دورة لانغمير

في علم المحيطات الفيزيائي ، تتكون دورة لانغمير من سلسلة من الدوامات الضحلة والبطيئة والمتعاكسة الدوران على سطح المحيط، والمحاذية لاتجاه الرياح. تتشكل هذه الدورات عندما تهب الرياح باستمرار فوق سطح البحر. اكتشف إيرفينغ لانغمير هذه الظاهرة بعد ملاحظته لصفوف من الأعشاب البحرية في بحر سارجاسو عام 1927. ^{[ 1 ]} تدور دورات لانغمير داخل الطبقة المختلطة ؛ ومع ذلك، لم يتضح بعد مدى قدرتها على إحداث الاختلاط في قاعدة الطبقة المختلطة. ^{[ 2 ]}

القوة الدافعة لهذه الدورات هي تفاعل التدفق المتوسط ​​مع التدفقات المتوسطة للأمواج السطحية. تعمل سرعة انجراف ستوكس للأمواج على تمديد وإمالة دوامية التدفق بالقرب من السطح. ويتوازن إنتاج الدوامية في الطبقات العليا من المحيط مع الانتشار الهابط (الذي غالبًا ما يكون مضطربًا).${\displaystyle \nu _{T}}$بالنسبة للتدفق الناتج عن الرياح${\displaystyle \tau }$تتميز بسرعة الاحتكاك${\displaystyle u_{*}}$تحدد نسبة انتشار الدوامة وإنتاجها رقم لانغمير ^{[ 2 ]}$${\displaystyle \mathrm {La} ={\sqrt {\frac {\nu _{T}^{3}k^{6}}{\sigma a^{2}u_{*}^{2}k^{4}}}}~{\text{ or }}~{\sqrt {\frac {\nu _{T}^{3}\beta ^{6}}{u_{*}^{2}S_{0}\beta ^{3}}}}}$$ حيث يكون التعريف الأول لحقل موجي أحادي اللون ذي سعة${\displaystyle a}$، تكرار${\displaystyle \sigma }$، والعدد الموجي${\displaystyle k}$ويستخدم الثاني مقياس طول عكسي عام${\displaystyle \beta }$ومقياس سرعة ستوكس${\displaystyle S_{0}}$ويتجلى ذلك في معادلات كريك-ليبوفيتش ^{[ 3 ]} التي تُعدّ تقريبًا للمتوسط ​​اللاغرانجي . ^{[ 4 ] [ 5 ]} في تقريب بوسينسك، يمكن كتابة المعادلات الحاكمة على النحو التالي$${\displaystyle {\frac {\partial u_{i}}{\partial t}}+u_{j}\,\nabla _{j}u_{i}=-2\varepsilon _{ijk}\Omega _{j}(u_{k}^{s}+u_{k})-\nabla _{i}\left({\frac {P}{\rho _{0}}}+{\frac {1}{2}}u_{j}^{s}u_{j}^{s}+u_{j}^{s}u_{j}\right)+\varepsilon _{ijk}u_{j}^{s}\varepsilon _{k\ell m}\,\nabla _{\ell }u_{m}+g_{i}{\frac {\rho }{\rho _{0}}}+\nabla _{ي}\نو \,\نابلا _{j}u_{i}}$$$${\displaystyle \nabla _{i}u_{i}=0}$$$${\displaystyle {\frac {\partial \rho }{\partial t}}+u_{j}\,\nabla _{j}\rho =\nabla _{i}\kappa \,\nabla _{i}\rho }$$ أين

• ${\displaystyle u_{i}}$هي سرعة السائل،
• $أوميغا$دوران الكوكب،
• ${\displaystyle u_{i}^{s}}$هي سرعة انجراف ستوكس لحقل الموجة السطحية،
• ${\displaystyle P}$هو الضغط،
• ${\displaystyle g_{i}}$هو التسارع الناتج عن الجاذبية الأرضية،
• ${\displaystyle \rho }$الكثافة،
• ${\displaystyle \rho _{0}}$هي الكثافة المرجعية،
• ${\displaystyle \nu }$اللزوجة، و
• ${\displaystyle \kappa }$هي معامل الانتشار.

في ظروف المحيط المفتوح حيث قد لا يكون هناك مقياس طول مهيمن يتحكم في حجم خلايا لانغمير، يتم طرح مفهوم اضطراب لانغمير . ^{[ 6 ]}

لوحظ أن الدوران يقع بين 0° و20° إلى يمين اتجاه الرياح في نصف الكرة الشمالي ^{[ 7 ]} ، ويشكل حلزونًا حلزونيًا على السطح ، مكونًا نطاقات من التباعد والتقارب . في مناطق التقارب، تتجمع عادةً كميات كبيرة من الأعشاب البحرية الطافية والرغوة والحطام على طول هذه النطاقات. وعلى طول مناطق التباعد هذه، يكون سطح المحيط عادةً خاليًا من الحطام، حيث تدفع التيارات المتباعدة المواد خارج هذه المنطقة إلى مناطق التقارب المجاورة. على السطح، يُنشئ الدوران تيارًا من منطقة التباعد إلى منطقة التقارب، وتتراوح المسافة بين هاتين المنطقتين بين 1 و300 متر (3-1000 قدم) . أسفل مناطق التقارب، تتشكل تيارات ضيقة من التدفق الهابط، وتكون قوة التيار مماثلة للتدفق الأفقي. عادةً ما يكون الانتشار الهابط في حدود أمتار أو أعشار المتر، ولا يخترق طبقة التغير الحراري . يكون الصعود أقل حدة ويحدث على نطاق أوسع أسفل منطقة التباعد. في سرعات رياح تتراوح من 2 إلى 12 م/ث (6.6 إلى 39.4 قدم/ث)، تراوحت السرعة الرأسية القصوى من 2 إلى 10 سم/ث (0.79 إلى 3.94 بوصة /ث)، مع نسبة سرعة الهبوط إلى سرعة الرياح تتراوح من -0.0025 إلى -0.0085. ^{[ 8 ]}      

تلعب دورات لانغمير (LCs)، وهي دوامات أسطوانية متعاكسة الدوران في الطبقة العليا من المحيط، دورًا هامًا في الخلط الرأسي. ورغم أنها عابرة، وتعتمد قوتها واتجاهها على خصائص الرياح والأمواج، إلا أنها تُسهّل خلط المغذيات وتؤثر على توزيع الكائنات البحرية، مثل العوالق، في الطبقة المختلطة العليا من المحيط. ^{[ 9 ] [ 10 ]} تُنشئ الدوامات الناتجة عن الرياح مناطق تتجمع فيها الكائنات ذات الطفو والاتجاه وسلوك السباحة المختلفة ، مما يؤدي إلى تباين في التوزيع. ^{[ 11 ]} في الواقع، يمكن أن تُنتج دورات لانغمير تجمعات كبيرة من الطحالب خلال ظواهر مثل المد الأحمر . ^{[ 10 ]} نظريًا، يزداد حجم دورات لانغمير مع سرعة الرياح ما لم يحدّ منه انقطاعات الكثافة الناتجة عن طبقة التغير الحراري . ولكن قد تكون رؤية التأثيرات السطحية لدورات لانغمير محدودة بسبب الأمواج المتكسرة أثناء الرياح القوية التي تُشتت المواد الموجودة على السطح. ^{[ 12 ]} لذلك، من المرجح أن تكون التأثيرات السطحية لـ LC مرئية أثناء الرياح التي تزيد عن سرعة الرياح الحرجة البالغة 3  م/ث ولكنها ليست قوية جدًا.

علاوة على ذلك، أظهرت دراسات سابقة أن الكائنات الحية والمواد يمكن أن تتجمع في مناطق مختلفة داخل التيارات المائية، مثل تيار الهبوط في منطقة التقارب، وتيار الصعود في منطقة التباعد، ومنطقة الاحتجاز في دوامة التيار المائي، والمنطقة الواقعة بين منطقتي الصعود والهبوط. ^{[ 11 ]} وبالمثل، وُجد أن التيارات المائية تتميز بتيار سطحي أعلى باتجاه الرياح في مناطق التقارب نتيجةً للتدفق النفاث. ويمكن لهذه المنطقة المتقاربة الأسرع حركةً على سطح الماء أن تعزز نقل الكائنات الحية والمواد في اتجاه الرياح.

تأثيره على النباتات

في عام 1927، رصد لانغمير صفوفًا منظمة من طحالب السرجس المائي (Sargassum natans) أثناء عبوره بحر سرجس في المحيط الأطلسي . وعلى عكس الكائنات السابحة النشطة كالحيوانات والعوالق الحيوانية، تُعد النباتات والعوالق النباتية عادةً أجسامًا خاملة في الماء، ويتحدد تجمعها بسلوك التيار. في صفوف الرياح، تُلوّن الكائنات العوالقية المركزة الماء، مما يدل على وجود تيارات هوائية. وقد لوحظ تباين أكبر في عينات العوالق التي جُمعت مع اتجاه الرياح مقارنةً بالعينات التي جُمعت عموديًا عليها. ^{[ 13 ]} وقد يكون أحد أسباب هذا التباين هو التيارات الهوائية التي تُؤدي إلى مناطق تقارب (عينات عالية التركيز) أو مناطق متوسطة التركيز (عينات منخفضة التركيز) في العينات المسحوبة مع اتجاه الرياح. ^{[ 14 ]} وبالمثل، لوحظ تأثير التقارب هذا للتيارات الهوائية أيضًا في منطقة الكلوروفيل العالية على عمق حوالي 100 متر في بحيرة تاهو، والتي قد تُعزى إلى السحب المائل عبر التيارات الهوائية. ^{[ 15 ]} بالإضافة إلى ذلك، تنتقل طحالب السرجس من السطح إلى القاع في منطقة التيارات الهابطة لتيار لويزيانا، وقد تفقد طفوها بعد غرقها في الأعماق لفترة كافية. ^{[ 16 ]} قد تغمر بعض النباتات التي تُرى عادةً طافيةً في الماء خلال ظروف الرياح العاتية بسبب التيارات الهابطة لتيار لويزيانا. علاوة على ذلك، قد يؤدي تيار لويزيانا أيضًا إلى تباين في أعداد الدياتومات ذات الطفو الإيجابي (بما في ذلك كائنات المد الأحمر السامة) خلال فترات ازدهارها. ^{[ 17 ]} علاوة على ذلك، لوحظ أن العوالق النباتية ذات الطفو السلبي، والتي تغرق ببطء في المياه الراكدة، تبقى في المنطقة المضيئة، وهو ما قد يكون بسبب التعليق الناتج عن خلايا الحمل الحراري الرأسية. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

علاوة على ذلك، رصدت دراسة أوسع نطاقًا حول خلايا لانغمير الفائقة، التي يصل فيها الدوران إلى قاع البحر، تجمعًا للطحالب الكبيرة من نوع كولبومينيا في قاع المياه الضحلة (حوالي 5 أمتار) في بنك غريت باهاما، نتيجة لسرعة رياح محلية تتراوح بين 8 و13  مترًا في الثانية. ^{[ 20 ]} قد يكون هذا الدوران مسؤولًا عن نقل الكتلة الحيوية الكربونية من المياه الضحلة إلى أعماق البحار . وقد تجلى هذا التأثير بوضوح من خلال الانخفاض الحاد في تركيز الطحالب بعد حدوث الدوران، كما لوحظ من خلال صور الأقمار الصناعية للون المحيط ( وكالة ناسا ) خلال فترة الدراسة. ويشبه هذا التجمع للطحالب الكبيرة سالبة الطفو على قاع البحر تجمعات الجسيمات موجبة الطفو على سطح الماء نتيجةً للدوران.

• الوسائط المتعلقة بتوزيع لانغمير على ويكيميديا ​​كومنز