Pyknoklin

En pyknoklin är den lina eller det skikt där densitetsgradienten ( ∂ ρ / ∂ z ) är störst i en vattenförekomst. En havsström genereras av krafter som brytande vågor, temperatur- och salthaltsskillnader , vind, Corioliseffekt och tidvatten som orsakas av himlakropparnas gravitationskraft. Dessutom påverkar de fysiska egenskaperna i en pyknoklin driven av densitetsgradienter också flödena och vertikala profiler i havet . Dessa förändringar kan kopplas till transporten av värme, salt och näringsämnen genom havet, och pyknoklindiffusionen styr uppströmningen.

Under det blandade lagret skiljer en stabil densitetsgradient (eller pyknoklin) det övre och nedre vattnet, vilket hindrar vertikal transport. Denna separation har viktiga biologiska effekter på havet och de marina levande organismerna. Emellertid är vertikal blandning över en pyknoklin ett regelbundet fenomen i hav och sker genom skjuv-producerad turbulens . Sådan blandning spelar en nyckelroll i transporten av näringsämnen.

Fysisk funktion

Turbulent blandning producerad av vindar och vågor överför värme nedåt från ytan. På låga och medelstora breddgrader skapar detta ett ytblandat vattenlager med nästan jämn temperatur som kan vara några meter djupt till flera hundra meter djupt. Under detta blandade lager, på 200–300 m djup i det öppna havet, börjar temperaturen sjunka snabbt ner till cirka 1000 m. Det vattenskikt inom vilket temperaturgradienten är brantast kallas den permanenta termoklinen . Temperaturskillnaden genom detta lager kan vara så stor som 20 ℃, beroende på latitud. Den permanenta termoklinen sammanfaller med en förändring i vattentätheten mellan det varmare ytvattnet med låg densitet och det underliggande kalla täta bottenvattnet. Området med snabb densitetsförändring är känt som pyknoklinen, och det fungerar som en barriär för vertikal vattencirkulation; sålunda påverkar det också den vertikala fördelningen av vissa kemikalier som spelar en roll i havens biologi. De skarpa gradienterna i temperatur och densitet kan också fungera som en begränsning för vertikala rörelser av djur.

Säsongsvariationer

Medan den allmänna strukturen för en pyknoklin som förklaras ovan stämmer, kan pyknokliner ändras beroende på säsong. På vintern är havsytans temperatur svalare och vågorna tenderar att vara större, vilket ökar djupet på det blandade lagret ända ner till huvudtermoklinen/pyknoklinen i vissa fall.

På sommaren gör varmare temperaturer, smältande havs- och landis och ökat solljus att havets ytskikt ökar i temperatur. Detta lager ligger ovanpå det stora vinterblandade lagret som tidigare skapades och bildar en säsongsbetonad pyknoklin ovanför huvudpyknoklinen, där vinterblandade lagret blir en lägre densitetsgradient som kallas en pyknostad. När årstiderna börjar ändras igen, sliter en nettoförlust av värme från ytskiktet och fortsatt vindblandning bort den säsongsbetonade pyknoklinen till nästa sommar.

Ändrar med Latitude

Medan temperatur och salthalt båda har en inverkan på densiteten, kan den ena ha en större effekt än den andra beroende på latitudinell region. I tropikerna och mellanbreddgraderna följer yttätheten för alla hav yttemperaturen snarare än ytsalthalten. På de högsta breddgraderna över 50° följer ytdensiteten salthalten mer än temperaturen för alla hav eftersom temperaturen konsekvent ligger nära fryspunkten.

På låga och medelstora breddgrader finns en permanent pyknoklin på djup mellan 200-1000 m. I några stora men geografiskt begränsade subtropiska regioner som Sargassohavet i Atlanten , finns två permanenta termokliner med ett lager av lägre vertikal skiktning som kallas en termostad som separerar dem. Detta fenomen återspeglas i densitet på grund av densitetens starka beroende av havstemperaturen; två permanenta pyknokliner är associerade med de permanenta termoklinerna, och densiteten som motsvarar termostaden kallas pyknostaden.

I subpolära och polära områden är ytvattnen mycket kallare året runt på grund av latitud och mycket fräschare på grund av smältningen av havs- och landis, hög nederbörd och sötvattenavrinning, medan djupare vatten är ganska konsekventa över hela jordklotet. På grund av detta finns det ingen permanent termoklin, men säsongsbetonade termokliner kan förekomma. I dessa områden finns en permanent haloklin, och denna haloklin är huvudfaktorn för att bestämma den permanenta pyknoklinen.

Biologisk funktion

Två månmaneter som stör pyknoklinen i det översta vattenlagret av Gullmarnfjorden , Sverige

Tillväxthastigheten för växtplankton styrs av näringsämneskoncentrationen, och regenereringen av näringsämnen i havet är en mycket viktig del av samspelet mellan högre och lägre trofiska nivåer . Separationen på grund av pyknoklinbildningen förhindrar tillförsel av näringsämnen från det undre lagret till det övre lagret. Näringsflödet genom pyknoklinen är lägre än vid andra ytskikt.

Mikrobiell loop

Den mikrobiella slingan är en trofisk väg i det marina mikrobiella näringsnätet . Termen "mikrobiell loop" myntades av Azam et al. (1983) för att beskriva den roll som mikrober spelar i det marina ekosystemets kol- och näringskretslopp där löst organiskt kol (DOC) återförs till högre trofiska nivåer via inkorporering i bakteriell biomassa, och även kopplat till den klassiska näringskedjan som bildas av växtplankton - djurplankton - nekton .

I slutet av växtplanktonblomningen, när algerna går in i ett åldrande stadium, sker en ansamling av fytodetritus och en ökad frisättning av lösta metaboliter. Det är särskilt vid denna tidpunkt som bakterierna kan använda dessa energikällor för att föröka sig och producera en skarp puls (eller blomning) som följer växtplanktonblomningen. Samma förhållande mellan växtplankton och bakterier påverkar den vertikala fördelningen av bakterioplankton. Maximalt antal bakterier förekommer i allmänhet vid pyknoklinen, där fytodetritus ackumuleras genom att sjunka från den överliggande eufotiska zonen . Där bidrar bakteriers nedbrytning till bildandet av syreminimumsskikt i stabila vatten.

Diel vertikal migration

En av de mest karakteristiska beteendeegenskaperna hos plankton är en vertikal migration som sker med en 24-timmars periodicitet. Detta har ofta hänvisats till som daglig eller del vertikal migration . Den vertikala sträckan som tillryggalagts under 24 timmar varierar och är generellt sett större bland större arter och bättre simmare. Men även små copepoder kan vandra flera hundra meter två gånger under en 24-timmarsperiod, och starkare simmare som euphausiider och pelagiska räkor kan resa 800 m eller mer. Migrationens djupområde kan hämmas av närvaron av en termoklin eller pyknoklin. Emellertid är växtplankton och djurplankton med förmåga till vertikal migration ofta koncentrerade i pyknoklinen. Dessutom kan de marina organismer med simkunnighet genom termoklin eller pyknoklin uppleva starka temperatur- och densitetsgradienter, såväl som avsevärda tryckförändringar under migrationen.

Stabilitet

Pycnoclines blir instabila när deras Richardson-tal sjunker under 0,25. Richardson-talet är ett dimensionslöst värde som uttrycker förhållandet mellan potential och kinetisk energi. Detta förhållande faller under 0,25 när skjuvhastigheten överstiger skiktningen. Detta kan ge Kelvin-Helmholtz instabilitet , vilket resulterar i en turbulens som leder till blandning.

Förändringarna i pyknoklinernas djup eller egenskaper kan simuleras från vissa datorprogrammodeller. Det enkla tillvägagångssättet för dessa modeller är att undersöka Ekmans pumpmodell baserad på den allmänna oceancirkulationsmodellen ( OCGM).

Typer av clines

Thermocline - En cline baserad på skillnad i vattentemperatur .
Chemocline - En klin baserad på skillnader i vattenkemi .
Haloklin - En klining baserad på skillnaden i vattnets salthalt .
Lutocline - En klin baserad på skillnad i vattengrumlighet .

Se även