Шнобелевская премия 2023 по физике

Шнобелевская премия 2023 по физике

Перемешивание океана из-за скоплений нерестящихся рыб

Перемешивание океана нерестящимися рыбами

Турбулентность является фундаментальным компонентом энергетического баланса океана, поскольку она обеспечивает передачу кинетической энергии от крупных (1–1000 км) к мелким (0,1–1 см) масштабам, где такая энергия рассеивается в виде тепла за счет молекулярной вязкости. Однако диссипация — это лишь одна из двух возможных судеб турбулентной кинетической энергии (ТКЭ). Поскольку турбулентные движения перемешивают толщу воды, генерируются микромасштабные физические и химические градиенты, которые в конечном итоге разрушаются за счет молекулярной диффузии, что приводит к смешиванию. Воздействуя на стабильный профиль плотности, такой как океанический пикноклин, турбулентное перемешивание приводит к восходящему переносу массы и, следовательно, преобразует часть ТКЭ в потенциальную энергию. Эта фракция, называемая эффективностью смешивания, относительно неопределенна и ее сложно определить количественно на месте.

Наблюдения и идеализированное моделирование показывают, что эффективность смешивания часто приближается к значению 0,16, что характерно для сдвиговой нестабильности (основной источник турбулентности океана), однако появляется все больше свидетельств того, что эффективность смешивания может сильно различаться. Споры вокруг эффективности смешивания особенно актуальны для оценки актуальности биосмешивания. Хотя ветры и приливы, несомненно, являются основными источниками энергии для перемешивания океана в глобальном масштабе, было высказано предположение, что плавающие организмы (от зоопланктона до рыб и морских млекопитающих) также могут вносить значительный вклад в энергию, по крайней мере, на региональные масштабы.

Актуальность этого предположения первоначально была подтверждена динамическими и метаболическими соображениями, лабораторными экспериментами и ранними наблюдениями повышенного рассеяния ТКЭ (10–5 Вт/кг) в скоплениях рыб и мигрирующих стаях криля. Однако последующие исследования показали, что биофизическую турбулентность чрезвычайно сложно уловить в озерах и океанах, что указывает на то, что это явление может быть более редким, чем первоначально предполагалось. Кроме того, то небольшое количество доказательств перемешивания, вызванного биофизической турбулентностью, позволяет предположить, что эффективность перемешивания такой турбулентности очень низка (<0,01) по сравнению с эффективностью геофизической турбулентности, вызванной сдвигом.

Эти доказательства основаны на одновременном измерении скоростей диссипации TKE (мера интенсивности турбулентности) и тепловой дисперсии (мера интенсивности перемешивания), определяемых количественно на основе наблюдений скорости в сантиметровом масштабе и градиенты температуры соответственно - в присутствии плавающих организмов. Только в двух из этих исследований сообщалось о высоких уровнях тепловой дисперсии внутри скоплений рыб, но в обоих случаях они были связаны с низкими значениями интенсивности турбулентности; то есть слабое перемешивание. Таким образом, нынешний баланс доказательств указывает на старую предложенную точку зрения о том, что важное крупномасштабное влияние биосмешивания маловероятно.

Здесь мы оспариваем и восстанавливаем этот баланс, демонстрируя возникновение повторяющегося, интенсивного и эффективного биосмешивания в заливе, на который влияют ветровые прибрежные апвеллинги (Риа-де-Понтеведра, северо-западная Иберия). Эта демонстрация основана на анализе двухнедельного набора данных наблюдений гидрографических свойств с высоким (временным и вертикальным) разрешением, скоростей турбулентной диссипации и перемешивания, а также акустического обратного рассеяния (показатель плотности рыбы и планктона). Данные были получены во время круиза REMEDIOS летом 2018 года в три периода отбора проб (1–5 июля; 6–8 июля; и 9–13 июля) и зафиксировали интенсивную биофизическую турбулентность в каждом сегменте ночных измерений. Это позволило чрезвычайно подробно охарактеризовать биофизическую турбулентность, ее эффективность смешивания и биологическую основу.

Авторы проливают свет на эту проблему, анализируя 14-дневные непрерывные измерения турбулентности сантиметрового масштаба в районе прибрежного апвеллинга. Мы показываем, что турбулентная диссипация увеличивается в 10–100 раз каждую ночь съемки из-за плавательной активности крупных скоплений анчоусов, которые регулярно собираются в течение нерестового сезона. Турбулентное перемешивание активизируется одновременно с диссипацией и происходит с эффективностью, сравнимой с эффективностью геофизической турбулентности.

Результаты показывают, что турбулентность, обусловленная биологическими факторами, может быть высокоэффективным перемешивающим агентом, и требуют пересмотра ее воздействия на продуктивные районы верхних слоев океана.

За за измерение степени, в которой на смешивание океанской воды влияет сексуальная активность анчоусов, Бьеито Фернандес Кастро, Мариан Пенья, Энрике Ногейра, Мигель Гилькото, Эсперанса Брульон, Антонио Комесанья, Дэмиен Буффар, Альберто К. Навейра Гарабато и Беатрис Моуриньо-Карбаллидо, становятся обладателями Шнобелевской премии 2023 года по физике.

Мариан Пенья (Marian Pena), Энрике Ногейра (Enrique Nogueira), Мигель Гилькото (Miguel Gilcoto), Эсперанса Брульон (Esperanza Broullon), Антонио Комесанья (Antonio Comesana), Беатрис Моуриньо-Карбаллидо (Beatriz Mourino-Carballido), Университет Виго, Испания, Дэмиен Буффар (Damien Bouffard), Швейцарский федеральный институт водных наук и технологий, Швейцария, Бьеито Фернандес Кастро (Bieito Fernandez Castro), Альберто К. Навейра Гарабато (Alberto C. Naveira Garabato), Университет Саутгемптона, Великобритания, "Интенсивное перемешивание верхних слоев океана из-за больших скоплений нерестящихся рыб", Природа Геонауки, 15(4), 07 апреля 2022.