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大量的对虾和磷虾可能在混合海洋方面发挥重

2019-03-12 00:57:09

一个正在游动的丰年虾产生了小规模的湍流(绿色悬浮颗粒的延时摄影)。

当我们讨论微小的海洋游泳生物时,它们整体的作用要比各部分的总和大得多。一项的研究表明,由大量像磷虾这样的生物搅动产生的大洋湍流,其威力能强到向深海延伸数百米。

研究人员于4月18日在《自然》杂志上报道,在两个不同的实验室水箱中,垂直游动的丰年虾产生了小的涡流,这些涡流集中起来形成了一股大概和游动的丰年虾群体差不多大小的急流。该急流的流速大约为厘米/秒,足够强到可以将浅层水和更深,更咸的水混合在一起。如果没有这样的混合,这些密度不同的水会隔离在不同的层次中。

研究人员表示,这些虾代表了厘米级游泳生物,包括了磷虾和类虾的桡足类动物。这些生物在世界各地的大洋中都有被发现。 它们集中在一起可能足以混合大洋的各个水层,并将营养丰富的深层水输送给靠近大洋表层的浮游植物和微小的海洋植物。

斯坦福大学的流体力学专家John Dabiri说道:“原来的观点是这些动物拍打它们的附肢,产生与它们体型差不多大小的小涡流。”之前的研究工作,包括“大洋中磷虾迁移的声学测量” (SN: 10/7/06, p. 238) 和“水母和类虾桡足类动物等游泳生物周围的流体流动的理论模拟” (SN: 8/29/09, p. 14),

都表面这些生物搅动产生的湍流可能比之前认为的更多。

微小的游泳生物

丰年虾每天经历一次垂直的迁移,它们晚上向上游在表层水中寻找食物,而白天下潜来躲避捕食者。在海洋中,这种迁移可以纵跨数百米。

2014年,Dabiri参与合著了一项研究,首次运用实验室水箱设施进行此类新实验。该论文表明,迁移中的丰年虾产生了比他们自身大的多的急流和涡流。“但是,人们对于这些实验室内的结果是否与大洋中的情形有关仍持有怀疑态度。”Dabiri说道。这项在2014年的研究没有考虑海水是如何因为盐度和温度的不同而分层形成无法轻易混合的水层。当时还不清楚这些由虾类产生的湍流是否足够强,并且扩散得足够深,足以克服物理障碍从而混合不同的水层。

这项新的研究使用了一个1.2米深和一个2米深的水箱。每个水箱都有数万只游动的丰年虾生活在两个密度不同的水层中。研究人员运用LED灯光来促使丰年虾向上或向下迁移,用以模仿大洋中磷虾、桡足类动物和其他海洋生物每天大量的垂直迁移。科学家发现,这些丰年虾迁移时彼此靠得很近,这有助于放大它们个体的游动效果。

“当一个个体向上游的时候,它会向后划水,”Dabiri说道。这一小股水流会被附近的个体往下划去,然后一个接一个地向下划。这样做的结果就是,随着迁移的继续,一股向下的水流不断增强并且终延伸到与整个迁移群体长度一样深的地方。在大洋中,这个深度能达到几百米。

“研究的核心问题是当海洋生命在环境中到处移动的时候,是否会产生重要的‘混合作用’,”来自位于塔拉哈西的佛罗里达州立大学的海洋学家William Dewar指出,“这些结果非常有说服力地地表明了答案是肯定的,而且有力地反驳了人们认为大多数海洋生物仅仅因为尺寸太小而无关紧要的观点。”

Dewar补充道,该团队的发现为诸多有趣的问题打开了一扇门。大洋混合是全球气候循环的一个重要部分:它搅动营养物质,促进浮游植物的生长,并且帮助海洋和大气之间的气体交换。Dewar指出:将生物驱动的混合加入到海洋的物理过程中会使得模型的方程更加复杂。

Dabiri表示,下一步研究工作将尝试利用船载测量的方法去观察生物搅动在海洋中的影响。 他说:“以前的研究都是在动物身体尺寸大小的尺度中调查湍流和涡流。而不是大型的向下流。“这篇论文首次告诉我们应该去寻找什么。”

文章来源:

作者:Carolyn Gramling

翻译:徐天朔

审稿:季韬

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