Понимание цикла ENSO и его океанографического следа

Калифорнийская текущая система, одна из четырех основных восточных пограничных экосистем, глубоко сформирована Эль-Ниньо-южным колебанием (ENSO). Это связанное явление океан-атмосфера колеблется между теплыми (El Nino) и прохладными (La Nina) фазами, каждая из которых накладывает отличительные физические и биологические сигнатуры на прибрежные воды. В то время как ENSO происходит в экваториальной части Тихого океана, его влияние распространяется в сторону полюса через атмосферные телесвязи и океанические волны Кельвина, что делает калифорнийское побережье зоной наблюдения для обнаружения ответных реакций экосистемы. Понимание этой динамики имеет важное значение для управления рыболовством, планирования сохранения и прогнозирования того, как морские сообщества будут адаптироваться к изменяющемуся климату.

Механизмы Эль-Ниньо вдоль побережья Калифорнии

Во время Эль-Ниньо аномально теплые температуры поверхности моря (SSTs) развиваются через центральную и восточную тропическую часть Тихого океана. Это тепло передается на север вдоль североамериканского побережья через прибрежные захваченные волны, которые угнетают термоклину и подавляют нормальный наклон вверх изотерм вблизи берега. Результатом является углубление смешанного слоя, уменьшенный наклон термоклина и значительное ослабление прибрежного подъема. Для Калифорнийского течения это приводит к более теплым поверхностным водам, измененным текущим моделям и уменьшенному снабжению питательными веществами эйфотической зоны.

Не менее важна атмосферная составляющая. Эль-Ниньо смещает положение Алеутского нижнего и Северо-Тихоокеанского высокого, изменяя ветровые напряжения вдоль побережья. В типичные Эль-Ниньо зимы побережье Калифорнии испытывает более высокую частоту штормов и более сильные благоприятные для отлива ветры, далее противостоящие нормальной динамике подъема. Эти физические возмущения каскадируются через экосистему, влияя на производительность от основания пищевой сети до верхних хищников.

Ограничение питательных веществ и ответ фитопланктона

Подавление апвеллинга во время событий Эль-Ниньо уменьшает приток нитрата, фосфата и силиката в поверхностные воды. Фитопланктонные сообщества реагируют с более низкой биомассой и сдвигами в видовом составе. Диатомы, которые требуют высоких концентраций питательных веществ и обычно доминируют в периоды продуктивного апвеллинга, часто заменяются меньшими пикопланктоном и динофлагеллятами, адаптированными к теплым, стратифицированным условиям. Этот сдвиг имеет последствия для экспорта углерода и передачи энергии на более высокие трофические уровни, поскольку небольшие фитопланктон менее эффективно выпасаются копеподами и другими мезозопланктонами, которые образуют базу добычи для личиночных рыб и кормовых видов.

Вторжения теплой воды и вторжения видов

События Эль-Ниньо облегчают перенос на полюс тепловодных видов. Во время сильных событий, таких как 1997-1998 и 2015-2016, тропические и субтропические организмы были зарегистрированы далеко к северу от их типичных ареалов. К ним относятся виды гремучих копеподов, личиночные рыбы тропического сродства и даже крупные хищники, такие как желто-финовый тунец и махи-махи, появляющиеся у побережья Калифорнии. Хотя такие вторжения являются временными, они могут нарушить местные пищевые сети и ввести конкуренцию или давление хищников, с которыми местные виды не приспособлены для обработки.

Динамика Ла-Нинья и усиление апвеллинга

Ла-Нина представляет собой холодную фазу ENSO, характеризующуюся более прохладными, чем в среднем, температурами поверхности моря в экваториальной части Тихого океана. Атмосферная реакция обычно усиливает торговые ветры и усиливает градиент давления между Северо-Тихоокеанским Высоким и континентальным внутренним пространством. Вдоль побережья Калифорнии это приводит к более сильным, более стойким северо-западным ветрам, которые приводят к усиленному подъему побережья. Термоклинные отмели, холодная богатая питательными веществами вода приближается к поверхности, и первичная производительность резко возрастает.

Хотя события Ла-Нинья часто связаны с более прохладными температурами, их воздействие не одинаково полезно для всех видов или регионов. Интенсификация апвеллинга может привести к более холодным, чем обычно, температурам поверхности, которые могут превышать термическую терпимость некоторых тепло адаптированных организмов. В некоторых случаях сильное апвеллирование также приводит к увеличению энергии волн и береговой эрозии, затрагивая приливные сообщества и структуру лесов водорослей.

Начало роста биологической продуктивности

В течение лет Ла-Нинья увеличенное предложение питательных веществ стимулирует цветение фитопланктона, которое может покрыть обширные области континентального шельфа. Эти цветы обеспечивают обильную пищу для зоопланктона, особенно копеподы рода Calanus, которые являются критическим источником пищи для молодняка лосося, скальной рыбы и кормовой рыбы, такой как анчоус и сардина. Улучшенное вторичное производство поддерживает более высокие темпы роста и выживаемость личиночной рыбы, способствуя более сильным годам набора для коммерчески важных запасов.

Например, сильная Ла-Нинья, которая последовала за Эль-Ниньо 1997-1998 годов, была связана с заметным восстановлением нескольких рыбных запасов и улучшением успеха размножения морских птиц, таких как оружейник Кассина и общий шум. Взаимодействие между фазами ENSO, таким образом, создает основу для циклов бума и спада в морской продуктивности вдоль побережья Калифорнии.

Влияние на ключевые морские виды и трофические уровни

Кормовая рыба и пелагическое рыболовство

Северные анчоусы, тихоокеанские сардины и рыночные кальмары очень чувствительны к изменчивости окружающей среды, управляемой ENSO. Анчоусы обычно процветают в прохладных, продуктивных условиях, характерных для Ла-Нинья, в то время как популяции сардины имеют тенденцию расширяться в более теплые, менее продуктивные периоды. Эти противоположные стратегии истории жизни отражают фундаментальные различия в предпочтениях среды обитания нереста и экологии кормления. Попеременное доминирование этих видов наблюдалось в течение вековых временных масштабов, с регистрами рыболовства и осаждением в масштабе осадка, обеспечивающим доказательства сдвигов режима, связанных с изменчивостью климата.

Во время событий Эль-Ниньо распределение кормовой рыбы часто сокращается или сдвигается в сторону полюса, концентрируя запасы в более прохладной рефугии. Это перераспределение влияет на доступность добычи для морских птиц, морских млекопитающих и более крупных хищных рыб и может осложнить усилия по управлению, поскольку опросы могут недооценивать численность популяции, когда рыба перемещается за пределы типичных границ обзора. И наоборот, условия Ла-Нинья часто поддерживают широко распространенный успех нереста и более высокую биомассу кормовой рыбы, принося пользу всей пелагической пищевой сети.

Рок-рыбы и сообщества наземных рыб

Виды Рокфиш (]Себасты Spp.) — долгоживущие, медленно размножающиеся рыбы, которые доминируют на континентальном шельфе Калифорнии и склонах обитания. На их набор сильно влияют условия океана во время личинок и молоди. Теплые условия Эль-Ниньо связаны с плохим набором скальпиков, вероятно, из-за снижения транспортировки личинок в подходящие места обитания питомников, более низкой доступности добычи и более высоких метаболических затрат при повышенных температурах. Напротив, годы Ла-Нинья часто производят сильные годовые классы для нескольких видов скальных рыб, особенно тех, которые нерестятся в конце зимы и ранней весной, когда подъем наиболее интенсивный.

Однако, отношения не всегда просты. Виды, которые занимают различные слои глубины или имеют различные ранние истории жизни, могут по-разному реагировать на один и тот же набор океанографических условий. Исследования Юго-западного научно-исследовательского центра рыболовства NOAA задокументировали ответы на набор видов, которые подчеркивают важность поддержания экосистемных подходов к управлению, а не одновидовых рамок.

Морские птицы и репродуктивный успех

Морские птицы являются одними из наиболее заметных показателей воздействия ENSO. Виды, которые размножаются вдоль побережья Калифорнии, включая бакланы Брандта, западных чаек и пепельные буревестники, зависят от местной обильной добычи в течение сезона размножения. События Эль-Ниньо часто приводят к снижению доступности добычи, что приводит к снижению успеха набега, увеличению заброшенности гнезд и в крайних случаях к полному провалу размножения. Эль-Ниньо 2015–2016 годов был связан с широко распространенными событиями смертности морских птиц, с истощенными животными, вымывающимися на берег вдоль всего побережья.

Годы Ла-Нинья обычно обеспечивают более благоприятные условия для кормления, с более высокой плотностью добычи, поддерживающей более высокие темпы роста птенцов и более высокий успех на стадии выращивания. Однако преимущества не являются универсальными: некоторые виды морских птиц, которые чувствительны к температуре холодной воды или которые зависят от конкретных типов добычи, могут испытывать негативные последствия даже во время продуктивных периодов Ла-Нинья. Долгосрочный мониторинг такими организациями, как Наука о сохранении точечных голубых птиц , задокументировал десятилетия данных о разведении морских птиц, которые показывают сильный отпечаток ENSO на динамику популяции.

Морские млекопитающие: от морских львов до синих китов

Калифорнийские морские львы, пожалуй, самые харизматичные сторожевые щенки ENSO. Щенки, родившиеся в годы Эль-Ниньо, часто страдают от снижения темпов роста и более высокой смертности из-за снижения их основной добычи — рыночных кальмаров, анчоусов и скальных рыб. Взрослые самки должны путешествовать дальше, чтобы найти пищу, что приводит к более длительным кормовым поездкам и уменьшению доставки молока щенкам. Во время тяжелых событий Эль-Ниньо, застрявшие, недоедающие щенки морских львов встречаются в необычно большом количестве вдоль побережья, вызывая спасательные реакции из морских центров млекопитающих.

Балинские киты, в том числе синие и горбатые, также реагируют на изменения в распределении добычи, вызванные ENSO.Крилл и кормовая рыба, которые поддерживают этих крупных китов, более сконцентрированы в периоды Ла-Нинья, часто приближая китов к берегу и увеличивая риск ударов кораблей и запутывания рыболовными снастями.В течение лет Эль-Ниньо киты могут перемещать свое распределение в море или на север в поисках пищи, изменяя модели туризма наблюдения за китами и бросая вызов усилиям по мониторингу сохранения.

Экосистемы Келп-Форест и Рокки-Риф

Леса кельп вдоль побережья Калифорнии являются одними из самых продуктивных и биоразнообразных мест обитания в мире, и они очень чувствительны к колебаниям температуры океана и доступности питательных веществ. Во время событий Эль-Ниньо теплые, бедные питательными веществами воды могут вызвать стрессовую отмирание гигантской ламинарии (] Макрокостис пирифера ) и бычьей ламинарии (] Нереоцистис луэткеана . Потеря навеса ламинарии снижает сложность среды обитания, изменяет проникновение света и подрывает все сообщество рифов, которое зависит от структуры водорослей для укрытия и пищи.

В 2015-2016 годах Эль-Ниньо в сочетании с чрезвычайной морской жарой вызвал массовое вымирание лесов водорослей вдоль северного побережья Калифорнии. За этим событием последовал взрыв популяций фиолетового морского ежа, которые перевыпасали оставшуюся ежевику и предотвращали восстановление, что привело к широко распространенным «болотам ежа», которые сохраняются по сей день. Ла-Ниньские годы, напротив, обычно приносят более низкие температуры и более высокие концентрации питательных веществ, которые способствуют росту водорослей и репродуктивной продукции, поддерживая более быстрое восстановление от событий возмущения. Однако наследие экстремальных событий Эль-Ниньо может сохраняться в течение многих лет, особенно когда давление выпаса ежа остается высоким.

Рокки межприливные сообщества

Скалистая межприливная зона — суровая среда, где организмы уже живут на краях своей термической и высушивающей терпимости.События Эль-Ниньо накладывают дополнительный стресс за счёт более теплой температуры воздуха и воды, снижения доступности пищи для фильтровальных кормов и увеличения энергии волн от зимних штормов.Такие виды, как мидии, ракушки и морские звезды, могут испытывать снижение в изобилии и репродуктивной продукции в течение длительных теплых периодов.

Условия Ла-Нинья, хотя в целом более прохладные и продуктивные, также могут быть сложными из-за повышенного воздействия волн и более низких температур, которые могут превышать пределы толерантности некоторых видов. Взаимодействие между фазами ENSO и временем событий набора (поселение личинок) определяет состав сообщества в приливной зоне. Долгосрочные исследования на таких объектах, как морская станция Хопкинса в Монтерей-Бей, показали, что структура сообщества может резко смещаться между фазами ENSO, причем некоторые виды заменяются тепловодными или холодноводными аналогами в течение одного события.

Взаимодействие между ENSO и долгосрочным изменением климата

На фоне глобального потепления изменяется частота, интенсивность и выражение событий Эль-Ниньо и Ла-Ниньа. Климатические модели прогнозируют, что разница температур между Эль-Ниньо и Ла-Ниньо может увеличиться, что приведет к более экстремальным колебаниям ENSO. Для морских экосистем Калифорнии это подразумевает большую изменчивость в силе апвеллинга, запасе питательных веществ и видовом составе. Сочетание светского потепления и изменчивости ENSO создает условия, которые могут вытолкнуть экосистемы за критические пороги, как видно из обвала лесов водорослей 2015-2016 годов.

Подкисление океана, обусловленное повышением концентрации CO2 в атмосфере, еще больше усугубляет стресс для морских организмов на обеих фазах ENSO.В течение Эль-Ниньо более глубокая, более кислая вода может подниматься ближе к поверхности, подвергая организмы коррозионным условиям, которые ухудшают образование оболочки и физиологическую функцию.Ля Нина годы, с более сильным подъемом, могут аналогичным образом принести подкисленную воду на шельф.Синергетические эффекты потепления, подкисления и изменчивости питательных веществ являются центральной проблемой для управления морскими ресурсами Калифорнии в ближайшие десятилетия.

Мониторинг и прогнозирование потенциала

Понимание и прогнозирование воздействия ENSO требует устойчивого океанографического и биологического мониторинга. Программа Калифорнийского кооперативного океанического рыболовства (CalCOFI), основанная в 1949 году, предоставляет один из самых длинных непрерывных временных рядов океанографических и планктонных данных в мире. Ежеквартальные круизы CalCOFI вдоль калифорнийского побережья отслеживают температуру, соленость, питательные вещества, хлорофилл и изобилие зоопланктона, позволяя ученым количественно оценить реакцию экосистемы на события ENSO и проверить модели, используемые для управления рыболовством.

Спутниковое дистанционное зондирование дополняет наблюдения in situ, предоставляя синоптические представления о температуре поверхности моря, концентрации хлорофилла и цвете океана. Национальные центры экологической информации (NOAA) поддерживают архивы спутниковых данных, которые используются для обнаружения наступления и эволюции Эль-Ниньо и Ла-Нинья. Эти потоки данных поступают в прогностические модели, которые прогнозируют условия ENSO за месяцы до года, давая менеджерам по рыболовству и специалистам по сохранению время для подготовки к ожидаемым воздействиям.

Последствия управления и сохранения

Выраженное воздействие ENSO на морские экосистемы Калифорнии имеет прямое значение для управления рыболовством, охраны видов и морского пространственного планирования. Калифорнийский департамент рыболовства и дикой природы и Совет по управлению рыболовством Тихого океана включили экологические показатели, включая прогнозы ENSO, в решения о сборе лосося, сардины и моллюсков. Например, ограничения на вылов тихоокеанского сардина корректируются на основе температурных условий, которые влияют на производительность и распределение, отражая признание того, что динамика экосистемы должна быть учтена в расчетах устойчивой урожайности.

Морские охраняемые районы (МОР) вдоль побережья Калифорнии, созданные в соответствии с Законом о защите морской жизни, предназначены для устойчивости к изменчивости окружающей среды, но их эффективность во время экстремальных событий ENSO не полностью понята. Некоторые МОР могут служить убежищами во время Эль-Ниньо, защищая критическую среду обитания и поддерживая популяции источников для разгона личинок. Однако, если виды перемещают свои распределения за пределы МОР во время теплых событий, защитные преимущества могут быть скомпрометированы. Для решения этой проблемы разрабатываются адаптивные стратегии управления, которые учитывают сдвиги диапазона, управляемые ENSO.

Усилия по сохранению исчезающих видов, таких как южная морская выдра и кожаная морская черепаха, также должны учитывать воздействие ENSO. Морские выдры полагаются на обильную добычу беспозвоночных, включая морских ежей, и на их динамику популяции влияет наличие среды обитания водорослей, которая уязвима для гибнущей среды обитания, управляемой Эль-Ниньо. Кожаные морские черепахи, которые кормятся медузами у побережья Калифорнии, чувствительны к изменениям температуры океана и могут изменять свои миграционные маршруты в ответ на условия ENSO.

Заключение

Эль-Ниньо и Ла-Нина представляют собой естественные эксперименты, которые показывают тесную связь между физической океанографией и структурой морской экосистемы вдоль побережья Калифорнии. События Эль-Ниньо подавляют апвеллинг, уменьшают запас питательных веществ и создают теплые, стратифицированные условия, которые благоприятствуют различным видам и трофическим путям, чем прохладные, продуктивные условия Ла-Ниньи. Последствия каскада от фитопланктона до высших хищников, влияя на урожайность рыб, успех размножения морских птиц и здоровье знаковых мест обитания, таких как леса водорослей и скалистые рифы.

Хотя циклы ENSO являются естественными, их воздействие разворачивается в более широком контексте изменения климата, что усиливает изменчивость и увеличивает риск коллапса экосистемы во время экстремальных событий. Устойчивые инвестиции в мониторинг, исследования и адаптивное управление необходимы для сохранения экологической целостности и экономической ценности прибрежных морских экосистем Калифорнии в эпоху растущей экологической неопределенности. Понимая отпечатки пальцев Эль-Ниньо и Ла-Нинья, ученые и менеджеры могут лучше предвидеть и реагировать на проблемы, которые лежат впереди.