Мезомасштабным вихрям океана (с диаметром 100-200км и временем существования от недель до месяцев) посвящены многочисленные исследования и их обзоры (Chelton et al., 2007, 2011; Korotaev, 2020, и др.), поскольку эти динамические образования вносят значительный вклад в пространственно-временную изменчивость поля кинетической энергии геострофических течений мирового океана. Экологическим следствием энергодинамики вихрей является пространственная неоднородность распределения биомассы и численности планктона (Пионтковский, 2005), в том числе его биолюминесцентной фракции. Характеристики механически стимулированной биолюминесценции отражают как структурные свойства планктонного сообщества (биолюминесценный потенциал светящихся видов), так и его функциональное (физиологическое) состояние (Токарев, 2006, 2016).



Цель данного исследования состояла в выявлении характерных свойств мезомасштабной изменчивости биолюминесцентного потенциала (БП) в верхнем 100-метровом слое в районах с более или менее развитым вихревым полем. В частности, выполнена проверка гипотезы о возможной взаимосвязи между мезомасштабной пространственной неоднородностью поля биолюминесценции и кинетической энергией вихрей. Методы расчета последней приведены в серии работ (Roach et al., 2018; Sharma et al., 1999, и др.).

В большинстве регионов БП измерялся погружным комплексом «Сальпа» нескольких модификаций (Мельник и др., 2019). В данной работе использованы материалы ночных зондирований. Часть из них сопровождалась сбором проб фито и зоопланктона. Мезомасштабные вихри идентифицированы как по результатам контактных измерений направления и скорости геострофических течений, так и по аномалиям уровня поверхности океана полученных со спутников (https://las.aviso.altimetry.fr).



Батифотометрические зондирования (по 5-20 последовательных зондирований на дрейфовых станциях) в режиме сеток станций и разрезов позволили оценить горизонтальную составляющую пространственного распределения и характеристики вертикальной структуры поля биолюминесценции. Анализ 24,000 батифотометрических зондирований из 71 экспедиции научно-исследовательских судов АН СССР и РФ в 1966-2017гг. выполнен для регионов Атлантического, Индийского океанов и средиземноморского бассейна.



Максимумы БП характерны для периферии циклонических вихрей, с 3-4х кратными различиями БП между центрами и периферией. В тропических водах Атлантического и Индийского океанов отмечена корреляция между БП и биомассой сетного зоопланктона (r =0.7, p =0.05), которая существует сезонно, особенно в Индийском океане, где таксономический состав и биомасса изменяются в связи с муссонной перестройкой ветров и течений. В открытой части Черного моря преобладает корреляция между БП и биомассой фитопланктона.



Нормированная дисперсия БП в слое 0-50м на 14 сетках станций и разрезов в океанических водах коррелирует с кинетической энергией вихрей в поверхностном слое (r =0.8, p =0.001), в диапазоне кинетической энергии вихрей и биомассы сетного зоопланктона варьирующих, приблизительно, в пределах одного порядка. При этом, величина нормированного БП варьировала в диапазоне превышающем два порядка.



В вертикальном распределении, в циклонических вихрях тропических вод, максимумы БП располагаются выше, чем в фоновых областях. При этом, вертикальный масштаб тонкоструктурных неоднородностей в тропических водах и Черном море (оцененный по автокорреляционным функциям) находится в пределах 1-7 м. Он больше в вихрях по сравнению с фоновыми областями.



Работа поддержана грантом РНФ № 23-24-00007, Севастопольским государственным университетом и Институтом биологии южных морей РАН (гранты № 121040600178-6 и № 121090800137-6).



Литература



Chelton D.B., Schlax M.G., Samelson R.M., de Azoeke R.A. 2007. Geophysical Research Letters, 34, L15606.



Chelton D.B., Schlax M.G., Samelson R.M. 2011. Progress in Oceanography, 91: 167-216.



Korotaev G.K. 2020. Physical Oceanography (e-journal), 27 (6): 692-713.



Roach C.J., Balwada D., Speer K. 2018. Journal of Geophysical Research. Oceans, 123: 4560-4575.



Sharma R., Gopalan A.K.S, Ali M.M. 1999. Marine Geodesy, 22:239-248,



Мельник А.В., Георгиева Е.Ю., Мельник Л.А. 2019. Системы контроля окружающей среды, 3 (37): 120-126.



Пионтковский С.А. 2005. Многомасштабная изменчивость мезопланктонных полей океана. «Экоси-Гидрофизика», Севастополь, 194 с.



Токарев Ю.Н. 2006. Основы биофизической экологии гидробионтов. «Экоси-Гидрофизика», Севастополь, 342 с.



Токарев В.Н., Евстигнеев П.В., Машукова О.В. 2016. Планктонные биолюминесценты мирового океана: видовое разнообразие, характеристики светоизлучения в норме и при антропогенном воздействии. «Н.Орiанда», Симферополь, 340 с.

Numerous research and reviews are dedicated to the mesoscale eddies of the ocean, with a characteristic diameter of 100-200 km and a life span ranging from weeks to months (Chelton et al., 2007, 2011; Korotaev, 2020, and etc.). These dynamic events gradually contribute to the spatio-temporal variability of the kinetic energy of geostrophic currents of the World Ocean. The spatial heterogeneity of plankton biomass and abundance distribution (including the bioluminescent fraction) is an ecological consequence of eddy energy dynamics (Piontkovski, 2005). The stimulated bioluminescence reflects the structural properties of plankton community (i.e. the bioluminescent potential of luminescent organisms), as well as its functional state (Tokarev, 2006, 2016).



The goal of our study was to elucidate characteristic properties of bioluminescent potential (BP) mesoscale variability of the upper 100 m layer in the regions with more or less pronounced eddy fields. In particular, a hypothesis about a provisional link of bioluminescent field mesoscale spatial heterogeneity with the eddy kinetic energy (EKE) was tested. Methods of EKE assessments were given elsewhere (Roach et al., 2018; Sharma et al., 1999, etc.).



The bathyphotometer “SALPA” of several modifications (Melnik et al, 2019) has been used over sampled regions. Night casts were analyzed in our work. A part of these casts was accompanied by phyto- and zooplankton sampling. Mesoscale eddies were identified by direct measurements of the speed and direction of geostrophic currents, as well as by remotely sensed sea surface anomalies (https://las.aviso.altimetry.fr).



Bathyphotometric measurements over oceanographic station grids and transects (including 5-20 consecutive casts per drift station) enabled us horizontal and vertical components of bioluminescent field spatial distribution to be assessed. The analysis of 24,000 bathy-photometric casts from 71 expeditions of USSR and Russian Academy of Sciences research vessels to the Atlantic Ocean, the Indian Ocean, and the Mediterranean Sea basin (1966-2017) was carried out.



The majority of BP maxima were associated with cyclonic eddy peripheries, with 3-4 fold differences between the eddy center and its periphery. The correlation of BP with net zooplankton biomass (r =0.7, p =0.05) in tropical waters of the Atlantic and Indian Oceans was noticed. This correlation has a seasonal pattern, in particular in the Indian Ocean, because of the changes observed in biomass taxonomic composition, due to monsoonal reversals of winds and currents. In open waters of the Black Sea, the correlation of BP with phytoplankton biomass has dominated.



The normalized variance of BP in the upper 50 m layer across 14 oceanographic grids and transects exhibited a correlation with EKE (r =0.8, p =0.001). The zooplankton biomass and EKE variations were in the range of one order of magnitude, while the BP varied in the range over two orders. The location of BP maxima over depth were higher in cyclonic eddies compared to that of adjacent background regions. The vertical scale of BP thin-layered heterogeneities was in a range of 1-7 m, in tropical and Black Sea regions. This range was assessed by spatial autocorrelation functions and was higher in cyclonic eddies compared to that of background regions.



This research was supported by the Russian Science Foundation grant № 23-24-00007, Sevastopol State University, and the Institute of Biology of the Southern Seas (grant № 121040600178-6 and № 121090800137-6).



References



Chelton D.B., Schlax M.G., Samelson R.M., de Azoeke R.A. 2007. Geophysical Research Letters, 34, L15606.



Chelton D.B., Schlax M.G., Samelson R.M. 2011. Progress in Oceanography, 91: 167-216.



Korotaev G.K.. 2020. Physical Oceanography (e-journal), 27 (6): 692-713.

Roach C.J., Balwada D., Speer K. 2018. Journal of Geophysical Research. Oceans, 123: 4560-4575.



Sharma R., Gopalan A.K.S., Ali M.M. 1999. Marine Geodesy, 22:239-248,



Melnik A.V., Georgieva E.Y., Melnik L.A. 2019. Environmental control systems, 3 (37): 120-126.



Piontkovsky S.A. 2005. Multiscale variability of ocean mesoplankton fields. "Ecosi-Hydrophysics", Sevastopol, 194 p.



Tokarev Yu.N. 2006. Fundamentals of biophysical ecology of hydrobionts. "Ecosi-Hydrophysics", Sevastopol, 342 p.



Tokarev V.N., Evstigneev P.V., Mashukova O.V. 2016. Planktonic bioluminescences of the world ocean: species diversity, characteristics of light emission in norm and under anthropogenic impact. "N.Orianda", Simferopol, 340 p.