توزيع العناصر المحدة حيويا في عمود الماء Vertical Segregation of the Biolimiting Elements

1. توزيع العناصر المحدة حيويا في عمود الماءVertical Segregationof the Biolimiting Elements • مقدمة: • لتكوين المادة العضوية يحتاج الكائن الحي الي عناصر اساسية وهي النيتروجين والفوسفات والسيليكون. • يستعمل النيتروجين والفوسفات في تكوين الانسجة (الجزء المرن) soft parts بينما يدخل السيليكون في تكوين الاجزاء الصلبة shells. • ولهذا تحتاج الهائمات النباتية الي كل من السيليكون والفوسفات والنيتروجين فيقل تركيز هذه العناصر في الطبقة السطحية ومن هنا جاءت التسمية عناصر محدة اوbiolimiting. • تقوم البكتريا بتحرير هذه العناصر مرة أخري الي عمود الماء بالتعامل مع مخلفات الهائمات النباتية في المياه العميقة. وعودة هذه العناصر الي سطح الماء يعتمد علي عوامل فيزيائية وحيويه وهذا ماسيتم مناقشته في هذا الفصل.

2. فقر مياه السطح وغني المياه العميقة: • SURFACE-WATER DEPLETIONS, BOTTOM-WATER ENRICHMENTS: • الشكل التالي يوضح توزيع بعض العناصر المحدة او المغذية في شمال الاطلنطي • ويلاحظ ان صور النيتروجين والفوسفور موجودة في ايونات النيترات والفوسفات وهي الصور المستخدمة حيويا وموجودة بتراكيز عالية في المياه الغنية بالأكسجين. • تراكيز العناصر المغذية في المياه السطحية منخفضة جدا بالمقارنة الي تركيزها في المياه العميقة.

3. عند عمق معين يوجد أعلي تركيز للعناصر المغذية ويعرف بأسمthermocline • توزيع العناصر المغذية (المحدة) في عمود الماء يعطي انطباع عن منشأ ومنتهي الجسيمات الحية (الهائمات النباتية) في المحيط. • في المنطقة المضيئة euphotic zoneتقوم الهائمات النباتية بأستخلاص معظم العناصر المحدة حيويا من الماء لتدخل في تركيب الأنسجة ( P,N) او في تركيب الجدار الخارجي ( Si). • بعض الهائمات النباتية تستخدم كربونات الكالسيوم في بناء الجدار الخارجي وهذا لا يؤثر في تركيز كلا العنصرين (Ca, C) اذ انهما متواجدان بتراكيز عالية في ماء البحر. • الاجزاء المرنة والاجزاء الصلبة في الكائن الحي تتحلل بواسطة البكتريا و تعود الي الماء remineralization في صورة غير عضوية ذائبة . • اذا حدثت عملية ال remineralization في السطح تعود العناصر المحدة بسرعة لتدخل في تكوين الهائمات النباتية مرة اخري.

4. ولكن كثير من الاجزاء الميتة تتساقط الي منطقة thermocline او الي المياه العميقة deep zoneلتحدث لها عملية الremineralization ولان الهائمات النباتية لا تتواجد الا في المنطقة المضيئة فتبقي العناصر المغذية في المياه العميقة دون استخدام ويزداد تركيزها. • تبقي العناصر المحدة في المياه العميقة نتيجة الكثافة العالية لهذه المياه فيما عدا ما يحدث من تيارات صاعدة upwelling والتي بسببها تنتقل العناصر المحدة من القاع الي السطح في ظاهرة تعرف بأسم المضخة الحيوية biological pump. • دراسة عمود الماء INTERPRETING DEPTH PROFILES: • دراسة تركيز العناصر ودرجة الحرارة في عمود الماء يعطي فكرة عن طبيعة ومعدل العمليات البيوجيوكيميائة. • ولذلك كان من الضروري اخذ عينات من عمود الماء يهتم فيها علماء علوم البحار بدراسة مبدئية عن درجة الحرارة والملوحة والكثافة بقياسات تحدث في الموقع ثم يتم جمع العينات من عمود الماء.

5. والشكل المقابل يمثل توزيع الاكسجين الذائب والكربون الغير عضوي في عمود الماء. • ويراعي في جمع العينات تمثيل جميع كتل الماء المختلفة اعتمادا علي كثافة الماء وتتقارب العينات في المناطق التي يحدث فيها تغيرات سريعة في التركيز بينما تتباعد في الكتل التي تقل فيها التغيرات مثل المياه العميقة. • يوضع عدد من الزجاجات لجمع العينات لتمثيل عمود الماء وتسمي هذه العملية hydrocast • في البداية يركز الباحثون علي قياسات الملوحة ودرجة الحرارة وكثافة الماء للتعرف علي كتل الماء المختلفة ومن ثم يتم تحديد العينات وأبعادها في عمود الماء وتحدث هذه العملية من خلال مجسات جهاز ال CTD التي تقوم بعملية قياس مستمر .

6. عادة ما يتم تقسيم عمود الماء الي ثلاثة اقسام : • 1- طبقة المياه المختلطة Mixed layerوهي من سطح البحر الي عمق يعتمد علي نفاذية الضوء في المنطقة وهي عادة من 50 الي 100 متر. • 2- طبقة المياه المسماه بالثرموكلين Thermocline وتمتد اسفل الطبقة المختلطة الي حوالي 1000 متر. • 3- طبقة المياه العميقة deep waterوهي من اسفل طبقة الثرموكلين حتي قاع المحيط. • ويلاحظ ان بداية كل طبقة من الماء تكون مختلطة بالطبقة التي تسبقها ونهاية كل طبقة تكون مختلطة بالطبقة التي تليها.

7. ويلاحظ من توزيع الاكسجين انه يمثل صورة مرأه عكسية لتوزيع العناصر المغذية والكربون الغير عضوي الكلي. • ادني تركيز للاكسجين OMZ يقع اعلي قليلا من نهاية منطقة الثرموكلين. • يظهر بوضوح تأثير عملية البناء الضوئي في الطبقة السطحية حيث يقل تركيز الكربون الغير عضوي الكلي والعناصر المغذية المحدة في مقابل زيادة تركيز الاكسجين. • زيادة الاكسجين الي مرحلة فوق المشبع supersaturation في الطبقة السطحية تعود الي ان انتاج الاكسجين من عملية البناء الضوئي بواسطة الهائمات النباتية يفوق بكثير استهلاك الغاز من عملية التنفس الهوائي وخروج الغاز من السطح degassing across the air-sea interface. • اما في الطبقة المختلطة فيحدث العكس : يقل انتاج الاكسجين لمحدودية نفاذ الضوء الي اعماق اكثر من 50 متر وتكون هذه الطبقة بعيده نسبيا عن الطبقة السطحية لنقل الاكسجين وفي المقابل يستهلك الاكسجين من عملية التنفس الهوائي فتتكون طبقة غير مشبعة من الاكسجين undersaturated.

8. تتواجد العناصر المغذية المحدة والكربون الغير عضوي الكلي بتراكيز صغيرة جدا في الطبقة السطحية والذي يعكس استهلاك الهائمات النباتية لهذه العناصر. • أعادة انتاج العناصر المغذية المحدة من خلال عملية التنفس الهوائي في الطبقة السطحية المضيئة غير محسوسة اذ يعاد استهلاكها تماما من الهائمات النباتية لتبقي هذه الطبقة فقيرة من العناصر المغذية المحدة. • تحت الطبقة المضيئة تتوقف عملية البناء الضوئي بينما تستمر عملية التنفس الهوائي فيزداد تركيز العناصر المغذية المحدة. • تبدأ العناصر المغذية المحدة في التجمع والازدياد من خلال عملية ال remineralization للمواد العضوية العالقة POM تحت عمق 100 متر. • يستمر الاكسجين في التناقص حتي عمق 500 متر ليصل الي ادني تركيز وفي المقابل يزداد تركيز الفوسفات والنيترات تدريجيا الي ان يصل الي اعلي تركيز عند عمق 800 متر بينما اعلي تركيز للسيليكات والكربون الغير عضوي الكلي يصل عند عمق 1100 متر.

9. يرجع السبب في ذلك لتساقط الاجزاء الصلبة والمرنة والتي يعاد خروج العناصر المغذية منها remineralized بينما في المقابل تكون المياه في هذه الكتلة فقيرة بالأكسجين. • بعد هذا العمق يبدأ الاكسجين في الزيادة الي ان يصل الي عمق 2000 متر بينما العناصر المغذية المحدة تتناقص تتدريجا الي ان تصل الي قيمة ثابتة عند بداية طبقة المياه العميقة. • وذلك يرجع لقلة الأجزاء الساقطة في هذه الطبقة والمياه تكون غنية بالأكسجين (كتل مائية ساقطة من السطح محملة بالأكسجين) فقيرة من العناصر المغذية المحدة والكربون الغير العضوي الكلي. • بمجرد سقوط الكتل المائية من السطح تحدث عملية اعادة انطلاق العناصر المغذية المحدة remineralization وتجمعها في هذه الطبقة وكلما زاد الوقت منذ تركها للسطح يزداد تركيز هذه العناصر. • وبالتالي يمكن التعرف علي حداثة او قدم الطبقة المائية من خلال التعرف علي تركيز العناصر المغذية المحدة.

10. ويلاحظ ان كل من السيليكات والكربون الغير عضوي الكلي يصلا الي أعلي تركيز عند اعماق اكبر من النترات والفوسفات. • والسبب في ذلك يرجع الي ان اختلاف الية اعادة الذوبان او ال remenerlization فالفوسفات والنترات يعاد انتاجها من الاجزاء المرنة soft patrs بينما السيلكات يعاد انتاجة من الاجزاء الصلبة hard parts اما الكربون الغير عضوي الكلي فيتواجد في كل من الاجزاء الصلبة والمرنة علي السواء وبالتأكيد فعملية اعادة الانتاج في الاجزاء الصلبة اصعب من الاجزاء المرنة وبالتالي تحدث عند اعماق اكبر. • نموذج صندوق بروكر BROECKER BOX MODEL: • أصبح من الواضح ان توزيع العناصر المحدة في عمود الماء يعتمد كليا علي عملية اعادة هذه العناصر مرة اخري الي الماءremineralization من POM من الجسيمات الحيوية المتساقطة في المياه العميقة. ولكن ليس كل هذه الجسيمات تحدث له عملية remineralization فبعضها يدفن في التربة.

11. وهنا تثار العديد من التساؤلات: • 1- ماهي كمية الجسيمات الحيوية التي تسقط من المياه السطحية الي القاع. • 2- ماهو معدل حدوث عملية الremineralization في المياه العميقة. • 3- ماهي كمية الفاقد من المحيط بسبب عملية دفن هذه الجسيمات. • 4- ماهو تأثير العمليات السابقة علي تركيز العناصر المحدة حيويا. • الاجابة علي هذه التساؤلات في غاية الاهمية اذ انها تعطي حدود انتاجية المحيط وعلي الجانب الاخر فتركيز ثاني اكسيد الكربون والميثان في المحيط تؤثر علي المناخ أما الجزء الذي يدفن في القاع من الجسيمات الحيوية فيتحول الي مخزن للبترول علي مدار ملايين السنين. • العالم بركر وضع نموذج رياضي لحساب تقديري لمعدل اعادة التدوير recycling efficienciesللعناصر المحدة بيولوجيا في المياه السطحية والمياه العميقة ومياه الانهار التي تدخل المحيط. • تم تقسيم عمود الماء الي خزانين reservoirs احدهما للمياه السطحية الدافئة اعلي منطقة الثرموكلين والاخر للمياه الباردة العميقة اسفل منطقة الثرموكلين.

12. يتم التواصل بين هذين الخزانين فقط من خلال التيرات الصاعدة upwelling والتيرات الهابطة downwelling بمساعده دوران التيار الجنوبي. • وجود منطقة الثرموكلين يقلل من عملية تدوير المياه رأسيا ولذلك تحدث التيرات الهابطة مبدأيا في المناطق القطبيه حيث تنعدم طبقة الثرموكلين.

13. أفتراضات نموذج بركر: • 1- كميه المياه في المحيط ثابته مع الوقت (بمعني معدل خروج الماء بفعل البخر والمياه البينية يساوي معدل دخول الماء بفعل الامطار ومياه الانهار). • 2- حجم خزان المياه السطحية وخزان المياه العميقة لا يتغير مع الوقت (بمعني ان معدل التيرات الصاعدة يساوي معدل التيرات الهابطة). • 3- حجم المنطقة السطحية من خزان المياه السطحية مساوي لحجم المنطقة السطحية من خزان المياه العميقة. • تم تقدير معدل التبادل بين الخزانين سنويا (mix) بقيمة 030 سم /عام (اذا كان عمق المحيط 3000 متر فالمحيط يحتاج الي 1000 عام لتبادل المياه الكامل بين الخزانين). • 4- تدخل العناصر المحدة بيولوجيا الي المحيط فقط من خلال الانهار وتسرب المياه الجوفية وتم اهمال طرق مدخلات عديدة مثل الغلاف الجوي والاغوار البحرية لقلة العناصر المحدة بيولوجيا من هذه المدخلات بالمقارنة مع الانهار والمياه الجوفية.

14. 5- مخرجات العناصر المحدة بيولوجيا تكون فقط من خلال دفن الجسيمات الحيوية في قاع البحر دون حدوث عملية اعادة تدوير unremineralized سواء كانت هذه الجسيمات من اصل صلب hardاو مرن soft parts. • 6- يتساوي معدل دخول العناصر المحدة بيولوجيا الي خزان المنطقة السطحية من (الانهار والتيرات الصاعدة) مع معدل خروج العناصر من الخزان (التيرات الهابطة وهبوط الجسيمات الحيوية). • Upwelling flux + River runoff flux = Downwelling flux + Particle flux • ويمكن حساب المعدلات الثلاث الاولي من تركيز العناصر المحدة في كل منها. • لتصبح المعادلة: • river Criver + mix Cdeep = mix Csurface + P • وقد تم حساب معدل الدخول من الانهار بمقدار 10 سم/عام. • ويمكن تقدير معدل التدوير recycling efficiency للعناصر المحدة في المياه السطحية من الجزء الذي يخرج من الخزان العلوي من هذه العناصر في صورة جسيمات حيوية g.

15. من المعادلة: • وبالمعالجات الرياضية ومعرفة ان 300 = mix و =river10 تتحول المعادلة الي الشكل التالي : • ومن هذه المعادلة يمكن حساب معدل التدوير للعناصر المحدة في المياه السطحية بمعرفة تركيزها في كل من المياه السطحية والمياه العميقة والانهار.

16. واذا علمنا ان قيم تركيز الفوسفات تكون: • Cdeep/Criver = 3.0 and Csurface/Criver = 0.15, so g = 0.95 • وهذا يعني ان 95% من الفوسفات الذي يدخل الي خزان المياه السطحية يخرج الي خزان المياه العميقة في صورة جسيمات حيوية Pهذا اذا كان الوقت كافي لعملية التبادل بين الخزانين. • يقدر العلماء ان الذرة التي تدخل الي المياه السطحية يعاد تدورها 10 مرات قبل ان تسقط الي خزان المياه العميقة. • ويمكن حساب معدل دخول العناصر المحدة الي الرواسب في القاع fمن المعادلة: • وبالمعالجات الرياضية تتحول المعادلة الي :

17. وفي حالة الفوسفات امكن حساب قيمة f وكانت تساوي 0.01 • وهذا يعني ان 1% فقط من الجسيمات الحيوية الساقطة في المياه العميقة يتم دفنة بينما 99% من هذه الجسيمات يعاد تدويرة remineralized في المياه العميقة. • أمكن الاستفادة من نموذج بروكرفيما يلي: • امكن تقدير ان ذرة الفوسفات التي تدخل الي المحيط تحتاج الي 100000 عام لتخرج منه مرة اخري اي انها تدخل 100 دورة بين المياه السطحية والمياه العميقة قبل ان تدفن في الرواسب. • حجم مياه السطح يقدر 1/10 من المياه العميقة.وحيث ان معدل التيارات الصاعدة مساوي للتيارات الهابطة فمياه السطح وبالتالي العناصر المحدة بها تبقي 100 عام في المياه السطحية. • تقدر المدة التي تبقي فيها ذرة الفوسفات مدفونة في الرواسب بين 10000 الي 100000 عام .بينما دورة الصخور تكون اطول بكثر وتقدر ب 108 2Xعام.

18. تنقسم العناصر حسب فاعلية الدوران recycling efficiencies الي ثلاثة اقسام: • 1- عناصر محدة حيويا biolimiting: • وهي العناصر العناصر التي لها قيمة g1 اي ان العناصر تخرج كليا من الطبقة السطحية وقيمة f1 اي ان الجسيمات الحيوية الساقطة الي الطبقة العميقة يحدث لها عملية completely remineralized بالكامل.وهذه العناصر هي الفوسفور والنيتروجين والسيليكون.وهذه العناصر اساسية في تكوين الكائن الحي. • 2- عناصر متوسطة حيويا biointermediate : • مثل الباريوم والكالسيوم وتتميز بأن قيم g و f متوسطة ولها زمن اقامة اطول من العناصر المحدة ويخرج الباريوم من الطبقة السطحية في صورة BaSO4 بينما يخرج الكالسيوم من المياه السطحية في صورة CaCO3 مكونا الاجزاء الصلبة للكائنات الحية. وعندما يسقط في المياه العميقة يذوب مرة اخري.

19. 3- عناصر غير محدة حيويا biounlimited : • مثال ذلك الصويوم والكبريت حيث تكون قيمة 1g وقيمة1 fحيث تتواجد هذه العناصر بتراكيز عالية ولاتتغير مع العمق وتدخل في تركيب الكائنات الحية ولكن بصورة لا تؤثر في تركيزها وتتميز بزمن اقامة طويل.