Морской спрей - Sea spray

Морские брызги, создаваемые разбивающимися поверхностными волнами

Морские брызги - это частицы аэрозоля, образующиеся из океана , в основном в результате выброса в атмосферу Земли в результате лопания пузырьков на границе раздела воздух-море. Морские брызги содержат как органические вещества, так и неорганические соли, которые образуют аэрозоль морской соли (SSA). SSA обладает способностью образовывать ядра конденсации облаков (CCN) и удалять антропогенные аэрозольные загрязнители из атмосферы.

Морские брызги прямо (и косвенно, через SSA) ответственны за значительную степень потоков тепла и влаги между атмосферой и океаном, влияя на глобальные климатические модели и интенсивность тропических штормов. Морские брызги также влияют на рост растений и распространение видов в прибрежных экосистемах и усиливают коррозию строительных материалов в прибрежных районах.

Поколение

Формирование

Связь между морской пеной и образованием морских брызг. Темно-оранжевая линия обозначает процессы, общие для образования морской пены и брызг.

Когда ветер, белые шапки и прибойные волны смешивают воздух с морской поверхностью, воздух группируется, образуя пузыри, всплывает на поверхность и лопается на границе раздела воздух-море. Когда они лопаются, они выпускают до тысячи частиц морских брызг, размер которых варьируется от нанометров до микрометров, и их можно выбросить на расстояние до 20 см от поверхности моря. Капли пленки составляют большинство более мелких частиц, создаваемых начальным взрывом, в то время как капли струи образуются в результате схлопывания пузырьковой полости и выбрасываются с поверхности моря в виде вертикальной струи. В ветреную погоду капли воды механически отрываются от гребней прибойных волн. Капли морских брызг, образующиеся с помощью такого механизма, называются каплями брызг. и обычно имеют больший размер и меньшее время пребывания на воздухе. При ударе обрушивающихся волн на поверхность моря также образуются морские брызги в виде капель брызг. . Состав морских брызг зависит в первую очередь от состава воды, из которой они производятся, но в целом представляет собой смесь солей и органических веществ . Несколько факторов определяют производственный поток морских брызг, особенно скорость ветра, набухания высоту, набухают период, влажность и перепад температур между атмосферой и поверхностью воды. Таким образом, производство и скорость распределения SSA по размерам чувствительны к состоянию перемешивания. Менее изученной областью образования морских брызг является образование морских брызг в результате воздействия капель дождя на поверхность моря .

Пространственная вариация

В дополнение к местным условиям, которые влияют на формирование морских брызг, существуют также последовательные пространственные закономерности в производстве и составе морских брызг. Поскольку морские брызги образуются, когда воздух смешивается с океаном, градиенты формации устанавливаются турбулентностью поверхностных вод. Волны вдоль прибрежных берегов, как правило, являются местом наибольшей турбулентности, поэтому здесь наибольшее количество брызг с моря. Частицы, образующиеся в турбулентных прибрежных районах, могут перемещаться горизонтально на расстояние до 25 км в пределах пограничного слоя планеты . По мере удаления от берега производство морских брызг снижается до уровня, поддерживаемого почти исключительно белыми шапками. Доля площади поверхности океана, которая достаточно турбулентна, чтобы производить значительные морские брызги, называется долей белой шапки. Единственный другой механизм образования морских брызг в открытом океане - это прямое воздействие ветра, когда сильный ветер фактически нарушает поверхностное натяжение воды и поднимает частицы в воздух. Однако частицы морской воды, образующиеся таким образом, часто слишком тяжелы, чтобы оставаться взвешенными в атмосфере, и обычно выпадают обратно в море на расстоянии нескольких десятков метров от транспорта.

Временная вариация

В зимние месяцы океан обычно испытывает штормовые и ветреные условия, которые приводят к большему затоплению моря воздухом и, следовательно, к увеличению количества брызг. Более спокойные летние месяцы приводят к снижению общего количества брызг с моря. Во время пика первичной продуктивности летом повышенное содержание органического вещества на поверхности океана приводит к последующему увеличению количества морских брызг. Учитывая, что морские брызги сохраняют свойства воды, из которой они были получены, состав морских брызг сильно меняется в зависимости от сезона. Летом растворенный органический углерод (DOC) может составлять 60-90% массы морской воды. Несмотря на то, что во время штормового зимнего сезона образуется гораздо больше морских брызг, состав почти полностью состоит из солей из-за низкой первичной продукции.

Органическая материя

Органическое вещество в морских брызгах состоит из растворенного органического углерода (DOC) и даже самих микробов, таких как бактерии и вирусы. Количество органического вещества в морских брызгах зависит от микробиологических процессов, хотя общий эффект этих процессов до сих пор неизвестен. Хлорофилл-а часто используется в качестве косвенного показателя первичной продукции и содержания органических веществ в морских брызгах, но его надежность для оценки концентрации растворенного органического углерода является спорной. Биомасса часто попадает в морские брызги из-за гибели и лизиса клеток водорослей, часто вызываемых вирусными инфекциями . Клетки распадаются на растворенный органический углерод, который выбрасывается в атмосферу при лопании пузырьков на поверхности. Когда первичная продуктивность достигает пика летом, цветение водорослей может генерировать огромное количество органических веществ, которые в конечном итоге попадают в морские брызги. В правильных условиях агрегация растворенного органического углерода может также образовывать поверхностно-активное вещество или морскую пену .

Климатические взаимодействия

При сильном ветре слой испарения капель (ДЭС) влияет на теплообмен поверхностной энергии океана. Поток скрытого тепла морской брызг, образующийся в слое испарения капель, был назван важным дополнением к усилиям по моделированию климата, особенно при моделировании, оценивающем тепловой баланс воздуха и моря в связи с ураганами и циклонами, образующимися во время сильных ветров. Во время образования белых шапок капли морских брызг проявляют те же свойства, что и поверхность океана, но быстро адаптируются к окружающему воздуху. Некоторые капли морских брызг немедленно реабсорбируются в море, в то время как другие полностью испаряются и вносят частицы соли, такие как диметилсульфид (ДМС), в атмосферу, где они могут переноситься посредством турбулентности в слои облаков и служить ядрами конденсации облаков . Образование этих ядер конденсации облаков, таких как диметилсульфид, также имеет последствия для климата из-за их влияния на образование облаков и взаимодействие с солнечным излучением. Кроме того, вклад DMS в атмосферу в морских брызгах связан с глобальным круговоротом серы . Понимание общего воздействия естественных источников, таких как морские брызги, может пролить свет на критические ограничения, создаваемые антропогенным влиянием, и может быть объединено с химией , биологией и физикой океана для прогнозирования будущей изменчивости океана и атмосферы.

Доля органического вещества в морских брызгах может повлиять на коэффициент отражения , определить общий охлаждающий эффект SSA и немного изменить способность SSA образовывать ядра конденсации облаков (17). Даже небольшие изменения уровней SSA могут повлиять на глобальный радиационный баланс, что приведет к последствиям для глобального климата. SSA имеет низкое альбедо , но его присутствие на более темной поверхности океана влияет на поглощение и отражение приходящей солнечной радиации.

Поток энтальпии

Влияние морских брызг на поверхностный тепло- и влагообмен достигает пика в периоды наибольшей разницы между температурами воздуха и моря. Когда температура воздуха низкая, поток явного тепла от морской струи может быть почти таким же большим, как поток скрытого тепла от брызг в высоких широтах. Кроме того, морские брызги увеличивают поток энтальпии воздух / море во время сильного ветра в результате перераспределения температуры и влажности в морском пограничном слое . Капли морских брызг, попадающие в воздух, термически уравновешивают ~ 1% своей массы. Это приводит к добавлению ощутимого тепла перед входом в океан, увеличивая их потенциал для значительного ввода энтальпии.

Динамические эффекты

Эффекты переноса морских брызг в пограничном слое атмосферы еще полностью не изучены. Капли морских брызг изменяют потоки движения воздуха и моря, ускоряясь и замедляясь ветром. При ураганном ветре наблюдается некоторое уменьшение потока импульса между воздухом и морем.Это уменьшение потока импульса проявляется как насыщение коэффициента сопротивления воздух / море . Некоторые исследования определили эффекты брызг как одну из потенциальных причин насыщения коэффициента сопротивления воздух / море. Посредством нескольких численных и теоретических исследований было показано, что морские брызги, если они присутствуют в значительных количествах в пограничном слое атмосферы, приводят к насыщению коэффициентов сопротивления воздух-море.

Экология

Прибрежные экосистемы

Отложение солей из морских брызг является основным фактором, влияющим на распределение растительных сообществ в прибрежных экосистемах. Концентрации ионов в морских брызгах, выпадающих на сушу, обычно отражают их концентрации в океане, за исключением того, что в морских брызгах содержание калия часто выше. Отложение солей на суше обычно уменьшается с удалением от океана, но увеличивается с увеличением скорости ветра. Отложение солей из-за морских брызг коррелирует с уменьшением высоты растений и значительным рубцеванием, уменьшением побегов, уменьшением высоты стебля и отмиранием тканей на наветренной стороне кустарников и деревьев. Различия в отложении солей также влияют на конкуренцию между растениями и устанавливают градиенты солеустойчивости.

В то время как соли в морских брызгах могут серьезно препятствовать росту растений в прибрежных экосистемах, отбирая солеустойчивые виды, морские брызги также могут приносить жизненно важные питательные вещества в эти места обитания. Например, одно исследование показало, что морские брызги в Уэльсе, Великобритания, ежегодно доставляют в прибрежные песчаные дюны примерно 32 кг калия с гектара. Поскольку почвы дюн очень быстро выщелачивают питательные вещества, удобрения морскими брызгами могут иметь большое влияние на экосистемы дюн, особенно для растений, которые менее конкурентоспособны в условиях ограниченного количества питательных веществ.

Микробные сообщества

Морские брызги, содержащие морские микроорганизмы, могут уноситься высоко в атмосферу, где они становятся аэропланктоном . Эти переносимые по воздуху микроорганизмы могут путешествовать по земному шару, прежде чем упасть обратно на Землю.

Вирусы, бактерии и планктон повсеместно распространены в морской воде, и это биоразнообразие отражается в составе морских брызг. Вообще говоря, морские брызги содержат несколько более низкую концентрацию микробов, чем вода, из которой они производятся. Однако микробное сообщество в морских брызгах часто отличается от близлежащих водоемов и песчаных пляжей, что позволяет предположить, что некоторые виды более склонны к транспортировке через SSA, чем другие. Морские брызги с одного пляжа могут содержать тысячи операционных таксономических единиц (OTU). Около 10 000 различных ОТЕ были обнаружены в морских брызгах только между Сан-Франциско, Калифорния, и Монтереем, Калифорния, и только 11% из них были обнаружены повсеместно. Это говорит о том, что морские брызги в каждом прибрежном регионе, вероятно, имеют свой собственный уникальный набор микробного разнообразия, и тысячи новых OTU еще предстоит обнаружить. Многие из наиболее распространенных OTU были идентифицированы до следующих таксонов: Cryptophyta (отряд), Stramenopiles (отряд) и OM60 (семейство). Многие даже были отнесены к роду: Persicirhabdus, Fluviicola, Synecococcus, Vibrio и Enterococcus.

Ученые предположили, что поток переносимых по воздуху микроорганизмов кружит над планетой над погодными системами, но ниже коммерческих воздушных путей. Некоторые из этих перипатетических микроорганизмов уносятся наземными пыльными бурями, но большинство происходит от морских микроорганизмов в морских брызгах. В 2018 году группа ученых сообщила, что сотни миллионов вирусов и десятки миллионов бактерий ежедневно откладываются на каждом квадратном метре планеты.

Химическая устойчивость

Морские брызги в значительной степени ответственны за коррозию металлических предметов вблизи береговой линии, поскольку соли ускоряют процесс коррозии в присутствии большого количества атмосферного кислорода и влаги. Соли не растворяются в воздухе напрямую, а находятся во взвешенном состоянии в виде мелких частиц или растворяются в микроскопических каплях воды в воздухе.

Испытание в солевом тумане - это мера прочности материала или устойчивости к коррозии, особенно если материал будет использоваться на открытом воздухе и должен выдерживать механическую нагрузку или выполнять другую критическую роль. Эти результаты часто представляют большой интерес для морской промышленности , продукты которой могут подвергаться сильному ускорению коррозии и последующему выходу из строя из-за воздействия соленой воды.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки