10.6. Плотность вод и их перемешивание

10.6.1. Факторы, определяющие плотность морской воды

Известно, что плотность морской воды больше плотности пресной воды — 1000 кг/м³ (см. разд. 1.3.2, рис. 1.5), что связано с соленостью морской воды. Плотность воды зависит также от температуры и давления (глубины). Формально эту зависимость можно выразить формулой  = f(S, T, р). Повышение температуры воды (при температуре выше температуры наибольшей плотности) уменьшает ее плотность (см. разд. 1.3.2). Под влиянием давления с глубиной плотность морской воды увеличивается, хотя и весьма слабо, из-за очень малого коэффициента сжимаемости воды. Связь плотности морской воды с температурой, соленостью и давлением называется уравнением состояния морской воды, точные алгоритмы расчета плотности приводятся в специальных океанографических таблицах.

В практических расчетах неудобно оперировать многозначными значениями, изменяющимися лишь в последних знаках (например, 1026,34 кг/м³). Поэтому в океанологии для упрощения вычислений введено понятие условной плотности, которую получают из истинной по формуле

σ_Т=-1000 или σ_Т=(-1) • 10³. (10.5)

Таким образом, практически пользуются цифрами, содержащими лишь последние знаки величин, т. е., например, не 1026,34, а 26,34.

Приняты различные формы записи условной плотности в зависимости от задачи. Если рассматривается плотность воды в данной точке в толще океана, т. е. с учетом давления (in situ), условную плотность записывают с индексами S, T, р : σ_STp. Если не учитывать давления воды океана, условную плотность записывают с индексами σ_ST или просто σ_Т. Это означает, что условная плотность в данном случае зависит лишь от солености и температуры.

Кроме условной плотности для характеристики плотности используют понятие удельного объема  — величины, обратной плотности, т. е. = 1/.

10.6.2. Распределение плотности в Мировом океане

Распределение плотности воды на поверхности океана. Поскольку плотность зависит от температуры и солености воды, распределение ее связано с распределением температуры и солености (см. рис. 10.2 и 10.5).

Наиболее общие закономерности распределения плотности воды на поверхности, следующие: плотность увеличивается от экватора в сторону полюсов (до 50—60° широты). Это связано с тем, что главная роль в формировании плотности воды при сравнительно высокой температуре принадлежит термическому фактору, и поэтому распределение плотности от экватора к полюсам следует распределению температуры воды. Условная плотность, равная вблизи экватора 22—23 кг/м³, увеличивается до 26—27 кг/м³ на 50—60° северной и южной широты. Плотность несколько уменьшается в более высоких северных широтах вследствие уменьшения солености, поскольку при низких температурах вклад изменений солености в изменения плотности превышает влияние термического фактора.

Общие закономерности распределения плотности связаны и с глобальной системой перемещения вод в Мировом океане. В высоких широтах вследствие охлаждения вод развивается вертикальная циркуляция (конвекция), приводящая к опусканию холодных вод и к перемещению их в глубинных слоях к экватору. На поверхности океана движение вод направлено от экватора к высоким широтам.

Вертикальное распределение плотности воды. С глубиной плотность воды в океанах увеличивается (прямая стратификация), именно этим обеспечивается вертикальное равновесие вод. При нарушении прямой стратификации возникают конвекция и перемешивание слоев воды. Обратная стратификация плотности — явление весьма кратковременное. Наблюдается иногда также полная однородность слоев по плотности — нейтральное равновесие.

В экваториальном поясе наиболее резкое возрастание σ_T с глубиной отмечается на нижней границе верхнего опресненного и наиболее прогретого слоя до глубины 100—200 м. В умеренных широтах распределение плотности по глубине более равномерно, а в высоких широтах снова появляется слой резкого повышения плотности с глубиной — слой скачка — из-за существования поверхностного опресненного слоя.