Океанический физико-биологический процесс - Oceanic physical-biological process

Морская вода в 827 раз плотнее воздуха

Из-за более высокой плотности морская вода (1030 кг · м−3) чем воздух (1,2 кг м−3) сила, действующая с той же скоростью на организм, в океане в 827 раз сильнее. Когда волны разбиться о берег, сила, приложенная к прибрежный организмов может быть эквивалентно нескольким тоннам.

Роли воды

Вода образует океан, создает жидкую среду высокой плотности и сильно влияет на океанические организмы.

  1. Морская вода создает плавучесть и поддерживает растения и животных. Вот почему в океане организмы могут быть такими огромными, как синий кит и макрофиты. А плотность или жесткость океанических организмов относительно низка по сравнению с таковыми у наземных видов. Водная среда позволяет организму быть мягким, водянистым и огромным. Быть водянистым и прозрачным - хороший способ избежать нападения хищников.[1]
  1. Морская вода может предотвратить высыхание, хотя она намного соленее, чем пресная. Для океанических организмов, в отличие от земных растений и животных, вода никогда не является проблемой.
  2. Морская вода переносит кислород и питательные вещества к океаническим организмам, что позволяет им быть планктонными или оседающими. Растворенные минералы и кислород текут потоками / циркуляциями. Океанические растения и животные легко захватывают то, что им нужно в повседневной жизни, что делает их «ленивыми» и «медлительными».
  3. Морская вода удаляет отходы от животных и растений. Морская вода чище, чем мы можем себе представить. Из-за огромного объема океана отходы, производимые океанскими организмами и даже деятельностью человека, вряд ли могут привести к загрязнению морской воды. Отходы - это не только «отходы», но и важный источник пищи. Бактерии реминерализуют и возвращают органические вещества обратно в основную океаническую пищевую сеть.
  4. Организмы, переносящие морскую воду, что облегчает захват и удобрение пищи. Многие оседлые донные организмы используют свои щупальца для ловли планктонной пищи.

Число Рейнольдса

Водный поток можно охарактеризовать как ламинарный или турбулентный.[2] Ламинарный поток характеризуется плавным движением: соседние частицы, адвектируемые таким потоком, будут следовать аналогичными путями. Турбулентный поток преобладает рециркуляция, завихрения, водовороты и кажущаяся случайность. В таком потоке частицы, которые в один момент являются соседями, позже могут оказаться далеко разнесенными.

Число Рейнольдса это отношение сил инерции к силам вязкости. По мере увеличения размеров организма и силы тока силы инерции в конечном итоге будут преобладать, и поток станет турбулентным (большое Re). По мере уменьшения размера и прочности вязкие силы в конечном итоге преобладают, и течение становится ламинарным (небольшое Re).

С биологической точки зрения существует важное различие между планктоном и нектоном. Планктон представляют собой совокупность относительно пассивных организмов, которые плавают или дрейфуют вместе с течениями, таких как крошечные водоросли и бактерии, маленькие яйца и личинки морских организмов, а также простейшие и другие мелкие хищники. Нектон представляют собой совокупность активно плавающих организмов, способных передвигаться независимо от водных течений, таких как креветки, кормовая рыба и акулы.

Как показывает практика, планктон невелик, и, если он вообще плавает, то имеет биологически низкие числа Рейнольдса (от 0,001 до 10), когда преобладает вязкое поведение воды и обратимые потоки являются правилом. Нектоны, напротив, крупнее и плавают с биологически высокими числами Рейнольдса (103 до 109), где инерционные потоки являются правилом, а вихри (вихри) легко удаляются. Многие организмы, такие как медузы и большинство рыб, начинают жизнь в виде личинок и других крошечных членов планктонного сообщества, плавая при низких числах Рейнольдса, но становятся нектоном, когда становятся достаточно большими, чтобы плавать при высоких числах Рейнольдса.

Принцип Бернулли

Принцип Бернулли утверждает, что для невязкого (без трения) потока увеличение скорости жидкости происходит одновременно с уменьшением давления или уменьшением потенциальной энергии жидкости.[3]

Одним из результатов принципа Бернулли является то, что более медленный ток имеет более высокое давление. Этот принцип используется, например, некоторыми бентосный подвесные питатели. Эти умные ребята роют ямы, похожие на U-образные трубы, с одним концом выше другого. Из-за нижнего сопротивления, когда вода течет по дну, нижнее отверстие трубы имеет более низкую скорость жидкости и, следовательно, более высокое давление, чем верхнее отверстие трубы. Устройство подачи бентосной суспензии может спрятаться в трубе, так как разница давлений между концами трубы заставляет воду и взвешенные частицы проходить через трубу.

Формы тела многих донных существ также используют принцип Бернулли не только для уменьшения трения и сопротивления, но и для создания подъемной силы, когда они движутся по течению.

Тащить

Большая белая акула

Тащить это тенденция объекта двигаться в направлении потока. Величина сопротивления зависит от скорости течения, формы и размера организма, а также плотности жидкости. Перетаскивание - это процесс рассеивания, который обычно приводит к выделению тепла.

В морской воде сопротивление можно разделить на две различные формы: поверхностное трение и сопротивление давлением.

  1. Кожное трение: как и другие силы трения, кожное трение является следствием относительного движения между поверхностью организмов и его жидкой средой. В условиях низкого Re, где преобладают силы вязкости, поверхностное трение является очевидным и более важным, хотя оно также присутствует в условиях высокого Re.
  2. Сопротивление давлением: сопротивление давлением является результатом разницы давлений перед и позади организма. Между прочим, форма с самым низким коэффициентом сопротивления давлению представляет собой полую полусферу, ориентированную в направлении потока жидкости. В океанической среде растения и оседлые животные имеют тела мягкие и гибкие, чтобы свести к минимуму эффект сопротивления давлением.

Помимо того, что организмы мягкие и гибкие, у них есть и другие способы минимизировать сопротивление.

  • Гладкая кожа: у дельфинов есть маленькие слезинки на коже, которые задерживают воду, поэтому вода течет по воде, которая задерживается. Кожа кажется мягкой и шелушащейся, каждые два часа она теряет.[4] Это помогает дельфинам плавать в морской воде с большой скоростью.
  • Кожа акулы: поверхность кожи акулы покрыта крошечными «зубами» или дермальные зубчики. Форма и расположение этих зубчиков различаются по всему телу акулы, изменяя поток воды таким образом, чтобы минимизировать сопротивление формы.[5]
  • Кожа барракуды: у барракуд есть сотни кожных каналов, которые заставляют потоки жидкости следовать по параллельным трубкам и становиться ламинарными. Опять же, такое расположение снижает сопротивление воды.

Рекомендации

  1. ^ «Прозрачное животное может сыграть незамеченную роль в океане».
  2. ^ «Введение в механику жидкости».
  3. ^ «Гидродинамика». Британская онлайн-энциклопедия. Получено 2008-10-30.
  4. ^ "Шкура дельфина ключ к подводной скорости".
  5. ^ «Многие недавние олимпийские купальники были сделаны из материала, имитирующего кожу акулы».