Море смешивается при плавании
Уравнение должно быть довольно сложным, если вы хотите использовать его для расчета того, сколько океанских течений или штормов смешивают водные слои океана, а вместе с ними питательные вещества, токсины или парниковые газы. Важным фактором также оставалась неизвестная величина: морские существа, которые кружатся в воде, ныряя туда-сюда.
Наша голубая планета, на две трети покрытая водой, формирует свои живые существа: за миллионы лет эволюции океаны изменили живущих в них животных и растения, заставив их приспосабливаться к прибою, течениям и приливам, к температуре и соленым химикатам Состав. Морским биологам потребуется много времени, чтобы записать все захватывающие ответы, которые придумала жизнь, столкнувшись с проблемами морской экосистемы. Джон Дабири и Какани Катия из Калифорнийского технологического института решили, что у них достаточно времени, чтобы время от времени менять свою точку зрения и, наоборот, задаваться вопросом, насколько жизнь в океане на самом деле влияет на окружающую среду. Как будто просто плаваешь.
Вопрос не совсем новый: еще столетие назад исследователи уже задавались вопросом, вносит ли существенный вклад в перемешивание плавников, трематод, жгутиков и щупалец морских организмов, которое происходит много миллиардов раз в секунду вода. Один ответ по-прежнему будет интересен океанологам, исследователям климата и другим коллегам сегодня: их модели смешивания более глубоких и более мелких слоев воды все еще раздражающе предварительны. Конечно, ветер играет роль в турбулентности поверхностных вод - но что происходит на больших глубинах, на которые мало влияют бушующие наверху бури, известно лишь частично.
Возможно, однако, как приблизительно десятилетиями догадывались океанологи, влияние ныряющих животных на водообмен не так уж велико. Они использовали правила механики жидкости в качестве отправной точки для своих грубых расчетов, что в конечном итоге означало, что небольшие взмахи плавников никогда не приводят к очень большим течениям из-за относительно высокой вязкости морской воды, а вместо этого разрушаются после небольшого расстояния: кинетическая энергия закрученные молекулы воды преобразуются трением со многими близлежащими соседними частицами, быстро превращаясь в тепло. Вывод таков, что океан, возможно, незаметно нагревается плавающими вокруг животными, но не перемешивается. Дабири и Катия теперь обнаруживают, что это неправильно, потому что не учитывался один механизм: смешение Дарвина.
Механизм, названный в честь Чарльза Дарвина-младшего - сына знаменитого исследователя-эволюциониста, описывает захватывающий процесс, который можно наблюдать при движении тел в жидкости. Тело - корпус корабля, рыло акулы или экран медузы - отчасти отталкивает воду в сторону; Однако большие порции воды одновременно втягиваются вместе с движением тела вперед. Например, медуза, поднимающаяся из холодной глубокой воды в более теплые слои у поверхности, всегда будет нести воду снизу вверх из-за этого явления - не за счет взмахов щупалец, а за счет постоянного дарвиновского перемешивания..
Ученые изначально хотели получить несколько менее теоретическую картину этого. Они снимали плавающих медуз в реалистичных условиях и распыляли на их пути облака красителя. В живую и в цвете, а также позже на записях было действительно легко увидеть, что медузы всегда несли большие мешки с жидкостью, содержащей краситель, на поразительно большие расстояния - впечатляющее наглядное свидетельство явно недооцененной степени дарвиновского смешения.
В конце концов, это уравнение выдает четкий результат: благодаря своей высокой эффективности плавания резвящиеся в море существа создают впечатляющую «биогенную смесь океана». В цифрах: по словам Дабри, «глобальный ввод энергии», закачиваемой в воду механизмом, достигает триллиона ватт. Это примерно соответствует количеству энергии, которая действует во всем мире из-за ветров и приливов. Задействованы все подвижные морские организмы от одного миллиметра до десяти метров в длину и весом от десяти миллиграммов до трех тонн.
Итак, морские существа меняют свою океанскую среду. По словам Дабири, цифры также являются очень консервативными оценками: животные, плавающие стаями, вероятно, обеспечивают более высокую скорость смешения. Чтобы создать еще более реалистичную модель, следует также рассчитать эффекты смешения Дарвина, возникающие из-за пассивного опускания частиц на дно: частицы фекалий и «морской снег», состоящий из органического вещества, должны в конечном итоге также тянуть вниз часть воды вместе с их. В дальнейшем все это необходимо учитывать в моделях движения океана, которые используются, например, для расчета климатических сценариев. В конечном счете, то, насколько быстро вещества попадают со дна океана на его поверхность, сильно влияет на углеродный цикл, а значит, и на количество парниковых газов, попадающих в атмосферу.