Введение

Процесс накопления и опускания материала с большей плотностью под материал с меньшей плотностью. Даунwelling – это нисходящее движение водной массы и её свойств (например, солености, температуры, pH) в пределах большей водной массы. Он тесно связан с апwelling – восходящим движением воды. Хотя термин "даунwelling" чаще всего используется для описания океанических процессов, он также применяется для описания различных земных явлений, включая динамику мантии, движение воздуха и процессы в пресноводных системах (например, крупных озерах). В данной статье основное внимание будет уделено океаническому даунwelling и его важному влиянию на океаническую циркуляцию и биогеохимические циклы. Два основных механизма обеспечивают опускание воды: выталкивающая сила, обусловленная плавучестью, и ветровой транспорт Экмана (то есть, Экмановский насос). Даунwelling имеет важное значение для морской жизни. Поверхностные воды обычно содержат меньше питательных веществ, чем глубокие, из-за первичной продукции, использующей питательные вещества в фототической зоне. Однако поверхностные воды богаты кислородом по сравнению с глубоким океаном благодаря фотосинтезу и газообмену между атмосферой и океаном. При опускании воды кислород поступает в глубинные слои, где он используется разлагающимися организмами. События даунwelling сопровождаются низким уровнем первичной продукции в поверхностном океане из-за недостатка поступления питательных веществ снизу.

Ветровой транспорт Ekman

Транспорт Экмана — это суммарный массовый перенос поверхностных вод океана, обусловленный ветровым напряжением и силой Кориолиса. Когда ветер дует над поверхностью океана, он создает силу трения, которая увлекает за собой верхний слой воды. Из-за вращения Земли эти поверхностные течения отклоняются на 45° от направления ветра. Однако, из-за совокупного действия сил трения, суммарный перенос в слое Экмана происходит на 90° вправо от направления ветрового напряжения в Северном полушарии и на 90° влево в Южном полушарии. Транспорт Экмана приводит к накоплению воды между пассатами и западными ветрами в субтропических круговоротах, либо вблизи берега во время прибрежного даунвеллинга. Увеличение массы поверхностных вод создает области высокого давления, которые выталкивают воду вниз. Он также может формировать протяженные зоны сходимости при устойчивом ветре, способствуя возникновению циркуляции Лангмура.

Навязчивое погружение

Поплавная способность теряется в результате охлаждения, испарения и отторжения рассола при образовании морского льда. Потеря плавучести происходит в различных пространственных и временных масштабах. В открытом океане существуют районы, где охлаждение и углубление приповерхностного слоя происходят ночью, а океан восстанавливает свою стратификацию днем. В годовом цикле масштабное охлаждение начинается осенью, и конвективное углубление приповерхностного слоя может достигать сотен метров вглубь океана. Для сравнения, глубина приповерхностного слоя, формируемого ветром, ограничена 150 м.

Интенсивное испарение может вызывать конвекцию, однако теплопотери, связанные с испарением, обычно преобладают, и зимой этот процесс способствует образованию глубоководных масс в Средиземном море. В определенных районах – Гренландском море, Лабрадорском море, море Уэдделла и море Росса – глубокая конвекция (более 1000 м) осуществляет вентиляцию (насыщение кислородом) большей части глубоких вод Мирового океана и является движущей силой термохалинной циркуляции.

Прибрежная долина

Прибрежное опускание происходит, когда ветер дует параллельно берегу. При таких ветрах транспорт Экмана направляет движение воды к берегу или непосредственно от него. Если транспорт Экмана движет воду к берегу, береговая линия служит барьером, вызывая скопление поверхностных вод у берега. Скопившаяся вода вытесняется вниз, перенося теплые, бедные питательными веществами и насыщенные кислородом воды под перемешанный слой.

Вихри

Мезо (>100 км) и субмезомасштабные (<10 км) вихри – повсеместные особенности верхнего слоя океана. Вихри имеют либо циклоническое (с холодным ядром), либо антициклоническое (с теплым ядром) вращение. Теплые вихри характеризуются антициклоническим вращением, направляющим поверхностные воды внутрь, что приводит к повышению температуры поверхности моря и уровня воды. Высокое центральное гидростатическое давление, поддерживаемое этим вращением, вызывает опускание воды и углубление изопикнических поверхностей постоянной плотности (см. «перекачку вихрями») в масштабах сотен метров в год. Типичным результатом является более глубокий поверхностный слой теплой воды, часто характеризующийся низким первичным производством. Теплые вихри играют множество важных ролей в биогеохимическом цикле и взаимодействии атмосферы и океана. Например, благодаря высокой температуре поверхности моря, эти вихри способствуют уменьшению образования льда в Южном океане. Также наблюдалось снижение потоков углекислого газа между атмосферой и океаном в центре этих вихрей, при этом температура являлась основной причиной этого подавления потока. Теплые вихри переносят кислород вглубь океана (ниже фототической зоны), поддерживая процессы дыхания. Несмотря на то, что такие соединения, как кислород, транспортируются в глубокие слои океана, в теплых вихрях наблюдается снижение экспорта углерода из-за усиленной стратификации в их центре. Эта стратификация препятствует перемешиванию богатых питательными веществами вод к поверхности, где они могли бы стимулировать первичное производство. В этом случае, поскольку первичное производство остается низким, потенциал экспорта углерода также остается низким.

Передние и нитки

Океанские фронты формируются в результате горизонтальной сходимости различных водных масс. Они могут развиваться в районах притока пресной воды, характеризующихся горизонтальными градиентами плотности, обусловленными различиями в солености и температуре, или за счет растяжения и вытягивания вращающихся течений. Эти районы характеризуются горизонтальными градиентами плавучести масштаба менее 10 км, вызванными наклонными изопикналами. Два основных механизма переносят поверхностные воды в глубину: адиабатическое наклонение и релаксация этих изопикнал, а также течение вдоль изопикнал или субдукция. Эти механизмы могут переносить поверхностные свойства, такие как тепло, ниже перемешанного слоя и способствовать секвестрации углерода посредством биологического насоса. Численные модели прогнозируют вертикальные скорости на фронтах субмезомасштаба порядка 100 м/день. Однако вертикальные скорости свыше 1000 м/день были зафиксированы с помощью океанских буев. Такие наблюдения редки, поскольку судовые датчики не обладают достаточной точностью для измерения вертикальных скоростей.

Изменчивость

Тенденции понижения уровня вод различаются в зависимости от широты и могут быть связаны с изменениями силы ветра и сменой сезонов. В некоторых районах прибрежное понижение уровня вод – это сезонное явление, которое подталкивает обеднённые питательными веществами воды к берегу. Ослабление или смена ветров, способствующих подъёму глубинных вод, создаёт периоды понижения уровня вод, когда вода накапливается вдоль побережья. Например, осенью и зимой вдоль северо-западного побережья Тихого океана в Соединённых Штатах, южные ветры в Аляскинском заливе и системе Калифорнийского течения создают условия, благоприятные для понижения уровня вод, транспортируя воду из открытого океана с юга и запада к побережью. Эти явления обычно длятся несколько дней и могут быть связаны с зимними штормами, способствуя низкому уровню первичного производства, наблюдаемому осенью и зимой. Напротив, в период "весеннего перехода" – в конце сезона понижения уровня вод и начале сезона подъёма глубинных вод – отмечается присутствие холодной, богатой питательными веществами воды, поднявшейся из глубины, у побережья, что стимулирует высокий уровень первичного производства. В отличие от сезонно изменчивых умеренных регионов, понижение уровня вод относительно устойчиво на полюсах, поскольку холодный воздух снижает температуру солёной воды, переносимой течениями из тропиков. Во время нейтральной и фазы Ла-Нинья Южной осцилляции Эль-Ниньо (ENSO) устойчивые восточные пассаты в экваториальных регионах могут приводить к накоплению воды в западной части Тихого океана. Ослабление этих пассатов может создавать волны Кельвина, направленные вниз, которые распространяются вдоль экватора в восточной части Тихого океана. Серия волн Кельвина, связанных с аномально тёплой температурой поверхности моря в восточной части Тихого океана, может предшествовать явлению Эль-Ниньо. Во время фазы Эль-Ниньо ENSO нарушение пассатов приводит к накоплению океанической воды у западного побережья Южной Америки. Этот сдвиг связан с уменьшением подъёма глубинных вод и может усиливать прибрежное понижение уровня вод.

Влияние на биогеохимию океана

Биогеохимические циклы, связанные с даунвеллингом, ограничены местоположением и частотой, с которой этот процесс происходит. Большая часть даунвеллинга, как описано выше, происходит в полярных регионах в виде формирования глубинно-донных вод или в центре субтропических вихрей. Формирование дна и глубинно-донных вод в Южном океане (море Уэдделла) и Северной Атлантике (Гренландия, Лабрадор, Норвежское и Средиземное моря) является основным фактором удаления и секвестрации антропогенного углекислого газа, растворенного органического углерода (DOC) и растворенного кислорода. Растворимость растворенных газов выше в холодной воде, что позволяет увеличить концентрацию газов. Показано, что только Южный океан является наиболее важным высокоширотным регионом, контролирующим содержание углекислого газа в атмосфере доиндустриального периода, согласно результатам моделирования общей циркуляции. Циркуляция воды в область формирования антарктических глубинно-донных вод является одним из основных факторов, способствующих поступлению углекислого газа в поверхностные воды океана. Другой фактор – биологический насос, который обычно ограничен железом в Южном океане в районах с высоким содержанием питательных веществ и низким содержанием хлорофилла (HNLC). DOC может захватываться во время формирования дна и глубинно-донных вод, что составляет значительную часть экспорта биогенного углерода. Предполагается, что экспорт DOC составляет до 30% биогенного углерода, достигающего глубоких океанов. Интенсивность потока DOC в глубину зависит от силы зимней конвекции, которая также влияет на микробную пищевую сеть, вызывая изменения в количестве DOC, экспортируемого в глубину. Растворенный кислород также поступает в глубину в местах формирования дна и глубинно-донных вод, что способствует повышению концентрации растворенного кислорода ниже 1000 метров. Субтропические вихри обычно ограничены макро- и микроэлементами, такими как азот, фосфор и железо, что приводит к формированию сообществ пикофитопланктона с низкими потребностями в питательных веществах. Это частично связано с постоянным даунвеллингом, который выносит питательные вещества из фотической зоны. Считается, что эти олиготрофные области поддерживаются быстрым круговоротом питательных веществ, что может оставлять мало углерода, пригодного для секвестрации. Динамика роли пикофитопланктона в цикле углерода в субтропических вихрях изучена недостаточно и активно исследуется. Районы с наибольшей первичной продуктивностью играют важную роль в биогеохимическом цикле углерода и азота. Даунвеллинг может как ослаблять, так и вызывать аноксические условия, в зависимости от исходных условий и местоположения. Продолжительные периоды апвеллинга могут вызывать деоксигенацию, которая устраняется при даунвеллинге, переносящем растворенный кислород обратно в глубину. Аноксические условия также могут возникать в результате устойчивого даунвеллинга после цветения водорослей динофлагеллятов с высокой биомассой. Накопление динофлагеллятов и других форм биомассы в прибрежных районах из-за даунвеллинга в конечном итоге приведет к истощению питательных веществ и гибели организмов. По мере разложения биомассы кислород истощается гетеротрофными бактериями, что приводит к аноксическим условиям.