книги из ГПНТБ / Степанов В.Н. Мировой океан. Динамика и свойства вод

морях между Восточногренландским течением (выносящим основную массу арктических вод и льдов) и теплым Атлан­ тическим течением (являющимся продолжением Североат­ лантического течения после отделения от него течения Ир­ мингера ).

Южноциклоническая система представляет собой слабо выраженный общий круговорот, образующийся между Цир­ кумполярным и Прибрежным антарктическими течениями. Последнее возникаетпод влиянием преобладающих юго-во­ сточных ветров, обусловленных барическим максимумом над Антарктидой, и переносит воды и льды на запад. Скорость его невелика — от 2—3 до 10—15 см/сек, устойчивость 25% и менее.

В пределах этой системы также намечается несколько са­ мостоятельных циклонических круговоротов, создающихся в тех местах, где искривление побережья Антарктиды вызывает отклонение Прибрежного течения к северу. Возникающая при этом завихренность приводит к отклонению ветвей Цир­ кумполярного течения, замыкающих циклонические системы с востока и компенсирующих вынос антарктических вод и льдов к северу. Самый крупный круговорот (около 1500 км в поперечнике) образуется в море Уэдделла, где далеко выда­ ющийся полуостров Греэма преграждает Прибрежному ан­ тарктическому течению путь на запад. Аналопичны условия в море Росса. Еще два относительно небольших круговорота обнаружены расчетами геострофического течения на юго-за­ паде и юго-востоке Индийского океана.

Интенсивность обмена вод в циклонических системах зна­ чительно больше в Северном полушарии, чем в Южном. При­ чина тому — различие в распределении воды и суши, обуслов­ ливающее большую меридиональную составляющую в пере­ носе воды и воздуха. В северной части Атлантического океа­ на в водообмен между высокими и низкими широтами вклю­ чаются обширные массы полярных вод, на смену которым в высокие широты выносятся воды тропического происхожде­ ния. При небольшой ширине и глубине Берингова пролива водообмен с Северным Ледовитым океаном довольно ограни­ чен, отчего интенсивность обращения вод в Тихом океане меньше, чем в Атлантическом. В Южном полушарии масса полярных вод сравнительно невелика, и они не уходят сколь­ ко-нибудь далеко за пределы своего формирования. Не при­ носятся сюда в поверхностных слоях и тропические воды.

93

Межзональный обмен в Южном полушарии осуществляется почти целиком за счет промежуточных и глубинных вод.

Антициклоническая арктическая система. Имея размеры,, близкие к размерам систем обращения вод в крупных морях, она является одним из основных элементов общей циркуля­ ции вод и льдов Северного Ледовитого океана. Она сильно зависит от полярного барического максимума в притихоокеанской части Арктического бассейна. Под его влиянием, уси­ ливающимся ложбиной Исландского минимума (далеко про­ стирающейся в Северный Ледовитый океан), возникает гене­ ральное Западное арктическое течение.

Подобно Прибрежному антарктическому течению, оно осуществляет общее перемещение вод и льдов с востока на запад по всей полярной акватории. Западное арктическое те­ чение берет свое начало в районе о. Элсмир, идет севернее Канадского арктического архипелага и Аляски, а затем вдоль северной окраины евразийских морей к проливу Нансена (между Гренландией и Шпицбергеном). Продолжением его служит Восточногренландское течение. Ветвью Западного те­ чения, по-видимому, можно считать и холодное Баффиново течение, формирующееся главным образом за счет выноса арктических вод через проливы Канадского арктического ар­ хипелага. Продолжением его служит Лабрадорское течение.

В Арктическом бассейне от Западного течения к северу от Чукотского моря отделяется Полярное течение, направляю­ щееся через район Северного полюса к Гренландии. Здесь одна часть вод Полярного течения уходит к проливу Нансе­ на, а другая—вовлекается в генеральный западный поток. Таким образом, замыкается антициклонический круговорот вод, обра­ зуемый Западным течением и его полярной ветвью. В созда­ нии антициклонической системы, возможно, немалую роль иг­ рает хребет Ломоносова, довольно близко подходящий к по­ верхности океана.

С арктическим обращением вод связаны и североциклони­ ческие системы. Тихоокеанское течение (ветвь североокеани­ ческого), проникая через Берингов пролив в Чукотское море, выходит затем в Арктический бассейн и сливается с Запад­ ным течением. Тем самым связывается обращение поверхно­ стных вод Атлантического и Тихого океанов.

Западное арктическое течение, как и образуемая им анти­ циклоническая система, обладает большой устойчивостью. Средняя скорость перемещения вод около 3—5 м/сек, значи­ тельно увеличивается лишь при подходе к проливу Нансена.

94

Данные о скорости переноса вод и льдов получены дрейфу­ ющими научными станциями, а также наблюдениями за дви­ жением айсбергов и ледяного покрова.

4.ПЕРЕНОС И ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАСС

ВТОЛЩЕ ВОД МИРОВОГО ОКЕАНА

Горизонтальная циркуляция вод в процессе взаимодейст­ вия макроциркуляционных систем возбуждает перенос и пе­ рераспределение масс во всей толще Мирового океана. Это определяется не столько механическим увлечением нижеле­ жащих вод, сколько динамическим эффектом, создающимся в процессе их обращения. Возникают вертикальные движения, которые в конечном счете распространяются на все простран­ ство океана от его поверхности до дна.

Квазистационарные вергенции и океанические фронтыг.

В процессе постоянных перемещений вод происходит схожде­ ние (конвергенция) или расхождение (дивергенция) течений. При конвергенции потоков в результате накопления вод воз­ никают подъем уровня и нисходящие движения. Уплотнение при смешении вод способствует дальнейшему их опусканию2,1 что благоприятствует распространению влияния конверген­ ции на большую глубину. Такие нисходящие движения будут

мость компенсации последнего вызывает на некоторой глуби­ не подток вод со стороны, в результате чего под дивергенци­ ей может возникнуть конвергенция.

Вергенции формируются не только между отдельными по­ токами, но также между течениями и побережьем. Благодаря отклоняющей силе вращения Земли дивергенция будет созда­

1 В специальной литературе широко распространен термин «гидрологические» фронты. Поскольку фронтальная зона про­ является не только по изменению гидрологических (гидрофи­

95

ваться при относе течения от берега, а конвергенция — в про­ тивоположном случае. Под их влиянием вдоль побережий происходит опускание или подъем вод. Это явление изучено еще весьма слабо. Эффект, вызываемый прибрежной вергенцией, может усиливаться сгонными пли нагонными ветрами. В большинстве случаев прибрежные вергенции, по-видимому, сказываются только на формировании местных условий.

Из всех прибрежных вергенций особенно значительную роль играют конвергенции, которые образуются между высо­ коширотными циклоническими системами и берегами, вблизи которых они располагаются. Опускание вод вдоль материко­ вого склона, вызываемое прибрежным течением, усиливается нисходящими движениями на периферии циклонического обращения. Совместное их воздействие оказывается настоль­ ко большим, что нисходящие движения в сравнительно слабо стратифицированной среде распространяются вплоть до дна. Таким путем формируются глубинные и придонные воды.

Планетарный перенос и перераспределение масс в толще вод Мирового океана связаны с квазистационарными вергенциями. К ним прежде всего следует отнести вергенции основ­ ных макроциркуляционных систем. При циклоническом обра­ щении центробежные силы разносят воды от центра к перифе­ рии, в результате чего возникает подъем вод в центральной части циклонического круговорота. По его периферии воды опускаются. В антициклонических системах центростреми­ тельные силы вызывают накопление вод и их опускание в центральных частях. По периферии антициклонического круго­ ворота происходит подъем вод.

В условиях геострофической циркуляции вод дивергенции проходят по осям ложбин циклонических систем, а конверген­ ции — по осям гребней антициклонических. В соответствии с их местоположениями несколько севернее экватора распола­ гается экваториальная конвергенция (рис. 19 и 20). По обе стороны от нее по ложбинам тропических циклонических си­ стем протягиваются тропические дивергенции, затем по осям субтропических антициклонических круговоротов — субтропи­ ческие конвергенции, вдоль высокоширотных циклонических систем — полярные дивергенции и, наконец, по гребню аркти­ ческого круговорота вод — арктическая конвергенция.

Последовательное их чередование соответствует неразрыв­ ности масс. Однако эти условия, казалось бы, должны нару­ шаться океаническими фронтами, если таковыми считать, как это часто делается, зоны конвергенций течений.

96

тальных градиентов различных свойств вод (главным обра­ зом температуры). Затем появились соображения о том, что океанические фронты надо выделять не только по конверген­ циям, но и по дивергенциям. Кроме того, была выдвинута идея, что океанические фронты связаны с максимальными вертикальными скоростями переноса вод. Необходимой ясно­ сти нет и сейчас, так как специальные исследования этого вопроса очень ограничены.

Наиболее обстоятельные работы проведены по субаркти­ ческому фронту Атлантического океана. Из них особенно ин­ тересны уже рассматривавшиеся исследования Е. И. Барано­ ва. Им обнаружено несколько полос циклонических н антициклогшческих вихрей по обе стороны от субарктического океанического фронта (рис. 17), которые должны приводить к образованию целой системы последовательно сменяющихся конвергенций и дивергенций. Благодаря этому неразрывность масс может достигаться за счет процессов, осуществляющих­ ся в зоне фронта. В таком случае последовательность чередо­ вания квазистационарных вергенций в макроциркуляцнонных системах не будет нарушаться океаническими фронтами.

Высказанные соображения являются предположением. Они требуют проверки путем постановки специальных иссле­ дований, в том числе и экспедиционных. Существенное прояс­ нение вопроса может дать сопоставление расчетных данных вертикальных и горизонтальных составляющих течений с гра­ диентами физико-химических свойств воды, в первую очередь температуры, а также наиболее консервативных гидрохими­ ческих элементов. Подготовка материалов к проведению таких расчетов начата в РГнституте океанологии АН СССР.

Пока же чисто качественное сопоставление имеющихся представлений о циркуляции вод с характеристиками физико­ химических полей приводит к выводу, что океанические фрон­ ты представляют собой пограничные зоны двух смежных макроциркуляционных систем и формирующихся в них водных масс (рис. 19—21 и 28). В местах схождения течений в таких круговоротах фронты проявляются наиболее ярко и тем рез­ че, чем больше различаются по своим характеристикам вод­ ные массы по обе стороны пограничной зоны. С расхождени-

ем течений макроциркуляционных систем океанические фрон­ ты размываются.

Особенно велика динамичность субполярных фронтов, где встречаются воды из низких и высоких широт с наибольшим различием физико-химических свойств (рис. 28). Эти фронты образуются между субтропическими антициклонпческнмн круговоротами и субполярными циклоническими системами в Северном полушарии и с циркумполярной антарктической системой в Южном полушарии (рис. 20). Асимметрия плане­ тарной циркуляции приводит к тому, что субтропические антпцнклонпческпе круговороты вод граничат с различными макроциркуляцноннымп системами (циклонической и циркум­ полярной). Несмотря на это водные массы по обе стороны фронта однотипны (с одной стороны, субтропические, а с дру­ гой — субполярные), причина тому—зональная изменчивость природных условий.

Полярные океанические фронты не столь динамичны, как субполярные, так как они разделяют воды со значительно меньшим различием физико-химических свойств (субполяр­ ные и полярные водные массы). Располагаясь по окраине высокоширотных циклонических систем, в Северном полуша­ рии они граничат с арктическим антициклоническим кругово­ ротом вод, а в Южном — с циркумполярной антарктической системой.

Экваториальные п тропические фронты наименее динамич­ ны, так как они формируются в той части Мирового океана, где различия в свойствах вод выражены значительно слабее, чем в высоких широтах.

В экваториальной зоне образуются два фронта по обе сто­ роны от экваториальной антициклонпческой системы. Один из них, собственно экваториальный, проходит примерно вдоль экватора по границе с южноцнклонической тропической си­ стемой, а другой — субэкваториальный с ее аналогом в Се­ верном полушарии. Они отделяют тропические воды от эква­ ториальных.

Тропические фронты располагаются между циклонически­ ми тропическими и субтропическими антициклоническими макроциркуляционными системами, разделяя тропические и субтропические водные массы.

Все океанические фронты образуются в поверхностной структурной зоне, где создаются макроциркуляционные -си­ стемы. Циркуляция вод здесь особо интенсивна, а водные-

98

массы отличаются наибольшим различием физико-химиче­ ских свойств.

С удалением от поверхности океана и ослаблением макроциркуляционных систем фронты размываются. В промежу­ точной структурной зоне хорошо выраженными остаются арк­ тические фронты в Атлантическом и Тихом океанах; субарк­ тические прослеживаются как зоны раздела северной и юж­ ной разновидностей субарктической водной массы (рис. 28). Тропические фронты ограничивают разновидности субантарк­

стационарными вергенциями, можно получить только расчет­ ными методами. Таким путем, как уже говорилось, впервые получены исходные данные для всей акватории Индийского океана. Однако потребуется немало времени для их анализа. По другим океанам подобные работы поставить еще не пред­ ставляется возможным.

Пока приходится ограничиться результатами вычислений вертикальных и меридиональных составляющих течений, про­ веденных для меридиональных плоскостей океанов '. Несмот­ ря на допущения, сделанные при этих расчетах, и относитель­ но произвольный выбор коэффициента турбулентной диффу­ зии, полученные величины скоростей течений можно рассмат­ ривать как некоторое приближение к истинным их значениям.

Они оказались довольно близки к представлениям, которые1

1 Методика расчета, используемые материалы и полученные результаты рассматриваются о статьях автора, помещенных п «Океанологии», 1969, т. IX, вып. 3 и в «Вопросах географии», 1970, сб. 84.

существуют о скоростях вертикального и меридионального переноса вод. Так, первые большей частью имеют порядок 10_3, 10-4 см/сек, реже 10-5 и в отдельных случаях 10-2 см/сек. Вторые в верхних слоях океана обыкновенно укладываются в пределы от 10 до .20 см/сек, достигая в низких широтах 30— 50 см/сек. В глубинных слоях преобладают меридиональные компоненты течений со скоростью несколько сантиметров в се­ кунду, как правило, менее 10 см/сек.

структурными зонами происходит повсеместно с большей или меньшей интенсивностью. Вполне естественно, что наиболее активен он в областях формирования и трансформации вод­ ных масс.

Из общих закономерностей, которые выявляются при рас­ смотрении схем вертикальной циркуляции вод Атлантическо­ го, Индийского и Тихого океанов, необходимо прежде всего отметить однотипность основных переносов и тесную взаимо­ зависимость вертикального обращения вод с их горизонталь­ ной циркуляцией и со структурой. В низких широтах в цент­ ральных частях антициклонических систем (примерно от 10 до

кими круговоротами. Восходящие движения захватывают большую толщу вод, нередко от дна до поверхности океана; нисходящие распространяются на значительно меньшую глубину (не более 1000 — 1500 л<) .Такое различие объясняет­ ся тем, что перемещение менее плотных вод из верхних слоев океана в глубины со все возрастающим давлением и плот­ ностью требует гораздо больших затрат энергии, чем подъем вод в слои с меньшей плотностью и давлением21.

1 Подъем вод в восточнотропических циклонических круго­ воротах не обнаруживается по средним данным, так как он по­ давляется эффектом более обширных антициклоннческнх сис­ тем.

2 Слой воды толщиной в 10 м оказывает давление, равное

одной атмосфере; при преобладающей глубине океана 4000— 5000 м величина давления достигает 400—500 атмосфер.

100

В поверхностной и промежуточной зонах преобладает меридиональный обмен вод от высоких широт к экватору. В глу­ бинной и придонной зонах меридиональный обмен вод нередко прослеживается почти по всей протяженности океанов. Для ан­ тарктических областей каждого океана получены совершенно идентичные схемы вертикальной циркуляции вод. Это служит косвенным доказательством их достоверности, хотя они пост­ роены по исходным данным совершенно различного количества

икачества.

Вглубоководной части Арктического бассейна проведен­ ные расчеты выявили весьма специфические черты циркуля­

ции вод, совершенно отличные от других океанов (рис. 16). Особое географическое положение Северного Ледовитого океана, относительно небольшая площадь и сильная расчле­ ненность дна создают очень сложную систему обращения вод с несколькими самостоятельными горизонтальными кругово­ ротами в отдельных котловинах. На это указывает направ­ ленность векторов от средней части котловин в сторону под­ нятий. Подобные условия ближе к тому, что должно иметь место в крупных средиземных морях, чем в океанах, в кото­

торых, формируясь в субполярных и полярных областях, рас­ пространяется затем на различных глубинах в меридиональ­ ном направлении. По мере продвижения в низкие широты их температура несколько увеличивается, благодаря чему они становятся легче и приобретают небольшое восходящее дви­ жение, которое преобладает затем почти повсеместно.

Дальнейшая генерализация схем вертикальной циркуля­ ции вод в меридиональной плоскости была предпринята для того, чтобы выявить основные особенности обращения вод­ ных масс в Атлантическом, Индийском и Тихом океанах (рис. 26 и 27). Однако следует помнить, что все наши расчет­ ные схемы позволяют судить не о действительных путях пе­ ремещения вод, а лишь о вертикальных и меридиональных составляющих основных потоков. Необходимое трехмерное представление не может быть получено вне связи с результи­ рующим горизонтальным переносом вод, тем более что интен­ сивность его на 4 — 5 порядков больше вертикальных дви­ жений.

101

Вместе с тем без учета вертикальных и меридиональных составляющих нельзя понять действительный характер обра­ щения вод. Последнее особенно важно при использовании све­ дений о геострофической циркуляции, когда обращение вод в макромасштабных круговоротах представляется системой концентрических изолиний динамических высот. По условиям геострофической модели частицы воды должны перемещать­ ся вдоль изолиний без бокового смещения. В соответствии с эффектом трения в циклонических системах воды перемеща­ ются не только по кругу, но и от центра к периферии, а в антициклонпческих — наоборот. В действительности обращение вод в макроциркуляцпонных круговоротах происходит как бы по спирали' с закручиванием в антициклоническнх системах и раскручиванием в циклонических.

Геострофпческие течения дают представление о результи­ рующем горизонтальном перемещении вод. Преобладание зональных переносов сильно маскирует роль очень слабой меридиональной составляющей. Однако именно она играет ре­ шающую роль в межзональном обмене. О нем-то и позволя­ ют судить схемы обращения вод, построенные в меридиональ­ ных плоскостях океанов. За счет вертикальных составляю­ щих течений создается и поддерживается расслоение вод. С этой точки зрения и следует анализировать изменения об­ ращения вод на различных глубинах океана.

Основные закономерности изменения горизонтального об­ ращения вод с удалением от поверхности океана. Макроциркуляционные системы, формируясь в процессе взаимодейст­ вия океана с атмосферой, наибольшее развитие и скорость обращения получают в поверхностной структурной зоне. С удалением от поверхности океана они постепенно размывают­ ся и распадаются на отдельные вихри (рис. 22 и 23). Интен­ сивность их разрушения увеличивается от высоких широт в сторону экватора. В тропической и экваториальной зонах различия плотности между поверхностными и глубинными во­ дами особенно велики, поэтому вертикальные движения, воз­ буждаемые горизонтальным обращением вод, не могут рас­ пространиться на столь же большое расстояние от поверхно­ сти океана, как в субполярных и полярных областях, где вертикальные градиенты плотности значительно меньше.

С уменьшением интенсивности обращения вод в макроциркуляционных системах и их разрушением усиливается ме­ ридиональный перенос, за счет которого осуществляется меж­ зональный обмен энергии и веществ в Мировом океане. В со-

102