Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Слой, в котором градиент плотности наиболее выражен в теле воды.
Layer where the density gradient is greatest within a body of water
Пикноклин – это слой или зона, в которой градиент плотности наиболее выражен в теле воды. Океаническое течение формируется под воздействием таких сил, как разбивающиеся волны, разница температур и солености, ветер, эффект Кориолиса и приливы, вызванные гравитационным притяжением небесных тел. Кроме того, физические свойства пикноклина, обусловленные градиентами плотности, также влияют на течения и вертикальные профили в океане. Эти изменения связаны с переносом тепла, соли и питательных веществ в океане, а диффузия пикноклина регулирует апвеллинг. Под перемешанным слоем стабильный градиент плотности (или пикноклин) разделяет верхние и нижние слои воды, затрудняя вертикальный транспорт. Это разделение оказывает значительное биологическое воздействие на океан и морские организмы. Однако вертикальное перемешивание через пикноклин – обычное явление в океанах, происходящее из-за турбулентности, вызванной сдвигом. Такое перемешивание играет ключевую роль в переносе питательных веществ.
A pycnocline is the cline or layer where the density gradient is greatest within a body of water. An ocean current is generated by the forces such as breaking waves, temperature and salinity differences, wind, Coriolis effect, and tides caused by the gravitational pull of celestial bodies. In addition, the physical properties in a pycnocline driven by density gradients also affect the flows and vertical profiles in the ocean. These changes can be connected to the transport of heat, salt, and nutrients through the ocean, and the pycnocline diffusion controls upwelling. Below the mixed layer, a stable density gradient (or pycnocline) separates the upper and lower water, hindering vertical transport. This separation has important biological effects on the ocean and the marine living organisms. However, vertical mixing across a pycnocline is a regular phenomenon in oceans, and occurs through shear produced turbulence. Such mixing plays a key role in the transport of nutrients.
Физическая функция
Турбулентное перемешивание, вызванное ветром и волнами, переносит тепло вниз от поверхности. В низких и средних широтах это формирует поверхностный смешанный слой воды с почти однородной температурой, глубина которого может варьироваться от нескольких метров до нескольких сотен метров. Ниже этого смешанного слоя, на глубинах 200–300 м в открытом океане, температура начинает быстро понижаться до глубины около 1000 м. Водный слой, в котором градиент температуры наиболее выражен, известен как постоянный термоклин. Разница температур в этом слое может достигать 20°C, в зависимости от широты. Постоянный термоклин совпадает с изменением плотности воды между более теплыми, менее плотными поверхностными водами и лежащими ниже холодными, плотными глубинными водами. Область быстрого изменения плотности известна как пикноклин, и она служит барьером для вертикальной циркуляции воды, тем самым влияя на вертикальное распределение определенных химических веществ, играющих роль в биологии морей. Резкие градиенты температуры и плотности также могут ограничивать вертикальные перемещения животных.
Turbulent mixing produced by winds and waves transfers heat downward from the surface. In low and mid latitudes, this creates a surface mixed layer of water of almost uniform temperature which may be a few meters deep to several hundred meters deep. Below this mixed layer, at depths of 200–300 m in the open ocean, the temperature begins to decrease rapidly down to about 1000 m. The water layer within which the temperature gradient is steepest is known as the permanent thermocline. The temperature difference through this layer may be as large as 20°C, depending on latitude. The permanent thermocline coincides with a change in water density between the warmer, low density surface waters and the underlying cold dense bottom waters. The region of rapid density change is known as the pycnocline, and it acts as a barrier to vertical water circulation; thus it also affects the vertical distribution of certain chemicals which play a role in the biology of the seas. The sharp gradients in temperature and density also may act as a restriction to vertical movements of animals.
Сезонность
Хотя общая структура пикноклина, описанная выше, остаётся верной, пикноклины могут изменяться в зависимости от сезона. Зимой температура поверхности моря становится ниже, а волны обычно крупнее, что увеличивает глубину перемешанного слоя, иногда даже доходя до основного термоклина/пикноклина. Летом более высокие температуры, таяние морского и наземного льда, а также усиление солнечного освещения приводят к повышению температуры поверхностного слоя океана. Этот слой располагается над большим зимним перемешанным слоем, сформировавшимся ранее, и образует сезонный пикноклин над основным пикноклином, а зимний перемешанный слой превращается в градиент плотности с меньшим перепадом, называемый пикностадом. С началом смены сезонов, потеря тепла с поверхности и продолжающееся перемешивание ветром разрушают сезонный пикноклин до следующего лета.
While the general structure of a pycnocline explained above holds true, pycnoclines can change based on the season. In the winter, sea surface temperatures are cooler, and waves tend to be larger, which increases the depth of the mixed layer even down to the main thermocline/pycnocline in some cases. In the summer, warmer temperatures, melting sea and land ice, and increased sunlight cause the surface layer of the ocean to increase in temperature. This layer sits on top of the large winter mixed layer that was previously created and forms a seasonal pycnocline above the main pycnocline, with the winter mixed layer becoming a lower density gradient called a pycnostad. As the seasons begin to change again, a net loss of heat from the surface layer and continued wind mixing wear away the seasonal pycnocline until the next summer.
Микробная петля
Микробная петля – трофический путь в морской микробной пищевой сети. Термин "микробная петля" был введен Азам и др. (1983) для описания роли микробов в круговороте углерода и питательных веществ в морской экосистеме, где растворенный органический углерод (DOC) возвращается на более высокие трофические уровни через включение в бактериальную биомассу, а также взаимодействует с классической пищевой цепью, состоящей из фитопланктона, зоопланктона и нектона. В конце цветения фитопланктона, когда водоросли переходят в стадию старения, происходит накопление фитодетрита и усиление выделения растворенных метаболитов. Именно в этот период бактерии могут использовать эти источники энергии для размножения и вызвать резкий всплеск (или цветение), следующий за цветением фитопланктона. Эта же взаимосвязь между фитопланктоном и бактериями влияет на вертикальное распределение бактериопланктона. Максимальная численность бактерий обычно наблюдается в пикноклине, где фитодетрит накапливается, оседая из вышележащей эвфотической зоны. Там разложение бактериями способствует формированию слоев с минимальным содержанием кислорода в стабильных водах.
The microbial loop is a trophic pathway in the marine microbial food web. The term "microbial loop" was coined by Azam et al. (1983) to describe the role played by microbes in the marine ecosystem carbon and nutrient cycles where dissolved organic carbon (DOC) is returned to higher trophic levels via the incorporation into bacterial biomass, and also coupled with the classic food chain formed by phytoplankton zooplankton nekton. At the end of phytoplankton bloom, when the algae enter a senescent stage, there is an accumulation of phytodetritus and an increased release of dissolved metabolites. It is particularly at this time that the bacteria can utilize these energy sources to multiply and produce a sharp pulse (or bloom) that follows the phytoplankton bloom. The same relationship between phytoplankton and bacteria influences the vertical distribution of bacterioplankton. Maximum numbers of bacteria generally occur at the pycnocline, where phytodetritus accumulates by sinking from the overlying euphotic zone. There, decomposition by bacteria contributes to the formation of oxygen minimum layers in stable waters.
Вертикальная миграция диэля
Одной из наиболее характерных особенностей поведения планктона является вертикальная миграция, происходящая с 24-часовой периодичностью. Она часто называется суточной или диельной вертикальной миграцией. Вертикальное расстояние, преодолеваемое за 24 часа, варьируется, как правило, будучи больше у крупных видов и более активных пловцов. Однако даже мелкие копеподы могут мигрировать на несколько сотен метров дважды в течение 24 часов, а более сильные пловцы, такие как эуфаузиды и пелагические креветки, могут преодолевать 800 м и более. На глубину миграции может влиять наличие термоклина или пикноклина. Тем не менее, фитопланктон и зоопланктон, способные к суточной вертикальной миграции, часто концентрируются в пикноклине. Более того, морские организмы, обладающие способностью перемещаться через термоклины или пикноклины, могут испытывать резкие изменения температуры и плотности, а также значительные перепады давления во время миграции.
One of the most characteristic behavioural features of plankton is a vertical migration that occurs with a 24 hour periodicity. This has often been referred to as diurnal or diel vertical migration. The vertical distance travelled over 24 hours varies, generally being greater among larger species and better swimmers. But even small copepods may migrate several hundred meters twice in a 24 hour period, and stronger swimmers like euphausiids and pelagic shrimp may travel 800 m or more. The depth range of migration may be inhibited by the presence of a thermocline or pycnocline. However, phytoplankton and zooplankton capable of diel vertical migration are often concentrated in the pycnocline. Furthermore, those marine organisms with swimming skills through thermocline or pycnocline may experience strong temperature and density gradients, as well as considerable pressure changes during the migration.
Стабильность
Пикноклины становятся неустойчивыми, когда их число Ричардсона опускается ниже 0,25. Число Ричардсона – это безразмерная величина, выражающая отношение потенциальной энергии к кинетической энергии. Это отношение уменьшается ниже 0,25, когда скорость сдвига превышает стратификацию. Это может вызвать неустойчивость Кельвина — Гельмгольца, приводящую к турбулентности и, как следствие, к перемешиванию. Изменения глубины или свойств пикноклина могут быть смоделированы с использованием некоторых компьютерных программ. Простой подход для таких моделей – рассмотреть модель подъема Экмана, основанную на модели общей циркуляции океана (OCGM).
Pycnoclines become unstable when their Richardson number drops below 0.25. The Richardson number is a dimensionless value expressing the ratio of potential to kinetic energy. This ratio drops below 0.25 when the shear rate exceeds stratification. This can produce Kelvin Helmholtz instability, resulting in a turbulence which leads to mixing. The changes in pycnocline depth or properties can be simulated from some computer program models. The simple approach for those models is to examine the Ekman pumping model based on the ocean general circulation model (OCGM).
Типы клинов
Термоклин – зона изменения температуры воды с глубиной. Хемоклин – зона изменения химического состава воды с глубиной. Галоклин – зона изменения солености воды с глубиной. Лутоклин – зона изменения мутности воды с глубиной.
Thermocline A cline based on difference in water temperature. Chemocline A cline based on difference in water chemistry. Halocline A cline based on difference in water salinity. Lutocline A cline based on difference in water turbidity.