Quantitatively Measuring <em>In situ</em> Flows using a Self-Contained Underwater Velocimetry Apparatus (SCUVA)

The ability to directly measure velocity fields in a fluid environment is necessary to provide empirical data for studies in fields as diverse as ...

Woods Hole Oceanographic Institution

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&#x7C98;&#x5EA6;&#x589E;&#x5F3A;&#x673A;&#x5236;&#x751F;&#x7269;&#x6D77;&#x6D0B;&#x6DF7;&#x5408;&#x3002;

Recent observations of biologically generated turbulence in the ocean have led to conflicting conclusions regarding the significance of the contribution of animal swimming to ocean mixing. Measurements indicate elevated turbulent dissipation--comparable with levels caused by winds and tides--in the vicinity of large populations of planktonic animals swimming together. However, it has also been noted that elevated turbulent dissipation is by itself insufficient proof of substantial biogenic mixing, because much of the turbulent kinetic energy of small animals is injected below the Ozmidov buoyancy length scale, where it is primarily dissipated as heat by the fluid viscosity before it can affect ocean mixing. Ongoing debate regarding biogenic mixing has focused on comparisons between animal wake turbulence and ocean turbulence. Here, we show that a second, previously neglected mechanism of fluid mixing--first described over 50 years ago by Charles Darwin--is the dominant mechanism of mixing by swimming animals. The efficiency of mixing by Darwin's mechanism is dependent on animal shape rather than fluid length scale and, unlike turbulent wake mixing, is enhanced by fluid viscosity. Therefore, it provides a means of biogenic mixing that can be equally effective in small zooplankton and large mammals. A theoretical model for the relative contributions of Darwinian mixing and turbulent wake mixing is created and validated by in situ field measurements of swimming jellyfish using a newly developed scuba-based laser velocimetry device. Extrapolation of these results to other animals is straightforward given knowledge of the animal shape and orientation during vertical migration. On the basis of calculations of a broad range of aquatic animal species, we conclude that biogenic mixing via Darwin's mechanism can be a significant contributor to ocean mixing and nutrient transport.

A viscosity-enhanced mechanism for biogenic ocean mixing.

Des observations r&#xE9;centes de la turbulence g&#xE9;n&#xE9;r&#xE9;e biologiquement dans l&#x26;#39;oc&#xE9;an ont conduit &#xE0; des conclusions contradictoires quant &#xE0; l&#x26;#39;importance de la contribution de la natation animal m&#xE9;lange oc&#xE9;anique. Les mesures indiquent &#xE9;lev&#xE9;e dissipation turbulente - comparable aux niveaux caus&#xE9;s par les vents et les mar&#xE9;es - dans le voisinage de grandes populations d&#x26;#39;animaux planctoniques nageant ensemble. Toutefois, il a &#xE9;galement &#xE9;t&#xE9; not&#xE9; qu&#x26;#39;un taux &#xE9;lev&#xE9; de dissipation turbulente est en soi une preuve insuffisante de m&#xE9;lange substantielle biog&#xE9;nique, car une grande partie de l&#x26;#39;&#xE9;nergie cin&#xE9;tique turbulente de petits animaux est inject&#xE9; sous l&#x26;#39;&#xE9;chelle Ozmidov longueur de flottabilit&#xE9;, o&#xF9; il est principalement dissip&#xE9;e en chaleur par le fluide viscosit&#xE9; avant il peut affecter m&#xE9;lange oc&#xE9;anique. Le d&#xE9;bat en cours concernant les biog&#xE9;nique m&#xE9;lange a mis l&#x26;#39;accent sur les comparaisons entre la turbulence de sillage des animaux et de la turbulence des oc&#xE9;ans. Ici, nous montrons qu&#x26;#39;un deuxi&#xE8;me m&#xE9;canisme, jusque-l&#xE0; n&#xE9;glig&#xE9; de m&#xE9;lange de fluides - d&#xE9;crit pour la premi&#xE8;re il ya 50 ans par Charles Darwin - est le m&#xE9;canisme dominant de m&#xE9;lange en nageant animaux. L&#x26;#39;efficacit&#xE9; du m&#xE9;lange par le m&#xE9;canisme de Darwin est d&#xE9;pendante de la forme animale plut&#xF4;t que &#xE9;chelle de longueur fluide et, contrairement sillage turbulent de m&#xE9;lange, est renforc&#xE9;e par la viscosit&#xE9; du fluide. Par cons&#xE9;quent, il fournit un moyen de m&#xE9;lange biog&#xE9;nique qui peut &#xEA;tre tout aussi efficace dans les petits zooplanctons et les grands mammif&#xE8;res. Un mod&#xE8;le th&#xE9;orique pour les contributions relatives de suite le m&#xE9;lange et le m&#xE9;lange est turbulent darwinienne cr&#xE9;&#xE9; et valid&#xE9; par des mesures in situ sur le terrain de m&#xE9;duses de natation en utilisant un tout nouveau dispositif bas&#xE9; sur la plong&#xE9;e sous-v&#xE9;locim&#xE9;trie laser. L&#x26;#39;extrapolation de ces r&#xE9;sultats &#xE0; d&#x26;#39;autres animaux est simple connaissance donn&#xE9;e de la forme animale et de l&#x26;#39;orientation lors de la migration verticale. Sur la base de calculs d&#x26;#39;un large &#xE9;ventail d&#x26;#39;esp&#xE8;ces animales aquatiques, nous concluons que biog&#xE9;nique m&#xE9;lange via le m&#xE9;canisme de Darwin peut &#xEA;tre un facteur important de transport maritime de m&#xE9;lange et d&#x26;#39;&#xE9;l&#xE9;ments nutritifs.

Un m&#xE9;canisme de viscosit&#xE9; accrue pour l&#x26;#39;oc&#xE9;an biog&#xE9;nique de mixage

J&uuml;ngste Beobachtungen von biologisch erzeugten Turbulenzen im Ozean f&uuml;hrten zu widerspr&uuml;chlichen Schlussfolgerungen hinsichtlich der Bedeutung des Beitrags der tierischen Schwimmen zum Ozean mischen. Messungen zeigen erh&ouml;hten turbulente Dissipation--vergleichbar mit Ebenen verursacht durch Wind und Gezeiten--in der N&auml;he von gro&szlig;en Populationen von Plankton Tiere Schwimmen zusammen. Allerdings wurde auch festgestellt, dass erh&ouml;hte turbulente Dissipation selbst nicht gen&uuml;gend Beweis f&uuml;r erhebliche biogenen mischen, ist da viel der turbulenten kinetischen Energie von kleinen Tieren unterhalb der Ozmidov Auftrieb L&auml;ngenskala, injiziert wird, wo es in erster Linie abgef&uuml;hrt wird als W&auml;rme durch die Fl&uuml;ssigkeit Viskosit&auml;t bevor es Ozean mischen beeinflussen k&ouml;nnen. Laufende Debatte &uuml;ber Biogene mischen konzentriert sich auf Vergleiche zwischen tierischen Wake Turbulenzen und Ozean Turbulenz. Hier zeigen wir, dass ein zweiter, bisher vernachl&auml;ssigter Mechanismus der fl&uuml;ssigen Mischung--beschrieb vor &uuml;ber 50 Jahren von Charles Darwin--der dominanten Mischen durch Schwimmen Tiere ist. Die Effizienz der Vermischung von Darwins Mechanismus ist abh&auml;ngig von tierischen Form anstatt Fl&uuml;ssigkeit L&auml;ngenskala und, anders als turbulente Wake zu mischen, wird durch Fl&uuml;ssigkeit Viskosit&auml;t verbessert. Daher bietet es ein Mittel von biogenen mischen, die in kleinen Zooplankton und gro&szlig;e S&auml;ugetiere gleicherma&szlig;en wirksam sein kann. Ein theoretisches Modell ist f&uuml;r die relative Beitr&auml;ge der darwinistischen mischen und turbulente Vermischung wake erstellt und validiert durch in-Situ Messung der Schwimmen-Qualle, die mit einem neu entwickelten Scuba-basierte Laser-Velocimetry-Ger&auml;t. Hochrechnung der Ergebnisse auf andere Tiere ist einfach wissen der tierischen Form und Orientierung beim vertikalen Migration gegeben. Auf der Grundlage der Berechnungen eines breiten Spektrums von aquatischen Tierarten schlie&szlig;en wir, dass Biogene mischen &uuml;ber Darwins-Mechanismus einen bedeutenden Beitrag zum Ozean mischen und N&auml;hrstoff-Transport werden kann.

Ein erh&ouml;hter Viskosit&auml;t Mechanismus f&uuml;r Biogene Ozean mischen.

Recenti osservazioni di turbolenza generato biologicamente nell&#39;oceano hanno portato a conclusioni contrastanti riguardo al significato del contributo di nuoto degli animali all&#39;oceano di miscelazione. Le misurazioni indicano elevata dissipazione turbolento - paragonabile con livelli causati da venti e maree - in prossimit&agrave; di grandi popolazioni di animali planctonici nuotare insieme. Tuttavia, &egrave; anche stato notato che elevata dissipazione turbolento &egrave; di per s&eacute; insufficiente prova di miscelazione biogenica sostanziale, perch&eacute; gran parte dell&#39;energia cinetica turbolenta di piccoli animali &egrave; iniettato sotto la scala di lunghezza al galleggiamento Ozmidov, dove esso &egrave; principalmente dissipata come calore dalla viscosit&agrave; del fluida prima pu&ograve; influenzare la miscelazione di oceano. Dibattito in corso per quanto riguarda la miscelazione biogenica ha focalizzato sul confronto tra la turbolenza di scia animale e turbolenza sull&#39;oceano. Qui, ci mostrano che un secondo meccanismo precedentemente trascurato di miscelazione liquido - in primo luogo descritto oltre 50 anni fa da Charles Darwin - &egrave; il meccanismo dominante di miscelazione da animali di nuoto. L&#39;efficienza di miscelazione da meccanismo di Darwin dipende dalla forma di animale piuttosto che scala di lunghezza fluido e, a differenza di scia turbolenta miscelazione, &egrave; rafforzata dalla viscosit&agrave; fluida. Pertanto, fornisce un mezzo di biogenica miscelazione che pu&ograve; essere altrettanto efficacia in zooplancton piccoli e grandi mammiferi. Un modello teorico per i contributi relativi di darwiniana miscelazione e turbolenta scia di miscelazione &egrave; creato e validato da in situ le misure in campo di Medusa nuoto utilizzando un dispositivo di nuova concezione basata su scuba laser velocimetry. Estrapolazione di questi risultati agli altri animali &egrave; molto semplice dato conoscenza della forma di animale e orientamento durante la migrazione verticale. Sulla base di calcoli di una vasta gamma di specie animali acquatiche, concludiamo che biogenica miscelazione tramite il meccanismo di Darwin pu&ograve; essere un contributo significativo all&#39;oceano di miscelazione e trasporto dei nutrienti.

Un meccanismo migliorato di viscosit&agrave; per oceano biogenica di miscelazione.

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Las observaciones recientes de la turbulencia generada biol&#xF3;gicamente en el oc&#xE9;ano han llevado a conclusiones contradictorias con respecto a la importancia de la contribuci&#xF3;n de la nataci&#xF3;n animal mezcla en el oc&#xE9;ano. Las mediciones indican la disipaci&#xF3;n de elevada turbulencia - comparable con los niveles causados &#x200B;&#x200B;por los vientos y las mareas - en las proximidades de grandes poblaciones de animales planct&#xF3;nicos nadando juntos. Sin embargo, tambi&#xE9;n se ha observado que la disipaci&#xF3;n turbulenta elevada es por s&#xED; mismo insuficiente prueba de sustancial biog&#xE9;nico de mezcla, porque mucha de la energ&#xED;a cin&#xE9;tica turbulenta de los peque&#xF1;os animales se inyecta por debajo de la escala de longitud Ozmidov flotabilidad, donde se principalmente disipada como calor por el fluido viscosidad antes de que pueda afectar marino mezcla. Debate en curso sobre biog&#xE9;nico de mezcla se ha centrado en las comparaciones entre los animales tras la turbulencia y la turbulencia del oc&#xE9;ano. Aqu&#xED;, mostramos que un segundo mecanismo, previamente descuidada de l&#xED;quido de mezcla - descrita por primera vez hace 50 a&#xF1;os por Charles Darwin - es el mecanismo dominante de la mezcla a nado los animales. La eficiencia de la mezcla por el mecanismo de Darwin es dependiente de forma animal en lugar de escala de longitud de fluido y, a diferencia de estela mezcla turbulenta, se ve reforzada por la viscosidad del fluido. Por lo tanto, proporciona un medio de biog&#xE9;nico de mezcla que pueden ser igualmente efectivos en zooplancton peque&#xF1;o y grandes mam&#xED;feros. Un modelo te&#xF3;rico para las contribuciones relativas de ra&#xED;z darwiniana de mezcla y mezcla turbulenta se ha creado y validado por las mediciones de campo in situ de las medusas de nataci&#xF3;n con un nuevo desarrollo de buceo dispositivo basado en la velocimetr&#xED;a l&#xE1;ser. La extrapolaci&#xF3;n de estos resultados a otros animales es el conocimiento directo dado de la forma animal y la orientaci&#xF3;n durante la migraci&#xF3;n vertical. Sobre la base de los c&#xE1;lculos de una amplia gama de especies de animales acu&#xE1;ticos, se concluye que biog&#xE9;nico de mezcla a trav&#xE9;s del mecanismo de Darwin puede ser un importante contribuyente a la mezcla y el transporte mar&#xED;timo de nutrientes.

Kakani Katija

Applied Ocean Physics and Engineering

Woods Hole Oceanographic Institution

Quantitatively Measuring In situ Flows using a Self-Contained Underwater Velocimetry Apparatus (SCUVA)

Kakani Katija

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Woods Hole Oceanographic Institution

Quantitatively Measuring In situ Flows using a Self-Contained Underwater Velocimetry Apparatus (SCUVA)

Applied Ocean Physics and Engineering