المنطقة الضوئية

المنطقة الضوئية (أو المنطقة المضاءة ، أو المنطقة السطحية ، أو منطقة ضوء الشمس ) هي الطبقة العليا من المسطحات المائية التي تستقبل ضوء الشمس ، مما يسمح للعوالق النباتية بالقيام بعملية التمثيل الضوئي . وتخضع هذه المنطقة لسلسلة من العمليات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية التي تُغذي الطبقات العليا من عمود الماء . وتُعد المنطقة الضوئية موطنًا لمعظم الكائنات المائية نظرًا لنشاط العوالق النباتية ( الإنتاج الأولي ). ويختلف سُمك المنطقتين الضوئية والمضاءة باختلاف شدة ضوء الشمس تبعًا للموسم وخط العرض، وكذلك تبعًا لدرجة عكارة الماء. أما المنطقة السفلى، أو المنطقة المظلمة، فهي منطقة الظلام الدائم التي تقع أسفل المنطقة الضوئية، وتشمل معظم مياه المحيط. ^{[ 1 ]}

في المنطقة الضوئية، يتجاوز معدل التمثيل الضوئي معدل التنفس. ويعود ذلك إلى وفرة الطاقة الشمسية التي تستخدمها الكائنات المنتجة الأولية ، كالعوالق النباتية، كمصدر للطاقة في عملية التمثيل الضوئي. تنمو هذه العوالق النباتية بسرعة فائقة نتيجة لتأثير ضوء الشمس القوي، مما يُمكّنها من التكاثر بمعدل سريع. في الواقع، تحدث 95% من عمليات التمثيل الضوئي في المحيط ضمن المنطقة الضوئية. لذا، إذا توغلنا إلى أعماق أكبر، خارج المنطقة الضوئية، وصولاً إلى نقطة التعويض ، نجد أن العوالق النباتية قليلة أو معدومة، بسبب نقص ضوء الشمس. ^{[ 2 ]} تُسمى المنطقة الممتدة من قاعدة المنطقة الضوئية إلى المنطقة المظلمة أحيانًا بالمنطقة المظلمة. ^{[ 3 ]}

يعيش تسعون بالمئة من الكائنات البحرية في المنطقة الضوئية، التي يبلغ عمقها حوالي مئتي متر. يشمل ذلك العوالق النباتية (النباتات)، بما في ذلك السوطيات الدوارة ، والدياتومات ، والبكتيريا الزرقاء ، والكوكوليثوفورات ، والكريبتومونادات . كما يشمل العوالق الحيوانية ، وهي الكائنات المستهلكة في المنطقة الضوئية. يوجد منها حيوانات لاحمة تتغذى على اللحوم، وأخرى عاشبة تتغذى على النباتات. تليها مجدافيات الأرجل ، وهي قشريات صغيرة تنتشر في جميع أنحاء المنطقة الضوئية. وأخيرًا، هناك السابحات (حيوانات قادرة على الحركة، مثل الأسماك والحبار وسرطان البحر)، وهي أكبر الحيوانات وأكثرها وضوحًا في المنطقة الضوئية، ولكن عددها هو الأقل بين جميع المجموعات. ^{[ 4 ]} العوالق النباتية هي نباتات مجهرية تعيش معلقة في عمود الماء، ولديها قدرة محدودة أو معدومة على الحركة. وهي منتجات أولية تستخدم الطاقة الشمسية كمصدر للغذاء.

تُعدّ الكائنات المُتغذية على الفتات والكائنات الكانسة نادرة في المنطقة الضوئية. يبدأ التحلل الميكروبي للكائنات الميتة هنا، ويستمر بعد غرقها إلى المنطقة المظلمة، حيث تُشكّل المصدر الأهم للعناصر الغذائية لكائنات أعماق البحار. ^{[ 5 ]} يعتمد عمق المنطقة الضوئية على شفافية الماء. فإذا كان الماء صافيًا جدًا، قد تصبح المنطقة الضوئية عميقة جدًا. أما إذا كان عكرًا جدًا، فقد لا يتجاوز عمقها خمسة عشر مترًا (خمسين قدمًا).

تستخدم الحيوانات التي تعيش في المنطقة الضوئية دورة الضوء والظلام كإشارة بيئية مهمة، وترتبط الهجرة ارتباطًا وثيقًا بهذه الحقيقة. تستخدم الأسماك مفهوم الغسق والفجر لتحديد وقت هجرتها، وتشبه المنطقة الضوئية هذا المفهوم، مما يوفر إحساسًا بالوقت. ومن هذه الحيوانات الرنجة والسردين وغيرها من الأسماك التي تعيش باستمرار في المنطقة الضوئية. ^{[ 6 ]}

بسبب الامتصاص البيولوجي، تتميز المنطقة الضوئية بانخفاض نسبي في تركيزات المغذيات. ونتيجة لذلك، لا يحصل العوالق النباتية على ما يكفي من المغذيات في ظل استقرار عمود الماء. ^{[ 7 ]} يمكن التحكم في التوزيع المكاني للكائنات الحية بواسطة عدد من العوامل. تشمل العوامل الفيزيائية: درجة الحرارة، والضغط الهيدروستاتيكي، والخلط المضطرب مثل التدفق المضطرب الصاعد للنيتروجين غير العضوي عبر طبقة المغذيات. ^{[ 8 ]} تشمل العوامل الكيميائية الأكسجين والعناصر النزرة. أما العوامل البيولوجية فتشمل الرعي والهجرة. ^{[ 9 ]} تحمل تيارات الصعود المغذيات من المياه العميقة إلى المنطقة الضوئية، مما يعزز نمو العوالق النباتية. ويؤدي إعادة الخلط وتيارات الصعود في النهاية إلى إعادة النفايات الغنية بالمغذيات إلى المنطقة الضوئية. كما يجلب نقل إيكمان المزيد من المغذيات إلى المنطقة الضوئية. ويؤثر تواتر نبضات المغذيات على تنافس العوالق النباتية، حيث ينتج التمثيل الضوئي المزيد منها. باعتبارها الحلقة الأولى في السلسلة الغذائية، فإن ما يحدث للعوالق النباتية يُحدث أثراً متتالياً على الكائنات الحية الأخرى. فإلى جانب العوالق النباتية، تعيش العديد من الحيوانات الأخرى في هذه المنطقة وتستفيد من هذه العناصر الغذائية. وتتركز غالبية الحياة البحرية في المنطقة الضوئية، وهي أصغر مناطق المحيط من حيث حجم المياه. وعلى الرغم من صغر حجمها، فإن للمنطقة الضوئية تأثيراً كبيراً على الكائنات التي تعيش فيها.

يُعرَّف العمق بأنه المنطقة التي يتلاشى فيها الإشعاع إلى 1% من قوته السطحية. ^{[ 10 ]} وبناءً على ذلك، يعتمد سمكه على مدى توهين الضوء في عمود الماء. ونظرًا لأن الضوء الساقط على السطح قد يختلف اختلافًا كبيرًا، فإن هذا لا يُشير كثيرًا إلى النمو الصافي للعوالق النباتية. تتراوح أعماق المنطقة الضوئية النموذجية من بضعة سنتيمترات فقط في البحيرات الغنية بالمغذيات والعكرة للغاية ، إلى حوالي 200 متر في المحيط المفتوح . كما أنها تتغير مع التغيرات الموسمية في العكارة، والتي قد تتأثر بشدة بتركيزات العوالق النباتية ، بحيث غالبًا ما ينخفض ​​عمق المنطقة الضوئية مع زيادة الإنتاج الأولي . علاوة على ذلك، فإن معدل التنفس في الواقع أكبر من معدل التمثيل الضوئي. تكمن أهمية إنتاج العوالق النباتية في دورها البارز عند تداخلها مع الشبكات الغذائية الأخرى .

أظهرت دراسة أجرتها جامعة بيتسبرغ أن المنطقة الضوئية شهدت عتامة ملحوظة في السنوات الأخيرة بين عامي 2003 و2022 ^{[ 11 ]} ، حيث أصبح لون المحيط أكثر اخضرارًا، لا سيما في المحيطات الواقعة عند خطوط العرض المنخفضة. ^{[ 12 ]} ورغم أن الباحثين غير متأكدين من السبب، إلا أنه يُرجّح على نطاق واسع أن يكون ذلك بسبب تغير المناخ . وتوجد استنتاجات متضاربة حول ما إذا كانت درجات الحرارة المرتفعة وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون المتزايدة تؤدي إلى انخفاض ^{[ 13 ] [ 14 ]} أو زيادة ^{[ 11 ]} في الإنتاجية الأولية. وعلى الرغم من أن هذا التغير في لون المحيط قد تم التنبؤ به من خلال النمذجة في عام 2010، ^{[ 15 ]} إلا أنه لم يتم تأكيده إلا بعد أن أتاحت التقنيات الجديدة القائمة على الأقمار الصناعية إمكانية رصده في عام 2023. ^{[ 16 ]}

على الرغم من أن تغير المناخ قد يكون السبب الجذري، فقد وضع الباحثون نظرياتٍ تُفسر تحديدًا ما يُسبب هذا الاخضرار وما يتبعه من تغير في عمق المنطقة الضوئية، بما في ذلك اختلال توازن العوالق النباتية والحيوانية والطحالب وغيرها من الكائنات الدقيقة؛ ^{[ 17 ] [ 18 ]}  وزيادة التطبق الحراري للمحيطات ؛ ^{[ 16 ] [ 19 ]}  وتغيرات في دوران تيارات المحيطات. ^{[ 20 ] [ 21 ]}  وقد تُؤدي هذه التغيرات مجتمعةً إلى زيادة كمية المواد العضوية الملونة الذائبة، وهو ما يُفسر اخضرار المحيطات. ^{[ 11 ]} ويختلف الباحثون حول ما إذا كان للجريان السطحي من اليابسة أي تأثير يُذكر على هذا الاخضرار ^{[ 22 ]،} حيث يرى البعض أنه واسع الانتشار للغاية ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 16 ]} بحيث لا يُمكن اعتباره عاملًا رئيسيًا.

تقع معظم الطاقة الشمسية التي تصل إلى الأرض ضمن نطاق الضوء المرئي، بأطوال موجية تتراوح بين 400 و700  نانومتر تقريبًا. لكل لون من ألوان الضوء المرئي طول موجي فريد، وتشكل هذه الألوان مجتمعةً الضوء الأبيض. تقع أقصر الأطوال الموجية في طرفي الطيف البنفسجي والأشعة فوق البنفسجية، بينما تقع أطولها في طرفي الطيف الأحمر والأشعة تحت الحمراء. وفيما بين هذين الطرفين، تشمل ألوان الطيف المرئي الألوان المألوفة "ROYGBIV"؛ الأحمر، البرتقالي، الأصفر، الأخضر، الأزرق، النيلي، والبنفسجي. ^{[ 24 ]}

يمتص الماء الضوء الساقط عليه بكفاءة عالية، لذا تتناقص كمية الضوء التي تخترق المحيط بسرعة (تضعف) مع ازدياد العمق. فعلى عمق متر واحد، لا يتبقى سوى 45% من الطاقة الشمسية الساقطة على سطح المحيط. وعلى عمق 10 أمتار، لا يتبقى سوى 16% من الضوء، ولا يتبقى سوى 1% من الضوء الأصلي على عمق 100 متر. ولا يخترق الضوء أي عمق يتجاوز 1000 متر. ^{[ 24 ]}

إضافةً إلى التوهين الكلي، تمتص المحيطات أطوال موجات الضوء المختلفة بمعدلات متفاوتة. تتوهّن أطوال الموجات في أقصى طرفي الطيف المرئي أسرع من تلك الموجودة في منتصفه. تُمتص الأطوال الموجية الأطول أولاً؛ يُمتص اللون الأحمر في الطبقة العليا التي لا تتجاوز 10 أمتار، والبرتقالي في الطبقة التي لا تتجاوز 40 مترًا، بينما يختفي اللون الأصفر قبل بلوغ 100 متر. أما الأطوال الموجية الأقصر فتخترق أعماقًا أكبر، حيث يصل الضوء الأزرق والأخضر إلى أعمق نقطة. ^{[ 24 ]}

لهذا السبب تبدو الأشياء زرقاء تحت الماء. تعتمد كيفية إدراك العين للألوان على أطوال موجات الضوء التي تستقبلها. يبدو الجسم أحمر للعين لأنه يعكس الضوء الأحمر ويمتص الألوان الأخرى، وبالتالي فإن اللون الوحيد الذي يصل إلى العين هو الأحمر. الأزرق هو اللون الوحيد المتاح للضوء في أعماق المياه، لذا فهو اللون الوحيد الذي يمكن أن ينعكس عائدًا إلى العين، وكل شيء يكتسب مسحة زرقاء تحت الماء. لن يظهر لنا الجسم الأحمر في الأعماق أحمر اللون لعدم وجود ضوء أحمر ينعكس عنه. تظهر الأجسام في الماء بألوانها الحقيقية فقط بالقرب من السطح حيث تتوفر جميع أطوال موجات الضوء، أو إذا تم توفير أطوال موجات الضوء الأخرى بشكل اصطناعي، كما هو الحال عند إضاءة الجسم بضوء الغوص. ^{[ 24 ]}

يبدو الماء في المحيط المفتوح صافيًا وأزرق اللون لاحتوائه على كمية أقل بكثير من المواد العالقة ، مثل العوالق النباتية وغيرها من الجسيمات العالقة، وكلما كان الماء أكثر صفاءً، زاد عمق اختراق الضوء. يخترق الضوء الأزرق الماء بعمق ويتشتت بفعل جزيئات الماء، بينما تُمتص جميع الألوان الأخرى؛ ولذلك يبدو الماء أزرق اللون. من ناحية أخرى، غالبًا ما يبدو الماء الساحلي مائلًا إلى اللون الأخضر. يحتوي الماء الساحلي على كميات أكبر بكثير من الطمي العالق والطحالب والكائنات الحية الدقيقة مقارنةً بالمحيط المفتوح. تمتص العديد من هذه الكائنات، مثل العوالق النباتية، الضوء في نطاق اللونين الأزرق والأحمر من خلال أصباغها الضوئية، مما يجعل اللون الأخضر هو الطول الموجي السائد للضوء المنعكس. لذلك، كلما زاد تركيز العوالق النباتية في الماء، بدا أكثر خضرة. قد تمتص جزيئات الطمي الصغيرة أيضًا الضوء الأزرق، مما يزيد من انحراف لون الماء عن اللون الأزرق عند وجود تركيزات عالية من الجسيمات العالقة. ^{[ 24 ]}

يمكن تقسيم المحيط إلى طبقات عمق مختلفة تبعًا لكمية الضوء المتغلغل، كما هو موضح في منطقة أعماق البحار . تُعرف الطبقة العليا التي يصل عمقها إلى 200 متر بالمنطقة الضوئية أو منطقة الضوء الكامل. تمثل هذه المنطقة المساحة التي يخترقها ضوء كافٍ لدعم عملية التمثيل الضوئي، وهي تُقابل منطقة أعماق البحار السطحية. من 200 إلى 1000 متر تقع المنطقة المظلمة، أو منطقة الشفق (التي تُقابل منطقة أعماق البحار المتوسطة). يوجد بعض الضوء في هذه الأعماق، ولكنه غير كافٍ لدعم عملية التمثيل الضوئي. تحت عمق 1000 متر تقع المنطقة المظلمة (أو منطقة منتصف الليل)، حيث لا يخترق الضوء أي جزء من المحيط. تشمل هذه المنطقة الجزء الأكبر من المحيط، الذي يسوده ظلام دامس. ^{[ 24 ]}

العوالق النباتية كائنات دقيقة وحيدة الخلية تُشكل قاعدة السلاسل الغذائية في المحيطات . يهيمن عليها الدياتومات ، التي تنمو لها أصداف سيليكاتية تُسمى الفروستولات . عندما تموت الدياتومات، تستقر أصدافها في قاع البحر وتتحول إلى أحافير دقيقة . بمرور الزمن، تُدفن هذه الأحافير الدقيقة على شكل رواسب أوبال في الرواسب البحرية . علم المناخ القديم هو دراسة المناخات الماضية. تُستخدم البيانات غير المباشرة لربط العناصر التي جُمعت في عينات رسوبية حديثة بالظروف المناخية والمحيطية في الماضي. تشير مؤشرات المناخ القديم إلى علامات فيزيائية محفوظة أو متحجرة تُستخدم كبدائل للقياسات المناخية أو المحيطية المباشرة. ^{[ 25 ]} من الأمثلة على المؤشرات غير المباشرة استخدام سجلات نظائر الدياتومات δ13C و δ18O و δ30Si ( δ13C _{في الدياتومات} ، وδ18O _{في الدياتومات} ، وδ30Si _{في الدياتومات} ). في عام 2015، استخدم سوان وسنيلينج هذه السجلات النظيرية لتوثيق التغيرات التاريخية في ظروف المنطقة الضوئية في شمال غرب المحيط الهادئ ، بما في ذلك إمدادات المغذيات وكفاءة المضخة البيولوجية للأنسجة الرخوة ، من العصر الحديث وصولًا إلى المرحلة النظيرية البحرية 5e ، التي تتزامن مع آخر فترة بين جليدية . ترتبط ذروة إنتاج الأوبال في المرحلة النظيرية البحرية بانهيار التطبق الملحي الإقليمي وزيادة إمدادات المغذيات إلى المنطقة الضوئية. ^{[ 26 ]}

The initial development of the halocline and stratified water column has been attributed to the onset of major Northern Hemisphere glaciation at 2.73 Ma, which increased the flux of freshwater to the region, via increased monsoonal rainfall and/or glacial meltwater, and sea surface temperatures.^{[27][28][29][30]} The decrease of abyssal water upwelling associated with this may have contributed to the establishment of globally cooler conditions and the expansion of glaciers across the Northern Hemisphere from 2.73 Ma.^[28] While the halocline appears to have prevailed through the late Pliocene and early Quaternaryglacial–interglacial cycles,^[31] other studies have shown that the stratification boundary may have broken down in the late Quaternary at glacial terminations and during the early part of interglacials.^{[32][33][34][35][36][26]}

An increase in the amount of phytoplankton also creates an increase in zooplankton, the zooplankton feeds on the phytoplankton as they are at the bottom of the food chain.^[37]

Phytoplankton are largely restricted to the photic zone, as their growth is primarily dependent upon photosynthesis. This results in phytoplankton primarily occupying the uppermost 50-100 m of the water column. However, diatoms can survive after sinking, and cells have been observed alive thousands of meters down in the water column.^[38] They are generally not actively photosynthesizing at these depths due to lack of light availability, but are able to persist in a resting stage. Phytoplankton growth within the photic zone can also be influenced by terrestrial factors, like the weathering of crustal rocks or nutrients from the respiration of plants and animals on land that are carried to the ocean via runoff or riverine input.^[37]

Phytoplankton move within the photic zone, and many sink over time, with an average sinking rate of 150 m per day. ^[39][40] Light access can affect phytoplankton sinking rates through its involvement in photosynthetic activity and energy regulation. Phytoplankton utilize light energy for growth, and where that energy is allocated has been found to change as light availability increases. In areas of higher light, phytoplankton can invest energy in storage compounds, such as lipids.^[41] Lipids have a lower density and are involved in buoyancy regulation. With more lipids present, the cellular weight decreases, enabling the sinking rate of the phytoplankton to slow. While migration is more common in zooplankton, some motile phytoplankton will engage in diel vertical migration (DVM), where they migrate upwards in the water column during the day to maximize photosynthetic activity, and descend in dark hours.^[42]

Phytoplankton play a central role in the biological carbon pump (BCP). They fix CO₂ at the surface, and through sinking, transport this carbon out of the photic zone.^[43] About 10–20% of this carbon sinks below the photic zone, and less than 1% reaches the seafloor.^[44]

Dimethylsulfide loss within the photic zone is controlled by microbial uptake and photochemical degradation.

• Aquatic photosynthesis
• Electromagnetic absorption by water
• Epipelagic fish
• Mesophotic coral reef