуға маңызды үлес қосады. Суық суда еріген газдың ерігіштігі жоғары болғандықтан, газ концентрациясының артуына жағдай жасалады. Ғылыми модельдеулер көрсеткендей, Оңтүстік мұхиты ғана өнеркәсіптік дәуірге дейінгі атмосфералық көмірқышқыл газын бақылаудағы ең маңызды жоғары ендік аймақ болып табылады. Антарктиканың терең суын қалыптастыру аймағына судың айналымы көмірқышқыл газын беткі мұхиттарға тартудың басты факторы болып табылады. Екінші фактор – биологиялық сорғы, ол Оңтүстік мұхитында жоғары қоректік заттарға және төмен хлорофиллге (HNLC) ие аймақтарда темірмен шектеледі. ЭОК түбіндегі және терең судың қалыптасуы кезінде бірге тартылып, биогендік көміртектің экспортының үлкен бөлігін құрайды. ЭОК экспорты терең мұхитқа түсетін биогендік көміртектің 30%-ға дейін жетеді деп саналады. ЭОК ағынының қарқындылығы қысқы конвекцияның күшіне байланысты, ол микробиалдық азық тізбегіне де әсер етеді, нәтижесінде тереңдікке экспортталатын ЭОК мөлшері өзгереді. Түбіндегі және терең судың қалыптасу орындарында еріген оттек те төмендейді, бұл 1000 метрден төмен еріген оттек концентрациясының артуына себеп болады. Субтропикалық айналымдар әдетте азот, фосфор және темір сияқты макро және микроқоректік заттармен шектеледі, нәтижесінде азық-түлік талаптары төмен пикофитопланктон қауымдастықтары пайда болады. Бұл, ішінара, фотикалық аймақтан қоректік заттарды тасымалдайтын тұрақты төмендеуге байланысты. Бұл олиготрофтық аймақтардың тұрақтылығын қамтамасыз ететін жылдам қоректік заттар айналымы, бөлініп кетуі мүмкін көміртектің азаюына әкелуі мүмкін. Пикофитопланктонның субтропикалық айналымдардағы көміртек айналымындағы рөлінің динамикасы толыққанды зерттелмеген және қазіргі таңдағы зерттеулердің нысаны болып табылады. Ең жоғары бастапқы өнімділікке ие аймақтар көміртегі мен азоттың биогеохимиялық айналымында маңызды рөл атқарады. Төмендеу бастапқы жағдайлар мен орналасуына байланысты, аноксиялық жағдайларды жеңілдетуі немесе тудыруы мүмкін. Ұзақ уақыт бойы жоғары көтерілу деоксигенацияға әкелуі мүмкін, ол төмендеу оқиғасымен жеңілдетіледі, бұл еріген оттекті тереңдікке қайтарады. Аноксиялық жағдайлар жоғары биомассалы динофлагелляттардың гүлденуінен кейін тұрақты төмендеудің нәтижесінде де пайда болуы мүмкін. Динофлагелляттардың және басқа да биомасса түрлерінің жағалауға жақын жиналуы, нәтижесінде қоректік заттардың азаюына және организмдердің өліміне әкеледі. Биомассаның ыдырауымен гетеротрофты бактериялар оттектің толыққанды түгелуіне себеп болып, аноксиялық жағдайларды тудырады.