ABSTRACT: Ett fridrivande holografisystem, "Holosub", utplacerades i East Sound, Washington som en del av en fältstudie. Analys av mer än 20 000 hologram som registrerats under 2 långsamma profileringsascenter (som undvek störningar i de uppmätta parametrarna) gav partiklarnas storlek och rumsliga fördelning, diatomkedjornas orientering och den genomsnittliga skjuvningsbelastningen och avledningshastighetsprofilerna för turbulens. Denna information kompletterades med samtidigt uppmätta parametrar inklusive densitet, klorofyll en koncentration och optisk spridning, och diskret vattenprovtagning för artkarakterisering. Viktiga fynd var: (1) ett framträdande tunt lager av mestadels icke-motila små partiklar, många av dem klorofyll en rik, bildas i en region med nära noll skjuvning och låg upplösningshastighet, och hög stratifiering; (2) multipla partikelkoncentration toppar bildas på flera djup med låg skjuvning och upplösningshastigheter; (3) Chaetoceros socialis kolonier hade flera volymfraktion toppar nära pycnocline, med den största myntbildning med det tunna lagret och några mindre toppar myntar med små partikeltoppar; (4) zooplankton undvek många regioner med förhöjda C. socialis och / eller partikelkoncentrationer; (5) diatomkedjor hade nästan horisontell anpassning (noll vinkel) i det tunna lagret, med låga vinklar också observerats i andra låg skjuvning/dissipation regioner, och slumpmässiga orienteringar i flera lokala skjuvning/dissipation maxima regioner; och (6) jämförelser mellan partikelantal från ombord cellcytometri, mikroskopisk digital holografi, och ljusmikroskopiering av diskreta prover visade likheter i trender men också avvikelser. Utöver dessa specifika fynd visar denna studie den stora potentialen hos digital holografi för in situ-studier av biofysiska interaktioner och partikeldynamik i oceaniska flöden. NYCKELORD: Holografi · Submersible · Shear · Dissipation · Biofysiska interaktioner Mar Ecol Prog Ser 473: 2013 marin plankton, som kallas "tunna lager" (Derenbach et al. 1979), ofta i regioner med fysiska diskontinuiteter såsom pycnoclines (McManus et al. 2005).................................................................. Studier, t.ex. De av Dekshenieks m.fl. (2001), Sullivan et al......................................................................................................................... (2010b) och Durham & Stocker (2012), har visat att dessa tunna lager har vertikala djup som vanligtvis varierar från några centimeter till några meter, medan deras horisontella omfattning kan vara i kilometer och deras temporal omfattning kan variera från en timme till flera veckor. Heterogener i fördelningen av plankton i vattenpelaren, särskilt tunna lager, kan ha en betydande inverkan på ekosystemekologi genom att kontrollera mönster av primär produktivitet, trofisk överföring, fisklarver överlevnad, etc. Det finns många studier som fokuserar på att förstå bildandet av heterogeniteter i vattenpelaren, och mekanismer som ansvarar för deras stabilitet / instabilitet. Ett gemensamt tillvägagångssätt är att postulera bildandet av tunna lager i regioner där "konvergent" krafter som tunna ett fytoplankton skikt överstiger de "divergent" krafter som breddar lagret (Osborn 1998, Stacey et al. 2007................................................................. Konvergenta krafter som bidrar till bildning och underhållsmekanismer inkluderar tippning genom skjuvning (Birch et al. 2008), flytkraftsdriven sedimentering av partiklar längs en pycnocline (Franks, 1992) och aktiv simning av fytoplankton (Durham et al. 2009, Sullivan m.fl. Europaparlamentets och rådets förordning (EU, Euratom) nr 966/2012 av den 25 oktober 2012 om finansiella regler för unionens allmänna budget och om upphävande av rådets förordning (EG, Euratom) nr 1605/2002 (EUT L 298, 26.10.2012, s. 1). Förutom fysiska faktorer kan fytoplankton ackumuleras i lager som svar på tillgången på näringsämnen, närvaro av rovdjur eller för reproduktion (Leising 2001). Den primära divergerande processen är turbulent diffusion (Wang & Goodman 2010) som orsakas av en mängd olika fysiska processer såsom vindar, icke-linjära inre vågor och konvektiva välter. Fältstudier om samspelet mellan dessa biofysiska faktorer har presenterats av t.ex. Alldredge m.fl. (2002), som gjorde samtidiga mätningar av mängder av havssnöaggregat, fytoplankton och zooplankton tillsammans med olika fysiska parametrar. Denna studie visade inte bara ett brett samband mellan förekomsten av tunna lager av havssnö eller fytoplankton och pycnokliner, utan gav också belägg för att zooplankton är en prioriterad aggregation med avseende på havssnö. Många in situ-instrument och spridningstekniker har utvecklats för att provsmaka vattenpelaren i fina skalor. Till exempel kan "slow-drop" vertikal profilering, där provtagningsplattformen är både frikopplad från fartygets rörelse och ballasterad för att vara något negativt utflytande, uppnå vertikal provtagningsupplösning vid centimeterskalor (t.ex. Donaghay m.fl. 1992, Cowles et al............................................................................................................. 1998................................................................ Multifrekvent akustisk profilering sensorer har utvecklats för att lokalisera stora koncentrationer av zooplankton på fina skalor (Holliday et al. 1998, Benoit-Bird m.fl. 2010 och den rumsliga variationen i volymspridningsfunktionen (VSF) har använts för att identifiera höga koncentrationer av partiklar och organismer (Twardowski et al. 1999, Sullivan m.fl. 2005, 2010b. Acoustic Doppler Current Profilers (ADCPs) har ofta använts för att mäta genomsnittliga skjuvhastigheter i vattenpelaren (t.ex. McManus m.fl. 2005), men ADCPs har en högsta djupupplösning på ~1 m, vilket kan vara otillräckligt för att studera hur flödesfysiken påverkar bildandet av partikellager. Den aktuella studien motiveras av det faktum att en mer fullständig förståelse av populationsdynamik, planktonbeteende och artsammansättning kräver identifiering och kvantifiering av den 3-dimensionella (3D) rumsliga fördelningen av olika partiklar och organismer i vattenpelaren, på ett icke-inträngande sätt. Undervatten videotomografi (Davis et al. 1992 ) har använts för att göra direkta observationer av marint liv och deras överflöd med djup, men det saknar förmågan att behålla fokus över en betydande tjocklek, vilket ger information endast i en liten volym vätska. Det aktuella arbetet använder fri ström holografi, som har förmågan att upprätthålla hög lateral upplösning i en provvolym med betydande tjocklek. Denna fördel möjliggör spårning av organismer och bestämning av 3D rumslig fördelning av olika organismer och partiklar vid hög upplösning, och i en ostörd volym. Således, en dränkbar med en ombord holografisk optisk installation skulle fungera som ett idealiskt verktyg för att studera vattenpelaren. Flera submersible holografi system har utvecklats, börjar med holographic velocimeter som mätte storlek och avvecklingshastigheter av partiklar (Carder 1979). Pulsade laserbaserade nedsänkbara holografiska system, som spelade in hologram på högupplöst film, har sedan dess utvecklats av Katz et al. (1984), O'Hern m.fl. (1988), Katz m.fl. (1999), Malkiel et al............................................................................................................... (1999 Malkiel m.fl.) (, 2004 och Watson m.fl. (2001).................................................................. Även om användningen av film gjorde det möjligt för dessa forskare att studera stora provvolymer utan att kompromissa med upplösningen, innebar dessa system besvärliga instrumentering, och långa bearbetnings- och dataanalystider. Resultaten i Katz et al. (1984) och Malkiel m.fl. (2004) löste sambanden mellan rumsliga fördelningar av flera arter som inte kunde ha studerats på något annat sätt. Samtidigt som övergången till digital holografi innebär en kompromiss i upplösning, fördelarna med levande överföring av hologram och en mycket större datainsamling kapacitet överväger dess 30 Talapatra et al.: Holografi i havsvattenpelaren nackdel. Dessutom har uppkomsten av kompakta diodpumpade halvledarlasrar minskat storleken på den optiska installationen till en liten del av de ursprungliga systemen. Den första in situ implementeringen av digital holografi var Owen & Zozulya (2000), som använde en låg effekt kontinuerlig diod laser och en laddningskopplad enhet kamera, följt av Jericho et al. (2006) som registrerade organismer fångade i en isoleringskammare, det pulserade laserbaserade systemet byggt av Sun et al. (2007) för att mäta storleksfördelningen av groddar, och sedimentmätningssystem utvecklat av Graham & Smith (2010). I alla dessa fall baserades resultaten på analys av ett litet antal partiklar/organismer. Detta dokument innehåller uppgifter om data som erhållits under en ny lansering i East Sound, Washington, USA av Holosub - ett fritt drivsystem, dränkbart, ballastkontrollerat, multicamera, digitalt holografisystem (Pfitsch et al. 2005 (Pfitsch m.fl.) , 2007............................................................... Vi börjar med en kort beskrivning av instrumenteringen och installationsdetaljerna, följt av en förklaring av viktiga dataanalyssteg. Resultaten presenteras och analyseras med målet att belysa några av de underliggande mekanismer som ansvarar för heterogeniteter i fördelningen av partiklar och organismer i vattenpelaren. MATERIAL OCH METODER En detaljerad beskrivning av den instrumentering som är förknippad med holosuben har tillhandahållits av Pfitsch et al. (2005), och sammanfattas kortfattat här. En illustration av detta system finns i bild. 1, och dess interna optiska inställning är skissad i bild. 2............................................................... En 10 cm lång cylinderformad provvolym ligger mellan de två strömlinjeformade vertikala tornen, vars form och höjd (55 cm, med provvolymen placerad 12 cm under toppen) är utformade för att minimera flödesstörningen i den avbildade provvolymen. Dragkraftselementen är på väg till tornen, på samma höjd som de genomskinliga visningsfönstren, för att minska den relativa rörelsen mellan plattformen och de lokala strömmarna medan nedsänkbara driver. Strömlinjeformade skal täcker huvudkroppen av den nedsänkbara, för att minimera dra av de delar av enheten som är relativt långt från fönstren. I "profileringsläget" (som inte diskuteras här) avlägsnas dragelementen och strömlinjeformade skal, eftersom den nedsänkbara snabbt sänks och höjs genom vattenpelaren. En kommunikationslinje som kopplar den nedsänkbara till en värddator på en båt består av en enda fiberkabel, som 473: 29-51, 2013 överför data i 4 kanaler, var och en med en annan våglängd. En av dessa kanaler används för att styra 2 kameror, laser, ballastpump, etc. De andra 3 kanalerna används för att överföra CTD-utgången och de digitala hologram från de 2 kamerorna. Alla elektriska signaler omvandlas till optiska signaler före överföring och sedan konverteras tillbaka, antingen på ytan för lagring, visning och analys, eller inuti Holosuben för implementering av användarkommandon. Den optiska fibern kan antingen frigöras från båten, som gjordes under dessa experiment, eller frigöras från en spole som ligger på plattformen. Den senare minskar dra på Holosuben genom att öka slack av fiberoptiska kabeln. Vi utnyttjade inte detta alternativ under denna studie, på grund av bekvämlighet och de låga nuvarande hastigheter som uppstått under installationerna. Den submersible drivs av litiumjonbatterier, som normalt stöder 1,5 h drift. Holosuben har en mekanism för styrning av ballasten ombord, bestående av en förskjutningspump, tillhörande förare och ett gummirör, som är placerad inuti en förseglad luftkammare under plattformen. Pumpning av havsvatten in och ut ur röret ändrar dess flytförmåga och kontrollerar därmed dess djup och nedstigning/uppstigningshastighet. CTD-data används för att övervaka systemets djup i realtid, vilket gör det möjligt för operatören att fjärrstyra dess vertikala rörelse. De densitetsdata som erhållits genom denna CTD var oanvändbara eftersom provvattnet inte pumpades från närheten av provvolymen. Denna brist kommer att rättas till vid framtida utplaceringar. Men djupet registrerades exakt, som verified genom att jämföra sina data med mätningar som utförs av en akustisk doppler velocimeter (ADV) som var ansluten till plattformen under några av installationerna. Som diskuteras i nästa underavsnitt mättes täthetsprofiler och optisk spridning från partiklar med andra samtidigt använda instrument. Den optiska inställning som används under de nuvarande installationerna (Fig. 2) består av 2 in-line holografisystem med olika förstoringar som förökar sig i motsatta riktningar. Holografi in-line innebär belysning av provvolymen med en kollimerad laserstråle, och inspelning av interferensmönstret av ljus som sprids av partiklarna i provvolymen, med den ostörda delen av strålen. De inspelade hologram överförs till en dator där de är numeriskt rekonstruerade med hjälp av FresnelKirchoff formel (Katz & Sheng 2010), plan för plan, för att få en serie av i fokus bilder av partiklar i provvolymen. I den nuvarande konfigurationen, ljus från en pulsad (50 ns varaktighet), diodpumpad, 660 nm neodym-dopad yttrium litiumfluorid (Nd:YLF) laser delas upp i 2 strålar, som korsar samma provvolym från motsatta riktningar. Polariserande stråldelare och halvvågsplattor säkerställer att dessa överlappande strålar har ortogonala polarisationer för att undvika störningar. Hologramarna registreras vid 14,7 bildrutor –1 av ett par av 2048 × 2048 bildpunkters digitala kameror, dvs. datainhämtningsgraden är 117,6 MB s −1. Kamera A registrerar hologram vid en upplösning av 3,9 μm pixel −1 med ett synfält på 8 × 8 mm, som är inbäddat i området 11,5 × 11,5 mm bild av kamera B, som registrerar hologram vid en upplösning på 5,7 μm pixel −1. Totalt 6 TB, dvs. 1,5 miljoner hologram registrerades under den 2 wk-utbyggnaden och omfattade 7,4 h nettoprofileringstid på olika platser, tider och flödesförhållanden. Holosuben utplacerades under maj 2010 i EastSound -a fjord på Orcas Island, Washington som en del av ett samverkande fältexperiment med forskare från WET-labb, University of Rhode Island (URI), National Oceanic and Atmosfäric Administration (NOAA) och Naval Research Lab. Tre ytfartyg och ett stort antal instrument användes samtidigt, varav endast ett fåtal diskuteras i detta dokument. Ett luftfartyg som drivs av NOAA samlade dagliga ljusdetekteringsdata (LIDAR) (Churnside & Donaghay 2009) nästan synoptiskt över hela East Sound, vilket ger platser av tunna lager i realtid, och återföra sina positioner till ytbåtar. Forskare från WET Labs satte ut en vertikal profiler samtidigt med Holosub, från samma båt. Denna profiler var utrustad med en SeaBird SBE-49 CTD, en WET labb ac-s, en ECO-BB3, en LISST-100 och Multi-Angle Scatter Optical Tool (MASCOT) VSF-enhet (Twardowski et al. 1999)............................................................................................................ Ac- s är en hyperspektral (> 80 våglängder) ljusabsorption och dämpningsmätare. ECO-BB3 är en 3-vågs backscatteringsensor (470, 532, 650 nm) i en vinkel (124°). LISST-100 är en laserdiffractometer som mäter den nära framåtgående VSF- och partikelstorleksfördelningen (PSD) baserat på Mie-teorins inversion, och MASCOT mäter in-situ VSF för monokromt ljus (658 nm) från 10° till 170°, med 10° intervall. På forskningsfartyget URI användes data från högupplösta profiler för att identifiera djup för efterföljande insamling av diskreta vattenprover, med hjälp av en Ruttner designprovtagare (KC Danmark). Varje prov delades upp i flera alikvoter, och analyserades, på 32 Talapatra et al.: Holografi i oceanvattenpelaren ombord på URI-kärlet, enligt följande: (1) ~750 ml var gent ly siktad (20 μm por), och undersöktes levande på ett Zeiss-mikroskop med faskontrastoptik. En checklista över de växtplanktonarter som var närvarande sammanställdes, kvalitativa observationer gjordes om morfologin och indivi dubbel taxas livshistoria och en färgvideoinspelning gjordes av varje rutschkana. Denna information användes för att underlätta identifieringen av fytoplankton som avbildats av det biotiska, in-line mikroskopiska holografisystemet. (2) CytoSense scanning flow cytometer användes för att räkna enskilda partiklar (encelliga organismer och kolonier) och karakterisera deras storlek, form, pigmentinnehåll och spridning. Både de ursprungliga och de koncentrerade prov som beskrivs ovan karakteriserades med flödescytometern. (3) Ett kinetiskt in-line mikroskopiskt holografisystem användes för att registrera hologram i en provvolym på 1,75 × 1,75 × 10 mm 3 inom en 1 × 1 × 5 cm 3 lucit cuvette, vid en upplösning på 1,71 μm pixel −1, och en förvärvshastighet på 250 Hz. I samband med den fordonsbaserade ljusmikroskopien av levande material hjälpte dessa bilder till att identifiera den dominerande taxa som fanns i Holosub-bilder. Denna anordning underlättade observationer av simbeteendet hos olika organismer. Systemet för holografi ombord gjorde det också möjligt att räkna partiklar med en minsta storlek på 4 μm. (4) 125 ml helvatten bevarades i 1 % formaldehyd och 1 % isättika och återfördes till Rhode Island, där enskilda celler i utvalda prover kvantifierades. Phytoplanktonceller > 8 μm räknades i en Sedgewick Refter kammare på en Nikon Eclipse E800 mikroskop med hjälp av en 10× mål. De resultat som presenteras i denna rapport är baserade på analys av data som förvärvats på eftermiddagen den 14 maj, medan holosuben drev, under 2 långsamma (2 cm -1 genomsnitt) bestigningar, separerade med 40 minuter, nedan kallade Ascents I och II, vars tidshistorik visas i bild. 3............................................................... Vi använde endast data som registrerats medan fordonet klättrade långsamt genom vattenpelaren för att minimera den hydrodynamiska påverkan av plattformen på flödet/vätskan i provvolymen. Totalt 19 200 och 21 260 hologram spelades in av båda kamerorna under Ascents I respektive II, tillsammans med motsvarande djup. Endast en delmängd av dessa data analyserades, som förklaras nedan. För att identifiera partiklar efter bästa förmåga använde vi den högre upplösningen, 3,9 μm pixel −1 hologram, med 8 × 8 mm siktfält. Det fanns 9600 och 10 630 hologram med högre upplösning som registrerats under Ascents I respektive II. För kvantitativ analys delades partiklarna in i fyra breda kategorier: 1)'små partiklar' i storleksintervallet 10‐200 μm, där klassificeringen'små' uteslutande baseras på Holosub-upplösningen, 2) de typiskt stora sfäriska kolonierna i diatomen Chaetoceros socialis, 3) raka eller heliska diatomkedjor och 4) zooplankton, inklusive klaffar och nauplii. Det bör noteras att vid beräkningen av koncentrationsprofilerna för små partiklar, diatomkedjor och zooplankton uteslöts volymerna framför och bakom de stora C. socialis-kolonierna, där enskilda partiklar kan skymmas, från provvolymen. För att förhindra att samma partikel räknades mer än en gång och för att minska beräkningskostnaderna användes 1 av 5 hologram för analys av partikelfördelningen, vilket gav en genomsnittlig provtagningshastighet på 1 hologram per 6,55 mm som genomkorsades av holosuben. Som ett resultat av detta analyserades sammanlagt 1920 och 2126 hologram för Ascents I respektive II i denna analys. Följande steg användes för att kvantifiera fördelningen in situ av de olika partikelkategorierna, in situ-skjuvning och spridningshastigheter, och cellkoncentrationerna i de insamlade proverna: Beräkna in-fokus bilder In-fokus bilder av partiklar >100 μm genererades genom att rekonstruera varje hologram över hela 10 cm provvolym tjocklek, i steg om 1 mm, dividera 2048 × 2048 pixel rekonstruerade plan till 128 × 128 pixel fönster, och sedan välja Mar Ecol Prog Ser 473: 2013 plats som förde det största objektet i varje fönster i fokus. För de flesta fönster var en enkel metod för att upptäcka placeringen av bilder i fokus att välja planet med det maximala antalet pixlar med intensiteter under en angiven tröskel. Därefter utfördes även kantdetektering selektivt när minimeringen av intensiteten misslyckades. Denna hybridmetod förde de flesta av de stora partiklarna i fokus, vilket ger ett snabbt och effektivt sätt att kvalitativt analysera den stora provvolymen. Diatomkedjor, både linjära och heliska, samt zooplankton bestående av klaffar och nauplii, identifierades visuellt från dessa bilder i fokus. Små (10‐200 μm) partikelstatistik Dessa extraherades genom att varje hologram rekonstrueras i steg om 0,1 mm. Bilderna filtrerades sedan med en 3 × 3 pixel-lågpass-filtrering som användes för att minska laserspäckningsljudet, och en 40 × 40 pixel-högpass-filtrering användes för att ta bort de stora partiklarna från bilderna. Bilderna kollapsade sedan på ett enda plan genom att välja den lägsta intensiteten för varje pixel. Bildsegmentering utfördes därefter för att definiera gränserna för varje partikel, mäta deras storlek och proportion, och kassera de långsträckta diatomkedjorna. Partiklar med en genomsnittlig diameter på < 10 μm kastades också bort, eftersom det var otillförlitligt att skilja verkliga partiklar från buller under denna skala vid denna förstoring. För att extrahera statistik för Chaetoceros socialis kolonier rekonstruerades hologram, i steg om 2 mm, och sedan lågpass filtreras med hjälp av 5 × 5 pixel box filter för att ta bort små partiklar. Efter bildsegmentering, följt av filtrering baserad på bildförhållande och storlek, registrerades koloniernas tvärsnittsareor, vilka framträdde som "blobs" i de intensitetskombinerade bilderna. Den genomsnittliga diametern för varje koloni, beräknad från området, användes för att uppskatta dess volym, med hjälp av ett förenklat antagande av sfäriska kolonier. Att lägga till alla sådana volymer i ett specifikt hologram och dividera det med provvolymen (6,4 ml) gav en uppskattning för volymfraktionen C. socialis. Holosubernas data, tillsammans med de hologram med hög upplösning som registrerats av det ombordvarande holografiska mikroskopet, användes också för att uppskatta det genomsnittliga antalet celler i en C. socialis-koloni. Sedan, baserat på koncentrationen av kolonier in situ, koncentrationen av C. socialis singelceller i vattenpelaren erhölls. Bilda. 4a – c visar prov i fokus bilder av C. socialis kolonier inspelade på olika djup, medan Bild. 5 visar en i-fokus koloni registreras av ombord högupplöst mikroskopisk holografi systemet. Först, den ursprungliga rekonstruerade Holosub bilder av i-fokus C. socialis kolonier var låda band-pass filtreras för att ta bort bakgrundsljud, histogram utjämnas, och tröskel. Därefter var det område som var ockuperat av kedjorna och den totala storleken på varje koloni mea-säkert. De typiska måtten på enskilda celler (7 ± 2 μm), liksom tomrummet mellan cellerna i kedjorna, beräknades från de mikroskopiska hologram med hög upplösning, t.ex. den som presenteras i bild. 5b, Där enskilda celler är tydligt urskiljbara. Ett prov i fokus C. socialis koloni, från Holosub data, och motsvarande bearbetade bild, som används i cellräkningen, illustreras i bild. 4d,e. Inset visar ett prov del av kolonin för vilken enskilda celler kan identifieras och räknas, numrering 6 för det illustrerade provet. Flera sådana exempel bilder, både från in situ (Fig. 4 ) och ombord (Fig. 5 ) holografidata användes för att kalibrera parametrarna för tvärsnittsarean för bearbetade bilder med motsvarande antal celler. Den höga förstoring ombord data ger särskilt tydliga bilder av enskilda celler som kan räknas och mätas (för form och storlek), och även används för att skilja mellan C. socialis celler och andra partiklar som blandas med kolonin. En sådan partikel framhävs i den förstorade bilden i Bild. Detta beslut träder i kraft dagen efter det att det har offentliggjorts i Europeiska unionens officiella tidning. Därefter beräknades det totala antalet celler per koloni baserat på området för dess bearbetade bild. Det uppskattade antalet celler i kolonin visas till exempel i bild. 4a är 2150 ± 490. En osäkerhet på ~23% beräknades genom att variera parametrarna bildförstärkning och upprepa analysen för flera prover. Bilda. 4c visar en stor, tät koloni som finns i det tunna lagret. Här, på grund av närvaron av kolonier som upptar betydande tjocklek, och den resulterande nedbrytningen av referensstrålen, var det ofta svårt att fokusera på en hel koloni i samma plan. Följaktligen kom koloniernas inre struktur inte lika tydligt i fokus som bilderna på andra djup, där antalet kolonier var lägre. För denna koloni, uppskattade vi antalet celler per koloni baserat på dess storlek och data som erhållits för andra prover. Det måste noteras att denna metod ger endast en rå cell räkna, eftersom celltätheten i de större kolonierna var sannolikt högre än vad som beräknades, vilket leder till en underskattning av antalet celler. Trots denna begränsning utgör den ovannämnda ramen ett unikt tillvägagångssätt för att erhålla det in situ överflöd av celler i C. socialis kolonier, exakt åtminstone i en storleksordning. För data som förvärvats ombord av 250 ramar s - 1, hög upplösning mikroskopisk holografi system för de insamlade proverna, 200 hologram valdes för analys ( resulterar i en nettoprovvolym på 6 ml), med hjälp av en provtagningsfrekvens på 4 holograms - 1 för att minimera sannolikheten för att räkna samma objekt flera gånger. Ett automatiserat partikelantal utfördes genom att varje hologram rekonstrueras i steg om 20 μm, med lågpassfiltrering av de rekonstruerade bilderna med hjälp av ett 3 × 3 pixelfilter, genom att de kollapsade på ett enda plan genom att välja den lägsta intensiteten för varje pixel, och sedan utföra bildsegmentering för att identifiera form (spektförhållande) och storlek på varje objekt. Som ett andra steg, kolonier eller kedjor bestående av flera celler identifierades i kollapsade bilder genom direkta observationer, och det ingående antalet enskilda celler räknades visuellt med bilder av i-fokus kolonier/kedjor, vilket ger en fullständig cellantal. Den senare användes för att jämföra holografiska och ljusmikroskopi data. Den absoluta hastigheten i det lokala flödet kunde inte fastställas eftersom Holosuben drev långsamt, men den momentana vertikala hastighetsgradienter. I fokus bilder av a) Chaetoceros socialis koloni, och b) en del av samma koloni, förstoras (satt cirkel: partikel som inte är C. socialis). Dessa data har registrerats av det ombordvarande mikroskopiska holografiska systemet med hjälp av prover som samlats in vid 4,5 m Mar Ecol Prog Ser 473: 2013 över provvolymen kunde mätas. För att beräkna hastigheten i förhållande till plattformen vid varje punkt använde vi var och en av de 9600 och 10 630 lågupplösta hologram som registrerats under Ascents I respektive II. Var och en av dessa hologram rekonstruerades i steg om 0,1 mm över en 1,5 cm tjock sektion belägen i mitten av provet volym, och bilderna var intensitet kollapsade på ett enda plan. Dessa kollapsade bilder filtrerades för att endast behålla de små partiklarna, och förstärktes genom histogramutjämning. För att erhålla den lokala hastighetsfördelningen delades därefter på varandra följande bilder av synfältet 11,5 × 11,5 mm in i förhörsfönster på 256 × 256 pixlar och korskorrelerade, enligt standardprocedurer som användes i partikelavbildningen Velocimetri (PIV) (Adrian & Westerweel 2011). Med 50% överlappning mellan förhörsfönster var vektoravståndet 0,7 mm, och varje momentant vektorfält innehöll M × N hastighetsvektorer, där M och N varierade från 9 till 14. Detta område orsakades av den djupberoende stora medelförskjutningen mellan på varandra följande ramar, vilket innebär att vissa förhörsfönster nära kanten av siktfältet inte innehöll partiklar som framträdde i båda ramarna av PIV-paret. För att erhålla den karakteristiska skjuvningen delades varje vektorfält in i en övre och nedre halva, och den karakteristiska stamhastigheten beräknades utifrån skillnaden mellan rumsligt genomsnittliga hastighetsvektorer i de två halvorna. Ett körgenomsnitt, bestående av 40 på varandra följande inspelade hologram centrerade runt det angivna djupet, d.v.s. Ett genomsnitt på 2,7 s, eller 3 cm i djup, användes för att erhålla var och en av punkterna i den vertikala hastighetsgradientprofilen ∂u/∂z, där u är den horisontella hastigheten och z den vertikala koordinaten. För att underlätta en jämförelse av den vertikala fördelningen av turbulensnivå, dessa data användes också för att beräkna den turbulenta upplösningen (Pope 2000), som ges av ε = 2 motS ij S ij. Här vs är den kinematiska viskosi ty och S ij definieras som S ij = 0.5 (∂u i /∂x j + ∂u j /∂x i ), där x i, i, i [1, 2, 3], de notera de 3 rumsliga koordinaterna, och u i motsvarande hastighetskomponent. För att erhålla en uppskattning för avledningshastigheten från fördelningar av planhastigheter krävs iso tropyantaganden för att ta hänsyn till inverkan av lutningar utanför planets hastighet, vilket diskuteras i Luznik et al. (2007)............................................................................................. Om man antar isotropi, beräknas turbulensförlusthastigheten med ε = 15/2ν <(∂u/∂z) 2 >. För att utföra dessa mätningar baserades beräkningarna på en mycket tunnare provtjocklek på 2 mm och en förhörsfönsterstorlek på 2 × 2 mm. Denna skala var strax över (~1.25 gånger) Kolmogorovskalan under nuvarande flödesförhållanden, vilket var tillräckligt för att helt lösa de relevanta små hastighetsgradienterna (Doron et al. 2001)................................................................................................... De lokala hastighetsgradienterna beräknades utifrån hastighetsskillnaden mellan angränsande förhörsfönster. En finare skala för dessa tunna prover kunde inte användas eftersom varje förhörsfönster bör innehålla 5 till 10 partiklar för att erhålla meningsfulla data. Varje momentan hastighetsfördelning gav 56 till 80 datapunkter, där variabelområdet återigen orsakades av den djupberoende stora medelförskjutningen mellan på varandra följande ramar. Genomsnittet över alla punkter i en momentan fördelning, och över 40 på varandra följande insikter gav en profil av turbulensen upplösningsfrekvens. Även om en sådan databas inte kan betraktas som konvergerad turbulensstatistik, gav den ändå en profil för den karakteristiska turbulensnivån. Några av organismerna med glesa fördelningar i vattenpelaren visas i bild. 6............................................................. Heterotrofiska dinoflagellater av släktet Noctiluca, enligt bild. 6a,b, hittades intermittent i hela vattenpelaren i små tal. Bihangicularians (Fig. 6f ) med ett storleksintervall på 0,5 till 8 mm observerades också i små antal på olika djup. Andra zooplankton, t.ex. trampods och nauplii, visas i bild. 6c – e, hade icke-uniforma fördelningar i hela vattenpelaren, som diskuteras i följande avsnitt. Organismer såsom ciliater och vissa diatomarter, som visas i bild. 6g − i observerades några gånger. RESULTAT Optisk spridning av data förvärvade av MASCOT användes för att identifiera närvaron av ett tunt lager och andra fläckar av förhöjda partikelkoncentration vid tiden och platsen för Holosub uppstigningar. Under dessa tester, MASCOT downcasts utsträckt till ett djup av ~8 m, medan Holosuben registrerade data ner till 18 m. Eftersom Holosuben drev, avståndet mellan dessa system varierade från flera tiotals meter till ~100 m baserat på längden på den optiska fibern. Bilda. 7a–h visar provprofiler för partikelspridning vid en våglängd på 532 nm (b p-532). Som beskrivs i Twardowski et al. (2001), b p, partikelspridningskoefficienten, beräknas från volymspridningsfunktionen β( ska) (sr ), som definieras som β( ska) = dI( ska)/E dV. Här är dI( ska) den utspridda intensiteten i riktning mot polarvinkeln från volymen dV och E är incidenten bestrålning. Integrering av spridning i alla riktningar ger den totala spridningskoefficienten, b (m −1 ), nämligen. I havsvatten, den spridning co efficient kan delas in i dess vatten och partiklar, i. ) från havsvattnets densitet. Av bekvämlighetsskäl kommer vi att hänvisa till σt som densitet i resten av texten. Denna serie av profiler visar förekomsten av ett 0,2 till 1 m djupt skikt inom en pycnocline, på djup mellan 3,8 och 4,8 m, med en partikelspridning signatur som är betydligt högre än i resten av vattenpelaren. I de fall lagret är brett består det av 2 eller fler tunnare toppar. Vi börjar med att jämföra MAS-COT optiska profiler med de av Chaetoceros socialis och små partikelkoncentrationer, som båda bör bidra till klorofyll a och spridning signaturer. Bilda. 8a visar den vertikala profilen av volymfraktionen som upptas av C. socitis kolonierna under Som cent II, där varje punkt representerar den genomsnittliga volymfraktionen över den momentana provvolymen på 0,8 × 0,8 × 10 cm 3, och linjen representerar ett 10 poängs löpande medelvärde. Bilda. 8b visar profilen av medeldiametern av C. socialis kolonier, medan Bild. 8c visar den rumsligt genomsnittliga C. socialis cellkoncentration, beräknad som diskus sed i föregående avsnitt. Flera C. socialis maxima observeras i djupområdet 3,8 till 4,9 m, med volymfraktion, kolonistorlek och cellantal som alla toppar på 4,4 m (dassade linjen i bild. 8 ) och 8.............................................................................................................. På detta djup gick några av de momentana volymfraktionerna över 1% och medelkolonidiametrarna över 1,3 mm. Liknande siffror har rapporterats tidigare, t.ex. av Alldredge et al. (2002), som observerade toppvolymfraktioner på ~0,5 % för havssnöaggregat med diameter > 0,5 mm. Bilda. 9d-f jämför de vertikala profilerna av holografiskt uppmätt liten partikelkoncentration och Chaetoceros socialis volymfraktion, med de av b p-532, densitet och klorofyll en koncentration som registrerats av MASCOT, under en profil som var temporalt närmast Ascent II. Det måste noteras att på grund av avståndet (10 till 100 m) mellan sensorerna, skulle det vara förmätet att anta att samma lager skulle visas på exakt samma djup på de 2 platserna, och profiljämförelserna bör tolkas med detta i åtanke. Bilda. 9d visar en partikelkoncentrationstopp på ett djup av 4,4 m, vars placering motsvarar det lägre av de två optiska signaturtopparna som visas i bild. 9e,f, den största C. socialis topp och toppen av pycnocline. På djupet av 3,8 och 4,7 m finns toppar i de optiska signaturerna, som sammanfaller med toppar i C. socialis volymfraktion, även om det inte finns några små partikelkoncentrationer maxima på dessa djup. Flera ytterligare distinkta partikel maxima visas under pycnocline, som har märkts, för bekvämlighet, som lager #1 till #4. Toppar i C. socialis volymfraktion kan observeras sammanfalla med lager #1 och #2. Även om flera små toppar i b p-532 och klorofyll en profiler också observeras på liknande djup, de inte matchar partikelkoncentrationen maxima. Samma jämförelse för Ascent I, som spelades in fyrtio minuter tidigare, presenteras i bild. 9a-c. Även om partikelkoncentrationstopparna är placerade på olika djup (Fig. 9a), Den övergripande bilden liknar den som motsvarar den senare uppstigningen. Både partiklarna och C. socialis profiler har flera toppar, med sina respektive största som sammanfaller med varandra inom (MASCOT) pycnocline. Varje profil har en annan (icke-koinciderande) stor topp strax ovanför pycnocline. Den 2 lar gest lilla partikelkoncentrationen maxima vid 4,0 och 4,7 m sammanfaller med b p -532 toppar, men endast den lägre (pyc nocline) topp har motsvarande maxima i C. socialis och klorophyll en koncentration. De mindre topparna i parikeln och C. socialis koncentrationen på djupet av 6,1 och 7,3 m har också motsvarande optiska signatur toppar på liknande (men inte exakt samma) djup. Medan Fig. 7 indikerar förekomsten av en 0,2 till 1 m djup persistent skikt i närheten av pycnocline, Holosub data ger oberoende bevis för förekomsten av en liten partikel och Chaetoceros socialis koloniskikt på ungefär samma djup, och på ett avstånd av ~50 m bort. Data recor ded vid 14:43 h av en profilerare utplacerad av URI-gruppen 500 m bort (data som inte visas här) indikerade också förekomsten av ett tydligt lager med hög partikelspridning och klorofyll en koncentration lokaliserad på ett djup av 4,3 m i pycnocline. Den rumsliga-temporala konsistensen i skiktet loca ted på djupet av 4,4 m under Ascent II och 4,7 m under Ascent Jag föreslår att detta fenomen är i praktiken ett tunt lager. Sammanfall av höga partiklar, C. socialis och klorofyll en koncentration toppar i detta tunna lager indikerar att det innehåller ett överflöd av fytoplankton. De mindre topparna i partikel/C. socialis koncentration under pycnocline under båda uppstigningarna, inklusive de identifierade som Layers #1 till #4 (Fig. 9d), har begränsade rumsliga och / eller temporal ex tält som faller under de värden som vanligtvis förknippas med tunna lager (Durham & Stocker 2012). Även om den lokala befolkningsdynamiken och interaktionen med fysiska parametrar inte identifierats som "tunna lager", ger den insikter om generering och underhåll av inhomogeniteter i vattenpelaren. Bilda. 10a−d jämför djupprofilerna för de små partikelkoncentrationer som finns på Chaetoceros socialis volymfraktion, med den karakteristiska skjuvstammen och turbulenta avledningshastigheter, under Ascents I och II. Det måste noteras att för båda stigarna dominerade C. socialis kolonierna synfältet över ett djup av 3,8 m, medan den lilla partikelkoncentrationen var 39 bild. 9................................................................ Profiler av Ascents I (topp) och II (botten): (a,d) holografiskt uppmätt partikelkoncentration (svart linje) och Chaetoceros socialis volymfraktion (grå); (b,e) partikelspridningssignatur vid 532 nm (svarta linjer och grå prickar) överplacerad på densitet (tun grå linje); och (c,f) klorofyll en koncentration; partikelspridning och klorofyll en registreras av MultiAngle Scatter Optical Tool (MASCOT) under den installation som började vid 14:40 h. Omärkta streckade linjer: djup av vissa ytterligare koncentrationstoppar. Punkter: oberoende mätningar; fasta kurvor representerar deras 10-punktslöpande medelvärde mars : 29-51, 2013 låg, vilket hindrar oss från att få tillförlitliga bilder med jämnt fördelade partiklar för att utföra PIV-analys, och därmed beräkna skjuvning och upplösningshastigheter (Fig. Detta beslut träder i kraft dagen efter det att det har offentliggjorts i Europeiska unionens officiella tidning........................................................................................................ En jämförelse av de vertikala stig II-profilerna, som visas i bild. 10c,d, indikerar att det tunna lagret, ligger på den övre delen av en stark pycnocline (Fig. 9d -f ), sammanfaller med en nära-noll skjuvning stam område. Denna region tycks vara stabilt stratifierad, vilket de låga värdena för turbulent upplösning tyder på. Även om vi inte har data om densitets- och hastighetsgradientprofiler på samma plats för att korrekt uppskatta Richardsons tal (Ri = (g/ρ)(∂ρ/∂z) (∂u/∂z) −2 ; Woods 1969), användes MASCOT-densitet och holografiska hastighetsgradienter för att få en grov uppskattning av Ri = 15 vid z = 4,4 m, långt över det kritiska värde på 0,25 som krävs för stabil stratifiering. Den Chaetoceros socialis volymfraktion topp på 3,8 m motsvarar en region av hög skjuvning stam, men stratifiering och låg dissipationshastighet där återigen tyder på flödesstabilitet, i linje med den grovt uppskattade Richardson nummer (1.7) där. Under den primära pycnocline, Layers #1, 2 och 3 av Ascent II, med de första 2 sammanfallande med C. socialis toppar, bildar i smala regioner av lokala skjuvning stamhastighet och turbulens minima. Vi kan inte utifrån tillgängliga data avgöra om flödet är lokalt stratifierat. Endast det djupaste lagret (#4) är beläget i en region av en lokal skjuvstam och upplösningshastighet max. Motsvarande jämförelse för Ascent I, som visas i bild. 10a,b, presenterar konsekventa trender, nämligen att både små partiklar och C. socialis koncentration toppar företrädesvis bildas på djup med låga nivåer av skjuvning och avledningshastigheter. För att demonstrera denna punkt använder vi horisontella streckade linjer för att visa att de 4 partikelkoncentrationstopparna är belägna i skilda regioner med lokala skjuv- och avledningshastighetsminima. Den rumsliga och tidsmässiga variabiliteten i partikelfält tycks vara korrelerad med variationen i fälten för skjuvning och spridningshastighet. För att underlätta tolkningen av in situ-data samlades diskreta vattenprover in vid URI-utplaceringsplatsen kl. 14:35 timmar från ytan och kl. 15:05 timmar från ett djup av ~4,5 m. Dessa prover analyserades med videomikroskopi, scanningflöde cyto metry, mikroskopisk holografi och senare med mikroskopiska tal av bevarade prover. Även om fokus ligger på det prov som samlats in på 4,5 m hjälper ytprovet till att avgöra om de uppmätta trenderna är ihållande. Tabell 1 visar partikelantalet som erhålls från flödescytometern och det ombordvarande holografiska mikroskopet vid 0 och 4,5 m, cellantalet baserat på ljusmikroskopi av bevarade prover som samlats in vid 0 och 4,5 m och in situ Holosub-data under Ascent II vid 4,4 m, dvs. Det tunna lagret. När vi beskriver antalet partiklar ombord jämför vi först de resultat som erhållits av de olika instrumenten genom att använda samma insamlade prover tillsammans med artkarakterisering. Sedan jämför vi ombord med in situ-data. Cytometritalet indikerar att medan 75–80 % av partiklarna < 200 μm inte innehåller klorofylla a, så gör de flesta av de större partiklarna det. För holografiska mikroskopidata ger vi flera resultat, de första räknar kontinuerliga kolonier/kedjor som en enda "partikel", och den andra räknar varje cell separat med hjälp av den estimeringsmetod som diskuterats tidigare. Följaktligen minskar antalet stora partiklar och antalet små partiklar ökar mellan antalet kolonier/kedjor och uppskattat antal enskilda celler (tabell 1) För båda djupen är antalet holografiska mikroskopipartiklar ungefär 3 gånger mindre än flödescytometerdata i storleksområdet 4‐10 μm, 2 gånger mindre i intervallet 10‐20 μm och 5 gånger mindre i intervallet 20‐200 μm. Över 200 μm är antalet lika. Möjliga orsaker till dessa skillnader, t.ex. Lösning av partiklar i stationära prover och tillhörande rekommendationer för framtida studier diskuteras i detalj i "Diskussion". Det totala partikelantalet som erhålls med mikroskopisk holografi (10 130 ml - 1 vid 0 m och 9740 ml - 1 vid 4,5 m) är av samma storleksordning som cellantalet från ljusmikroskopidata (7539 ml - 1 vid 0 m och 5964 ml - 1 vid 4,5 m). Det senare antalet förväntas vara lägre än det faktiska antalet celler, eftersom vissa fraktioner av cellerna inte överlever bevarande. En detaljerad uppdelning av klorofyllen en innehållande artfördelning bestämd med hjälp av ljusmikroskopi visas i bild. 11........................................... Det är uppenbart att den fytoplankton gemenskap med i den observerbara storleken (tabell 1) är betydligt lägre än de acquired av både den ombord holografiska mikroskopi och cytometri data. Vi försöker förklara dessa trender och tillhörande konsekvenser i diskussionsavsnittet, inklusive skillnader i lokaliserings- och lösningsfrågor. Tabell 1 ger också en uppskattning av in situ Chaetoceros socialis cellkoncentrationer i det tunna skiktet, dvs. 22 000 ± 5000 ml −1. Detta värde är högre men i samma storleksordning som det ombordvarande holografiska antalet av alla partiklar, och är högre än det mikroskopibaserade antalet celler, som, som diskuterats ovan, påverkas av bevarandet. Inom den volym som kolonierna ockuperar är cellkoncentrationerna 2 storleksordningar högre än de genomsnittliga värdena och når 4 × 10 6 ml −1 (tabell 1). Bilderna av huvudsakligen kedjebildande diatomarter i prover som samlats in på ett djup av 4,5 m (Fig. 12), ~500 m från holosuben, främst i lude linjära kedjor som tillhör släktet Chaetoceros, och spiralkedjor, främst av arten C. debilis. Vi kan inte identifiera de långa kedjorna i Holosubs data. Under Uppstigning II minskar löpningens genomsnittliga diatomkedjelängder generellt (men inte monotont) från 1,4 till 0,5 mm med ökande djup (Fig. 13b), men de observerade storlekarna på enskilda kedjor når till 8 mm. För hela volymen ovanför pycnoklonen är kedjorna karakteristiskt längre än kedjorna på djupet nedanför. Antalet diatomkedjor mer än fördubblas när djupet minskar från 9 till 5 m, toppar på 3. hög, men på en något lägre nivå än toppen, hela vägen till ytan (Fig. 13c)................................................................ Deras lutningsvinklar med horisontell riktning (Fig. 13a) minskar betydligt i närheten av det tunna skiktet, där skjuvningsstammen och turbulensen är låg och densitetsgradienterna höga, vilket illustreras i bild. Detta anslag är avsett att täcka utgifter för tjänstemän och tillfälligt anställda som arbetar inom politikområdet Hälsa och konsumentskydd samt administrativa utgifter för tjänstemän och tillfälligt anställda som arbetar inom politikområdet Hälsa och konsumentskydd. Den övre delen av den breda låglutningsregionen, mellan 3,8 och 4,4 m, sammanfaller med en region med låg turbulens. Diatom kedja orienteringsvinkel förblir låg över hela domänen av låg skjuvning under lutningen minimum. Det finns flera andra smala områden i vattenpelaren där orienteringsvinkel, skjuvning och turbulensminima sammanfaller, som är markerade med tjocka streckade linjer i Bild. 13............................................... Intressant är att dessa regioner också kännetecknas av ökade gradienter i diatom överflöd, som, som diskuteras i diskussionsavsnittet, kan vara relaterade till beroendet av att reglera hastigheten på kedjeorientering. Omvänt innehåller vissa (men inte alla) djup med lokal skjuvning och turbulens maxima (markerade av tunna streckade linjer) diatomkedjor med högre lutningsvinklar jämfört med dem i sina omgivande områden. För att illustrera denna variation i orientering, bild. 14 ger prov i fokus, hög upplösning Holosub bilder av diatomkedjor. Diatomerna i det stabilt stratifierade tunna skiktet är i linje nästan horisontellt (Fig. 14a), men lutningen ökar gradvis, och på ett djup av 5,74 m (Fig. 14c), där det finns en lokal maximal i skjuvning stamhastighet, de flesta av diatomkedjor verkar vara nästan vertikal. För Uppstigning I, Fig. 15 endast ger en jämförelse mellan diatomkedjans orientering och den genomsnittliga skjuvning som bekräftar konsekvensen i anpassningstrenderna med de resultat som erhålls för senare uppstigning. Den minsta vinkeln och bredaste minimum förekommer i området nära noll skjuvningshastighet i pycnocline, och flera andra minima sammanfaller med lokala skjuv tråg. Omvänt, vinklarna topp på djup av lokala skjuvning maxima. När det gäller korrelationen med avledningshastigheten (Fig. 10b), i allmänhet, vinkelminima förekommer i regioner med låg disipation, men korrespondensen till anpassning trender är inte lika distinkt eftersom disipation är lägre överallt jämfört med senare stigning. Andra (inte visade) trender av Ascent I inkluderar ett tydligt maximum i medelkedjelängd (1,5 mm) på toppen av pycnocline, sammanfallande med vinkelminimum, och karakteristiska koncentrationer som inte skiljer sig väsentligt från de senare mätningarna. Det måste noteras att mätningar av diatomorienteringar och längder baseras på den 2-dimensionella (2D) projektionen av 3D-orientering. Därför underskattas längden på diatomkedjorna. Dessutom kan nästan horisontella diatomkedjor se vertikala ut om de i första hand lutas ut ur planet, vilket innebär att de uppmätta vinklarna är förvridna, vilket kvantifieras i figuren. 16, som visar sannolikhetsfördelning funktion (PDF) av 2D-projektionsvinkel för linjer med slumpmässiga 3D-orienteringar. För att erhålla denna fördelning anser vi att en linje som är orienterad i 3D vid polarvinkeln  på p (0 <  på p < π) och azimutalvinkeln på p (0 <  på p < 2π). Dess 2D projicerade vinkel ges av solbränna −1 (.. Om både p och p är jämnt fördelade, d.v.s. Partikel 3D-orienteringen är slumpmässig, PDF-filen av solbränna −1 (på engelska p /cos på engelska) har formen som visas i bild. 16........................................... De uppmätta PDF-filerna för 2D-orienteringsvinklar i diatomkedjor presenteras som spridningsytor i bild. 17................................................................ De fasta linjerna visar den exponentiellt minsta kvadratmonterade fördelningen av de ursprungliga uppgifterna. För att visa hur de skiljer sig från slumpmässig PDF (Fig. 16), Vi delar den uppmätta fördelningen med den slumpmässiga en i varje (projicerad) vinkel, och sedan omnormalisera resultatet att ha ett kumulativt värde (area under grafen) av en. De omnormaliserade nyckeltalen ritas upp som streckade linjer i bild. 17, och kallas "korrigerade" PDF-filer. De två första diagrammen visar orienteringsfördelningar i provvolymer i djupband på 0,2 m centrerade kring angivna värden, en betecknad i region I i bild. 13, centrerat runt 4,4 m djup, där vinkeln, skjuvning stam och turbulens är låg (Fig. 17a) och den andra i region II, cen- (Fig. 17b), där vinkeln, stam och turbulens är hög. Den tredje PDF-filen (Fig. 17c ) täcker ett brett djup på 2 m, centrerat runt 14 m djup, visas som Region III i Bild. 13, och fungerar som en referens. Delning av databasen i kedjor kortare och längre än 0,5 mm längd, visas i vänster och höger sida av Bild. 17, respektive, indikerar att medan i regioner med hög skjuvning det inte finns någon betydande längd-beroende skillnad i orientering, i resten av vattenpelaren, de längre kedjorna har en högre tendens att anpassas horisontellt. Vi upprepar att längderna är baserade på 2D-projektioner på kameraplanet, på grund av vilka vissa av de kedjor som klassificeras som < 0,5 mm faktiskt kan vara längre. För att verifiera att kedjeorienteringarna verkligen är icke-slumpmässiga i regioner med måttlig till låg skjuvning använder vi Pearsons chi-squared test (Pearson 1900), som utförs på nollhypotesen att det inte finns någon signifikant skillnad mellan den slumpmässiga orienteringsfördelningen (ODF) och de uppmätta PDF:erna för Ascent II. Tabell 2 visar chi-squared-statistiken för de 3 provdjup som visas i bild. 17, och motsvarande p-värden för data histogram delat till 25 bins. Dessa p-värden indikerar att vid djup på 4,4 m och den breda region som omger 14 m kan nollhypotesen förkastas, vilket innebär att fördelningen på dessa djup skiljer sig avsevärt från den slumpmässiga ODF. Å andra sidan, vid 5,7 m, där det finns ett lokalt maximum i skjuvning och disipation, indikerar p-värdet att den uppmätta fördelningen inte är statistiskt skild från ODF för slumpmässigt stämda diatomkedjor. Man bör komma ihåg att på grund av den fördomsfullhet som visas i Fig. 16, den faktiska fördelningen av 3D-orientering i den låga skjuvning regionen bör ha en högre tendens mot låga vinklar jämfört med de uppmätta resultaten, som anges av de korrigerade värden som visas i streckade grå linjer i Bild. 17................................................................ Anledningar till denna föredragna anpassning analyseras i diskussionen. ) och motsvarande p-värden för jämförelsen mellan diatomkedjornas orientering enligt bild. 18 och den slumpmässiga orienteringsfunktionen (ODF) i bild. 17 mar Ecol Prog Ser 473: 2013 Zooplankton distribution in situ Bild. 19 visar den vertikala fördelningen av zooplankton, bestående av klaffar och nauplii med ett storleksintervall på 0,2 till 1,5 mm, ovanpå den lilla partikelkoncentrationen och Chaetoceros socialis volymfraktion för de 2 stigarna. Varje zooplanktonkoncentrationspunkt är ett resultat av i genomsnitt över 20 hologram, vilket motsvarar en provtagningsvolym på 130 ml, en volym som är betydligt mindre än den typi callay som används i zooplanktonstatistik (tens av liter). Zooplanktondistributionen kan därför inte betraktas som statistiskt konvergerande. En sådan fördelning kan dock fortfarande tyda på trender, vilket kan bidra till att belysa interaktioner mellan rovdjur och rovdjur (Fig. 18).................................................................. På bild. 18b, Det är uppenbart att det tunna lagret och partikel Layers #1 och #4 sammanfaller med tråg i zooplankton koncentration, medan Layers #2 och #3 ligger i ett område med lågt antal zooplankton, strax under en zooplankton topp. De många topparna med höga C. socialis-koncentrationer (3,8-4,9 m), i och över pycnoklin, motsvarar ett dalvärde för zooplanktonkoncentrationen, medan 2 av de brännbara topparna i C. socialis-volymfraktionen på lägre djup också motsvarar minima i rovdjurskoncentrationen. Trenderna är dock inte lika konsekventa i Fig. 18a. Vad är det för fel på dig? Undvikande verkar fortfarande occur i närheten av de primära partikeltopparna på 3,8 och 4,7 m tillsammans med flera av de djupare toppar som markeras med horisontella streckade linjer. Det förekommer dock inte på andra djup som är markerade med streckade linjer. Samtidiga in situ-mätningar i East Sound, Washington, med holosub och hydrografisk-optiska profilerare, samt analys av prover med hjälp av flödescytometri, holografisk och ljusmikroskopi, gjorde det möjligt för oss att undersöka interaktioner mellan biologiska, fysiska och optiska parametrar i vattenpelaren. För att utföra denna studie, introducerade vi flera nya dataanalystekniker för att uppskatta koncentrationen av celler i en Chaetoceros socialis koloni, de vertikala gradienterna av horisontell hastighet, den turbulenta disipationshastigheten, och orienteringen av diatomer. Vi anpassade också procedurer som beskrivs i Katz & Sheng (2010) för att mäta koncentrationen och den rumsliga fördelningen av partiklar. Flera trender, av vilka några är nya, och andra överensstämmer med tidigare fynd, observerades baserat på flera utplaceringar av MASCOT optisk profiler, och detaljerad analys av 2 datauppsättningar som registrerats under 2 Holosub uppstigningar separerade med 40 minuter, den första innehållande 7500 hologram (Ascent I), och den andra 12 500 hologram (Ascent II). Under tidigare studier, t.ex. Alldredge m.fl. (2002), uppmätt havssnö, fytoplankton och zooplanktonfördelning, och turbulent avledning, innefattade användning av flera profilerare provtagning olika volymer, och insamling av prover för efterföljande mikroskopisk analys. Turbulensparametrarna fastställdes indirekt, t.ex. dissipationshastigheten uppskattades genom att den uppmätta temperaturen effektspektra till Batchelor modell spektrum (Gibson & Schwarz 1963). Som tidigare nämnts, Alldredge et al. (2002) visade redan korrelationen mellan tunna lager med hög partikelkoncentration, förekomst av en pycnocline och låga turbulensnivåer. De visade också att zooplankton undviker lager som innehåller hög koncentration av marin snö. Digital hologra-phy och de förfaranden som infördes i detta papper gjorde det möjligt för oss att bestämma den rumsliga strukturen av partikelaggregeringar samt (direkt mätt) lokal skjuvning och turbulens som de utsätts för in situ. Som ett resultat avslöjade vi flera distinkta, finskalade korrelationer mellan fysiska parametrar, population och orientering av partiklar. Till exempel, vi bestämde effekten av lokal skjuvning på inriktningen av diatomkedjor, liksom skalor, antal och struktur av de stora Chaetoceros socialis kolonierna. Dessa unika resultat diskuteras nedan i 4 separata avsnitt, var och en med fokus på ett annat ämne. Resultaten visade att ett antal lager med förhöjda koncentrationer av små partiklar utvecklades i vattenpelaren. Ett tunt lager med betydande tidsmässig och rumslig sammanhållning identifierades vid den övre delen av en stark pycnocline. De särskilda partikeltoppar som låg djupare i vattenpelaren kunde inte identifieras som breda tunna lager eftersom de inte hade motsvarande signaturer från de optiska sensorerna. Även om en fullständig tidshistorik av dessa lager och tillhörande fysiska parametrar skulle vara nödvändig för en fullständig förståelse av faktorer som styr deras bildning och persistens, analys av den nuvarande datauppsättningen identifierade flera trender. Det tunna lagret var förknippat med ett stabilt stratifierat skjuvlager med låg upplösning. Dessa observationer överensstämmer med fältdata från t.ex. Sullivan och Al. (2010a), som visade att en majoritet av tunna lager bildas i närheten av pycnoclines. De instämmer också i slutsatserna från Prairie et al. (2001) En skarpare fytoplanktonkoncentrationsgradient, dvs. smalare lager, kookcur med låg blandning och skarpa densitet gradienter. Några av Chaetoceros socialis-kolonins toppar sammanföll med det breda tunna lagret samt flera av partikellagren, men vattenpelaren innehöll flera C. socialis-kolonins toppar med ut små partikelmaxima på dessa djup. Både den lilla partikeln och C. socialis toppar var företrädesvis belägna i regioner med låg skjuvning stam och avledningshastighet, nämligen i lager med minskningar i både turbulensinducerad erosion och blandning med surrningsvolym. De fysiska mekanismer som vanligtvis tillskrivs bildandet av inhomogeniteter, sammanfattas i Stacey et al. (2007), inkluderar silning av en fytoplankton patch (Osborn 1998), motility avbrott genom skjuvning (Durham et al. 2009 ), och flytkraft-inducerade återställande krafter (Franks 1992). Eftersom partiklarna inom det tunna lagret huvudsakligen bestod av icke-motila diatomceller och partiklar utan klorofyllinnehåll, uteslöts motilitetsbaserade mekanismer. Buyancy effekter, nämligen retention av partiklar längs en isopycnal av lika densitet, kan ha bidragit till bildandet av det tunna lagret, eftersom det tunna lagret var associerad med den dominerande pycnocline. Det är inte uppenbart hur partikellagren nedanför pycnocline bildas i första hand, och om de höga stamhastigheter som gränsar till dem spelade en roll i deras formation genom att klippa en initialt homogen fytoplankton patch (Birk et al. 2008)............................................................... Ett möjligt scenario är att ett minimum av skjuvningshastighet uppmuntrade den lokala bildandet av Chaetoceros socialis blommor, som i sin tur fungerade som en avskräckande för bete av zooplankton, så att mindre fytoplankton att växa. Faktum är att samtidig toppning av C. socialis och små partikelkoncentrationer, tillsammans med en låg koncentration av rovdjur, observerades på flera djup med låg skjuvstam och turbulensnivåer. De inträffade både under uppstigningen av holosuben i det tunna skiktet och i flera andra transienta skikt under det. Våra resultat visade att diatomkedjorna tydligt tenderade mot en horisontell inriktning, med undantag för regioner med hög skjuvningshastighet. Denna preferens kan förklaras av Jefferys (1992) teori om sfäroidernas rörelse i ett skjuvflöde. I ett lågt Reynolds tal likformigt skjuvflöde genomgår sfäroider periodiska rotationer när de störs av en horisontell jämviktsorientering. Deras vinkelhastighet, och rotationstiden T, anges av var t är tiden, är lutningsvinkeln, G är skjuvningshastighet, och r längdförhållandet för de långa till korta axlarna (r >> 1). Eq. Vad är det? (1) visar att vinkelhastigheten är minimal för  på = 0, vilket innebär att en stor del av rotationsperioden används i riktningar nära de lokala strömningarna, dvs. horisontellt. Formen av många marina planktoniska diatomer avviker från de sfäroider som används för att utveckla Eq. (1) och de utsätts för varierande skjuvhastigheter och turbulensnivåer. Formeffekterna minskar rotationsperioderna, även om det funktionella beroendet av G och r fortfarande överensstämmer med det i Eq. 1) (Karp-Boss & Jumars 1998)........................................................................................ Turbulens borde förmodligen randomisera kedjeorienteringen. I vissa, men 47 Mar Ecol Prog Ser 473: 29-51, 2013 inte alla regioner med hög skjuvning och spridningshastighet, blev orienteringsfördelningen nästan slumpmässig (Fig. 17b)................................................................. Omvänt, i regioner med låg skjuvning och disipation, blev inriktningen företrädesvis horisontell, i överensstämmelse med konsekvenserna av Eq. 1 )............................................................................................................... Den statistiska signifikansen av den senare observationen bekräftas med hjälp av Pearsons chi-square-test. Med undantag för regioner med hög skjuvning och turbulens visade de längre kedjorna dessutom en högre tendens att ligga nästan horisontellt i linje med kortare kedjor, vilket också stämmer överens med ekv. 1 )............................................................................................................... Trots de förenklade antagandena förutsäger Jefferys modell trender som överensstämmer med våra observationer av diatomkedjornas in situ-orientering. Det är intressant att lägga märke till en undersökning som nyligen gjorts av Marcos et al. (2011) Använde experiment och modellering för att visa att i en mycket mindre skala, långsträckta mikrober utsätts för en laminär skjuvning är också företrädesvis i linje med flödesriktningen. Långsam förlisning av diatomkedjor i vattenpelaren kan också förklara den tidigare nämnda företrädesorienteringen, även om in situ mätningarna i denna studie inte kunde avgöra om diatomkedjorna verkligen var negativt flytande. Tidigare studier (Padisak et al. 2003) visade att styva cylindrar, med dimensioner och specifik gravitation liknande diatomkedjornas, bibehåller sin orientering medan de långsamt sjunker (Stokes-flödet) i ett tystgående flöde. Dessutom minskade sjunkhastigheten avsevärt med minskande orienteringsvinkel och ökande bildförhållande. En lägre sjunkande hastighet innebär förmodligen längre flygtid genom en viss region, och följaktligen en prioriterad ansamling av kedjor med låga lutningsvinklar i regioner med låg skjuvning, som är mer uttalad för långa kedjor. Detta resonemang är förenligt med den övervägande närahorisontella orienteringen nära det tunna skiktet samt i andra områden av skjuvning/dissipation minima. Det fanns dock inga tecken på ackumulering i regioner med låg skjuvning. I själva verket verkade flera minima i lutningsvinkel sammanfalla med eller var belägna strax under (~0.1 m) koncentrationsgradienter (Fig. 13), vilket tyder på att ytterligare faktorer var inblandade, t.ex. Inverkan av turbulens på avvecklingsfrekvensen. Icke-slumpmässig anpassning av diatomkedjor i vattenpelaren har avgörande återverkningar på det omgivande ljusfältet och tillhörande inneboende optiska egenskaper. När icke-sfäriska partiklar företrädesvis är i linje, kan de påverka volymspridning funktion, särskilt genom en förstärkning av backscattering (b b ) (Marcos et al. 2011)................................................................. Detta fenomen kan få återverkningar på fjärranalysprodukter, där reflektansen är ungefär proportionell till b/(a + b ) (Gordon et al. 1975), en varelse absorptionskoefficienten. Dessutom, övergripande ljusöverföring genom vattenpelaren kan påverkas, potentiellt förändra lokala växtplankton tillväxtdynamik. Såvitt vi vet är denna studie den första demonstrationen av preferensanpassning av stora koloniala fytoplankton i en naturlig miljö, tillsammans med samtidiga direkta mätningar av skjuvning och avledningshastigheter. I båda uppstigningarna uppvisade det tunna lagret med höga koncentrationer av partiklar och Chaetoceros socialis i närheten av pycnocline en låg koncentration av zooplankton. Zoplankton verkade också undvika de andra skikten med förhöjda partikelkoncentration av Ascent II, och flera, men inte alla, av partikeltopparna av Uppstigning I. Undvikande av höga koncentrationer fytoplankton lager av zooplankton är förenligt med resultaten av Holliday et al. (2003), som rapporterade att trampod Acartia tonsa ackumuleras på båda sidor av klorofyll ett lager, och att mysid räkor undviker tunna lager av Chaetoceros socialis. Dessutom visade Fiedlers (1982) provtagningsbaserad fältstudie att makro-zooplankton undviker fytoplanktonlager, medan fältdata rapporteras i Sullivan et al. (2010a) indikerade att klorofyllet en biomassa i tunna lager har en genomgående lägre grad av utarmning jämfört med resten av vattenpelaren. Dessa observationer tyder på att åtminstone i vissa fall kan skikt med hög partikelkoncentration avskräcka betet. Det finns ett antal möjliga orsaker till skillnaderna mellan de partikelantal som erhålls med hjälp av cytometri och holografisk mikroskopi ombord. För både ytan och 4,5 m djupa prover var flödescytometriresultaten genomgående högre, men i samma storleksordning som för holografisk mikroskopi. Eftersom båda uppsättningarna visade liknande trender, antar vi att avvikelsen inte orsakades av variationer mellan de delprover som användes för de olika teknikerna. Eftersom avvikelsen utvidgades till intervallet 20–200 μm, för vilket de rekonstruerade partikelbilderna redan upptog minst 12 × 12 pixlar, och bilderna var tydliga och visade tydliga former, är det dessutom osannolikt att avvikelsen orsakades av holografisystemets upplösningsgränser. För att verifiera detta, jämförde vi 48 Talapatra et al.: Holografi i oceanvattenpelaren variationer i koncentration med avstånd från hologramplanet, vilket påverkade upplösningen för små partiklar (Sheng et al. 2006 )................................................................................................................. Resultaten, baserade på analys av 500 hologram, visade en genomsnittlig minskning av koncentrationen på ~1% för varje millimeter avstånd från hologramplanet för partiklar <10 μm, och en försumbar minskning för större. Det var därför inte heller troligt att upplösningsgränser för små partiklar skulle orsaka avvikelsen. En möjlig förklaring till denna skillnad kan ha varit sedimenteringen av icke-neutralt flytande partiklar i de stationära vattenprover som placerats i cuvetten, eftersom den låg ostörd i ~15 min innan vi spelade in hologram. Nyligen genomförda laboratorieobservationer bekräftade att sedimenteringen av 10 μm partiklar i stationära prover faktiskt minskade antalet partiklar i mitten av provvolymen med tiden. För framtida studier kan mild cirkulation lösa detta problem. Det finns flera möjliga orsaker till skillnaden mellan de partikelantal som Holosuben förvärvat och de som baseras på det prov som samlats in vid 4,5 m. Först utfördes mätningarna på platser som ligger > 500 m ifrån varandra. För det andra bör den lägre förstoringen, 3,9 μm pixel −1, allvarligt påverka förmågan att detektera partiklar <10 μm, och i viss mån upp till 20 μm, särskilt med ökande avstånd från hologramplanet. Baserat på de uppmätta variationerna i partikelkoncentrationen med avstånd från hologramplanet i in situ resultaten, med hjälp av data från 100 hologram, den genomsnittliga minskningen i antal för 10-20 μm partiklar var 0,17% mm -1. För ett 10 cm djupt prov orsakade denna signaldämpning en genomsnittlig förlust av data på 13,5%. För partiklar > 20 μm var signaldämpningen försumbar. Således var dämpning av signalen en bidragsgivare, men inte till den nivå som skulle förklara skillnaden mellan in situ och ombord mikroskopisk analys. För det tredje, jämfört med holosuben, som räknade partiklar i sitt naturliga tillstånd med minimal störning, kan provtagningen och efterföljande analys ha orsakat en del brott, särskilt för de stora kolonierna, kedjorna och spröda detritala partiklar. Ett sådant brott skulle öka antalet partiklar. Ja, proverna av Chaetoceros socialis kolonier undersökte holografiskt ombord verkade vara betydligt mindre än de in situ kolonier, och hade flera brutna cellbindningar, som ses i Fig. Detta anslag är avsett att täcka utgifter för tjänstemän och tillfälligt anställda som arbetar inom politikområdet Migration och inrikes frågor. Dock observerades även obrutna stora kolonier i de insamlade proverna, och som ett resultat av detta är brytpunktens inverkan på antalet inte klarlagd. Slutligen visade proverna ombord att det utrymme som de stora C. Socialis kolonierna hade också innehöll många små partiklar, som inte var en del av själva kolonin. De redovisades därför inte i analysen av in situ-uppgifter. När proverna samlades in, och kolonin blev delvis fragmenterad, spreds åtminstone en del av dessa partiklar i provvolymen och räknades separat. Den nuvarande studien har lärt oss att en del av procedurerna bör ändras i framtida studier. Till exempel, upplösningen av in situ hologram, åtminstone för en av vyerna, bör ökas till ca 1 μm pixel −1. Dessutom bör de vattenprover som används för mikroskopiska observationer och taxonomi samlas in samtidigt och på plats som in situ-studierna, och under den ombord-holografiska avbildningen, provet måste ständigt agiteras för att förhindra sedimentering av partiklar. Provtagning av vattnet med hjälp av CTD bör utföras på samma höjd som provvolymen. Att ha en hastighetssensor ombord, såsom en ADV för att mäta plattformens rörelse i förhållande till det lokala flödet skulle också vara fördelaktigt. Vi har redan installerat systemet tillsammans med en ADV, men bara när det användes i profileringsläge. Slutligen visar denna analys att på grund av de komplexa miljöer som är inneboende i kusthavet, en ökad förståelse för orsakerna och effekterna i samband med rumslig fördelning av partiklar och organismer avsevärt förbättras genom samtidig användning av flera kompletterande instrument som löser fysik, kemi och biologi i rum och tid, och lösa partiklar i deras ostörda, naturliga tillstånd.
Detta beslut träder i kraft dagen efter det att det har offentliggjorts i Europeiska unionens officiella tidning. REF använde en nedsänkbar holografisk anordning för att mäta partiklarnas storlek och rumsliga fördelning i en 15 m vattenpelare.
Characterization of biophysical interactions in the water column using in situ digital holography
{'venue': None, 'journal': 'Marine Ecology Progress Series', 'mag_field_of_study': ['Biology']}