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

У глубинной североатлантической водной массы наиболее высокие (среди других глубинных вод) соленость (от 35,1 до 34,7%о), температура (4,0—2,0°), условная плотность (27,9—

1,5 мкг-атом/л), что свидетельствует о большой доли поверх­ ностных вод в создании глубинной североатлантической вод­ ной массы (рис. 58). По-видимому, она образуется в несколь­ ких местах в результате различных процессов, что обусловило несколько отличные ее характеристики по вертикали. Поэто­ му еще Г. Вюст подразделял глубинные североатлантические воды на верхние, средние и нижние, ничего, однако, не говоря об областях и причинах их формирования.

Основываясь на имеющихся данных о перемещении вод и характере физико-химических полей, можно полагать, что верхние глубинные воды, обладающие наибольшей соле­ ностью, в основном образуются в умеренных широтах. Воз­ можно, это связано с опусканием высокосоленых промежу­ точных средиземноморских и североатлантических вод. Их перемещению на большие глубины должно способствовать повышение плотности в результате охлаждения и уплотнения при смешении по мере удаления от областей их формирова­ ния. Нисходящие движения вод прослеживаются до глубины около 3000 м.

Средние североатлантические воды, надо полагать, созда­ ются в северо-западной части океана в результате опускания поверхностных и промежуточных вод вдоль материкового склона. Нисходящие движения здесь вызываются северной периферией субарктического циклонического круговорота. На это, в частности, указывает высокое содержание кислорода: изоксигены 7,0 и 6,5 мл/л располагаются почти вертикально от поверхности до дна (3000—3500 м). Вовлекаясь в циклони­ ческий круговорот, обогащенные кислородом воды вдоль ма­ терикового склона Лабрадора и Ньюфаундленда выносятся в умеренные широты, уходя затем снова на север, а потом к Гренландии. Они оказываются еще хорошо аэрированными и в северо-восточной части океана (до 6,5—5,5 мл/л кислорода на глубине 2000—2500лг), тогда как вышележащие промежу­ точные воды имеют меньшую концентрацию кислорода (4,0— 5,0 мл/л и менее на глубине около 1000 м).

В северных умеренных широтах, где встречаются верхние и средние глубинные североатлантические воды, происходит их

134

интенсивное смешение. Небольшая часть этих вод направля­ ется на север, вовлекаясь в североциклонический круговорот и подымаясь в центральной его области. Основная же масса глубинных североатлантических вод перемещается на юг с несколько большей скоростью в западной части океана, не­ жели к востоку от Срединноатлантического хребта. Восточ­ ная часть океана сильнее расчленена поперечными подня­ тиями дна, из которых особенно значительной преградой яв­ ляется Китовый хребет.

Расчет переноса вод в меридиональном сечении океана (рис. 25 и 27) указывает на перемещение нижних глубинных вод на север, что можно связать с поступлением антарктиче­ ских вод вдоль восточной периферии южноантициклонической системы (рис. 23).

Ранее, начиная с Г. Бюста, предполагалось, что все глу­ бинные североатлантические воды совершают общее переме­ щение от северных окраин океана до антарктической его об­ ласти. Поскольку часть нижних глубинных вод движется в обратном направлении и несколько отличается по своим свой­ ствам, было бы целесообразным выделить их в самостоятель­ ную водную массу.

Глубинные атлантические воды, достигая антарктических широт, вовлекаются в общий циркумполярный перенос. Сме­ шиваясь с антарктическими водами в циклоническом обра­ щении, они формируют глубинную антарктическую водную массу (ГАн). Это смешение происходит в процессе подъема вод в центральных частях циклонических круговоротов и опу­ скания их по периферии. Особенно благоприятные условия создаются вдоль материкового склона, где нисходящие дви­ жения начинаются от поверхности океана. Увлекаясь на глу­ бину, поверхностные воды охлаждают и опресняют глубин­ ные североатлантические, обогащая их кислородом.

Северной границей глубинных антарктических вод являет­

до небольших отрицательных значений), соленость около 34,7°/оо, условная плотность 27,85, содержание растворенного кислорода 4,0—5,0 мл/л, концентрация фосфатов — около

2,0 мкг-атом/л.

В процессе обмена вод между циркумполярным течением и южными антициклоническими макроциркуляционными систе­ мами вдоль восточной их периферии глубинные антарктиче­

135

ские воды поступают в Атлантический, Индийский и Тихий океаны (рис. 23). В западной части антициклоннческих круго­ воротов глубинные воды из этих океанов выносятся в зону циркумполярной циркуляции.

Анализ вертикального обращения вод в меридиональной плоскости океанов показывает, что меридиональная состав­ ляющая в Антарктике, в нижней части глубинной структур­ ной зоны, направлена на север, а в верхней—.на юг (рис. 25

и27). Такие вертикальные круговороты указывают на преоб­ ладание в зоне антарктического циркумполярного кольца меж­ зонального переноса. Они прослеживаются в Атлантическом

иИндийском океане от Антарктиды до сороковых широт, а в Тихом океане даже севернее. Тем самым поддерживается од­ нотипность и квазистационарность существующих здесь усло­ вий. По этим схемам можно проследить, на какие глубины и

скакой скоростью опускаются и подымаются воды в различ­ ных частях вертикального циркумполярного круговорота. Бла­ годаря тому, что антарктическая дивергенция начинается от поверхности океана, а нисходящие движения прослеживаются вплоть до дна, роль этого вертикального круговорота не огра­ ничивается созданием только глубинных антарктических вод. Он оказывает также влияние па образование придонных и промежуточных антарктических водных масс, а также субан­ тарктических вод и нижнего слоя поверхностной антарктиче­ ской водной массы.

Врезультате смешения глубинных антарктических и се­ вероатлантических вод в Индийском океане формируется срединная водная масса (рис. 29). Она простирается от суб­

антарктического фронта примерно до экватора. В соответ­ ствии с некоторым различием ее свойств А. Д. Щербинин счи­ тает, что в западной части этого пространства находятся соб­ ственно глубинные атлантические воды, а восточнее Срединно­ индийского хребта — центрально-индийские. Для первых ха­ рактерна температура 2,0—3,0°, соленость около 34,8—34,7%0, содержание кислорода 4,5—4,0 мл/л; для вторых — темпера­ тура 2,5— 1,5°, несколько меньшая соленость (34,78—34,74%о) и концентрация кислорода 4,0—3,5 мл/л. При сравнительно малом различии их свойств вряд ли стоит идти далее выделе­ ния западной и восточной разновидностей срединной индо­ океанской водной массы. Недостаток данных о динамике и свойствах глубинных вод не позволяет выходить за рамки са­ мой общей их классификации.

В северной части Индийского океана, в пределах Аравий­

136

ского моря, образуется глубинная североиндийская водная масса. Она создается за счет сползания вдоль материкового склона высокосоленых вод Красного моря и Персидского за­ лива, увлекающих вниз промежуточные воды. Нисходящие движения возбуждаются циклонической системой, распола­ гающейся в северной части Аравийского моря в промежуточ­ ной и глубинной структурных зонах (от 500 м до 3000—4000 м).

По своим свойствам глубинная североиндийская водная масса довольно близка к североатлантической, имея соленость 34,8—34,9%о, температуру 2,0—4,0°. Однако она отличается высокой концентрацией фосфатов (2,5—3,0 мкг-атом/л) и низ­ ким содержанием кислорода (2,0—3,0 мл/л), поскольку обра­ зуется из вод, давно потерявших связь с поверхностью океана. Основное же различие состоит в том, что количество глубин­ ных вод, создающихся на севере Индийского океана, намного меньше, чем в Атлантике, так как они образуются в относи­ тельно небольшом районе. Поэтому глубинные североиндий­ ские воды получили сравнительно небольшое распростране­ ние. Они заполняют только Аравийское море, Бенгальский за­ лив и прилежащие пространства открытого океана, примерно до 10° ю. ш. Их перемещение на юг ограничивается подня­ тиями дна, отходящими от Срединноиндийского хребта к Аф­ рике, Индостану и Зондскому архипелагу.

Наиболее слабые представления имеются о глубинных вод­ ных массах Тихого океана. Трудности изучения, как уже го­ ворилось, определяются однородностью их термогалинных свойств. На всем пространстве океана от северных его окраин до антарктического фронта температура не выходит за преде­ лы 1,0—2,0°, соленость — 34,6—34,7%о, условная плотность —

шающаяся примерно от 2,0 мкг-атом/л в средней части океана до 3,0 мкг-атом/л и более к северу от экватора (рис. 58).

Различие в содержании кислорода и фосфатов, а также обращении вод говорит о целесообразности выделения двух водных масс: северотихоокеанской и срединной. В северной части океана обращение вод определяется высокоширотной циклонической и северной субтропической антициклонической системами. В другом полушарии его определяет южная антициклоническая система.

Срединная тихоокеанская водная масса образуется из вод Индийского океана и глубинных антарктических (рис. 29).

137

В процессе взаимодействия циркумполярного течения с юж­ ной антициклонической системой происходит смешение пере­ носимых ими вод. При этом к западу от Южной Америки воды выносятся на север, а в районе Новой Зеландии глубин­ ные тихоокеанские воды включаются в циркумполярный пе­ ренос. Для срединной водной массы Тихого океана характер­ но повышение температуры от 1,0—2,0° на юге до 1,5—2,5° вблизи экватора, уменьшение содержания кислорода пример­ но от 4,0 до 3,0 мл/л, соленость — 34,75—34,65%о, условная плотность — 27,8—27,7, концентрация фосфатов — 2,0—3.0

мкг-атом/л.

Судя по содержанию фосфатов и кислорода, в западной части океана срединная тихоокеанская водная масса прини­ мает участие в образовании северотихоокеанских вод. В вос­ точной же части океана северотихоокеанские воды, уходя на юг, пополняют срединнотихоокеанскую водную массу.

Формирование северотихоокеанской глубинной водной мас­ сы должно происходить в результате того обращения, которое создается североциклонической и северной антициклонической системами. В области циклонической циркуляции промежу­ точные и глубинные воды будут подниматься в центральной ее части, а по периферии эти воды будут опускаться. Как и обычно, наиболее благоприятные условия создаются у мате­ рикового склона. Содержание кислорода в глубинных водах на севере океана повышается до 2,5—3,0 мл/л, тогда как в тех же местах у промежуточных субантарктических вод кон­ центрация его падает до 0,5 мл/л. Такое различие можно объяснить уменьшением поглощения кислорода на окисли­ тельные процессы по мере удаления от поверхности океана.

Благодаря примеси поверхностных вод глубинная северотихоокеанская водная масса отличается от срединной тихо­ океанской несколько более низкой температурой, соленостью и плотностью. Так, на глубине 3000 м первые имеют темпера­ туру 1,5—1,6°, тогда как вторые — 1,6—1,8°, соленость соот­ ветственно 34,60—34,65%о и 34,65—34,70%о, условная плот­ ность — 27,70—27,75 и 27,75—27,80. Содержание фосфатов у северотихоокеанских вод несколько превышает 3,0 миг-атом/л, тогда как у срединнотихоокеаиских вод оно меньше (2,0—3,0 мкг-атом/л). Насыщенность же кислородом северотихоокеаиских вод немного ниже (2,5—3,0 мл/л), чем срединных тихо­ океанских (3,0—4,0 мл/л). Отсюда можно сделать вывод, что доля поверхностных вод в создании глубинной тихоокеанской водной массы относительно невелика, тогда как срединные

138

воды обогащаются кислородом благодаря большой примеси глубинных антарктических вод.

Наконец, необходимо остановиться на глубинной арктиче­ ской водной массе, образующейся в Северном Ледовитом океане. Она получила значительно более слабое развитие по вертикали, чем другие водные массы. Верхняя ее граница рас­ полагается на глубине около 1500 м, нижняя — всего на 2500—3000 м. Поэтому толщина занимаемого ими слоя в 2—3 раза меньше, чем обычно. При сильной расчлененности дна свойства вод несколько меняются между различными котло­ винами и главным образом по обе стороны от порога Нансена

ихребта Ломоносова. Так, температура вод в приатлантической части Арктического бассейна находится в пределах от —0,6°, до —0,8°, а в притихоокеанской от —0,3° до —0,4° (рис. 15). Соленость вод в котловине Нансена равна 34,90%о, в кот­ ловине Амундсена — 34,99%о, а в котловинах Макарова н Бо­ форта меняется от 34,97 до 34,99%о. Такие различия опреде­ ляются особенностями циркуляции вод и прежде всего тем, что в каждой котловине создается самостоятельное их обра­ щение. При этом меняется соотношение долей поверхностных

ипромежуточных вод, в процессе смешения которых образу­ ются несколько отличные свойства глубинных (как, кстати, и придонных) вод. Согласно проведенным расчетам скорости вертикальных перемещений составляют несколько единиц на

10~3—10-4 см/сек, а горизонтальных 1—5 см/сек (рис. 16).

Придонные водные массы. Они заполняют наиболее глу­

бокие части океанов, перемещаясь по котловинам и соединя­ ющим их подводным долинам (рис. 27 и 29).

Подобно другим видам водных масс, придонные воды об­ разуются в результате опускания вышележащих вод, которое в конечном счете вызывается поверхностной горизонтальной циркуляцией. При этом все типы придонных водных масс, кро­ ме североиидийских, формируются в высоких шпротах одно­ временно с промежуточными и глубинными водами. Из-за рас­ члененности рельефа дна придонные воды при своем переме­ щении подвергаются более сильной трансформации. Как уже говорилось, для них характерно преобладание меридиональ­

гут быть объединены общим термином — североокеанические,

139

несмотря на довольно значительные различия свойств и усло­ вий формирования.

Антарктические воды хорошо прослеживаются по пони­ женной придонной температуре воды и относительно высо­ кому содержанию кислорода (рис. 39 и 55). В Атлантическом и Индийском океанах они имеют соленость несколько более низкую, чем у глубинных вод, а в Тихом океане — более высо­ кую. По этим отличительным признакам довольно легко про­ следить их распространение по наиболее глубоким частямокеанов (рис. 29). От района моря Уэдделла они перемещают­ ся на восток, вплоть до пролива Дрейка и на север в Атланти­ ческом океане примерно до 40° с. ш., в Индийском до Аравий­ ского моря и Бенгальского залива, в Тихом — до 20—30° с. ш.

Придонные североокеанические водные массы получили значительно меньшее распространение. В Атлантическом и Тихом океанах они образуются на северной периферии цикло­ нических круговоротов за счет вод, наиболее глубоко спол­ зающих по материковому склону. Придонная североатланти­ ческая водная масса (ПрСА) отличается несколько более вы­ сокой температурой и соленостью и перемещается на юг при­ мерно до 35—40° с. ш. У придонной северотнхоокеанской вод­ ной массы (ПрСТ) несколько более низкая температура и со­ леность. Придонная североиндийская водная масса (ПрСИ) образуется из соленых вод Красного моря и Персидского моря, опускающихся на северной периферии циклонической системы Аравийского моря и сползающих по материковому склону на большую глубину.

Придонная арктическая водная масса получила большее развитие по вертикали за счет высокого положения верхней ее границы, прослеживающейся на глубине 2500—3000 м (тогда как обычно на 4000 м). В условиях замкнутых котло­ вин, в Арктическом бассейне, хорошо проявляется повышение температуры воды ко дну, что, по-видимому, связано с влия­ нием притока тепла из недр земли. По использованным нами данным, такое увеличение температуры от верхней границы придонных вод ко дну составляет от 0,06° до 0,12°. Соле­ ность либо совершенно однородна, либо увеличивается на

0,01—0,02%о-

В заключение надо подчеркнуть, что рассмотренная здесь общая классифакция водных масс требует дальнейших уточ­ нений.

140

Часть j Важнейшие физико-химические свойства вод Мирового океана

а

Имеющиеся данные позволяют рассмотреть основные за­ кономерности полей температуры, солености и плотности вод Мирового океана, содержания растворенного кислорода и кон­ центрации фосфатов1. Упомянутые химические элементы представляют исключительно большой интерес не только по­ тому, что они определяют биологическую продуктивность океанических вод, но и как очень хорошие показатели дина­ мических процессов.

Формирование и изменение физико-химических свойств океанических вод находится в теснейшей взаимозависимости с циркуляцией и структурой вод Мирового океана, его тепло- и влагообменом с атмосферой. Исходные материалы, необхо­ димые для такого анализа, большей частью относящиеся к отдельным океанам, брались из работ А. М. Муромцева, Г. Бюста, А. Дефанта, Г. Шотта и монографии «Тихий океан», подготовленной коллективом сотрудников Института океано­ логии АН СССР. Кроме того, использовались осредненные ве­ личины, полученные в этом институте в результате механизи­ рованной обработки всех океанографических данных, накоп­ ленных к настоящему времени.

Обобщение имеющихся сведений позволило построить карты температуры, солености, плотности, содержания кисло­ рода и фосфатов для наиболее характерных глубин по всей толще вод Мирового океана. При этом карты для поверхно-

1 Следует подчеркнуть, что речь идет о характеристике по­ лей Мирового океана, а не об общефизических и химических свойствах океанических вод, рассматривающихся в курсах океанографии ил и специальных монографиях.

141

стп, а также глубины 100 и 200 м дают представление о фи­ зико-химических полях поверхностного и подповерхностного слоев поверхностной структурной зоны. Карта для 500 м характеризует условия, отмечающиеся при переходе от верх­ него пограничного слоя к промежуточной структурной зоне. На глубине 1000 м можно проследить экстремальные свой­ ства промежуточных водных масс. Карта для 2000 м показа­ тельна для верхней части глубинной зоны. Поскольку ниже свойства вод меняются в очень небольших пределах, карты для больших глубин помещаются только в том случае, когда они представляют особый интерес.

Широко используются средние широтные величины, кото­ рые хорошо отражают зональную изменчивость свойств вод в верхней толще Мирового океана и условия, создающиеся в нижней его части в связи с усилением меридионального пере­ носа. Вертикальные профили, построенные по среднеширот­ ным величинам, позволяют выявить основные закономерности, характерные для физико-химических полей в меридиональ­ ном сечении океанов. В этом легко убедиться, сопоставляя такие профили с разрезами, полученными по непосредствен­ ным наблюдениям

ГЛАВА VII

ТЕМПЕРАТУРА ВОДЫ МИРОВОГО ОКЕАНА

Основные закономерности поля температуры Мирового океана изучены лучше всех остальных свойств вод. Это объяс­ няется тем, что измерения температуры стали производиться раньше многих других исследований и количество таких дан­ ных всегда было наибольшим.

1. ТЕМПЕРАТУРА НА ПОВЕРХНОСТИ МИРОВОГО ОКЕАНА

В соответствии с тем, что наблюдения над температурой воды на поверхности океанов и морей наиболее многочислен­ ны, ее можно рассмотреть особенно подробно.1

1 Меридиональные сечения Атлантического, Индийского и Тихого океанов, построенные по данным Международного гео­ физического года, опубликованы в «Океанологических иссле­ дованиях» № 8, 1963, в статье автора, подготовленной совмест­ но с В. А. Некрасовой.

142

Средняя температура поверхностных вод океанов. Для всего Мирового океана в целом она составляет 17,54° (табл. 13). Температура поверхностных вод в северном по­ лушарии примерно на 3° выше, чем в южном. Это является следствием того, что акватории, расположенные к северу от экватора, поглощают приблизительно на 40% больше тепла, чем воды южных широт. Существенные различия имеются и в средних температурах отдельных океанов, что также свя­ зано с бюджетом тепла.

Самая высокая средняя температура Тихого океана — 19,37° — объясняется наибольшим количеством тепла, погло­ щаемым единицей его поверхности (свыше 20 ккал/см2 в год). Второе место занимает Индийский океан, где средняя темпе­ ратура равна 17,27°; на единицу акватории здесь приходится около 19 ккал/см2 в год. На третьем месте Атлантический океан, имеющий среднюю температуру 16,53°. Единицей его поверхности поглощается около 17 ккал/см2 в год. Наиболее низка, естественно, температура Северного Ледовитого океа­ на. По недостаточно точным вычислениям она в среднем со­ ставляет —0,75°.

Изменения температуры воды на поверхности Мирового океана в зависимости от широты. Это наиболее важная зако­ номерность, определяющая не только термический режим по­ верхностных вод, но и оказывающая очень большое влияние на изменение температуры по вертикали.

Хотя максимальное количество солнечного тепла погло­ щается Мировым океаном в тропиках (рис. 3, табл. 2), самая высокая средняя годовая температура воды наблюдается в экваториальной зоне между 5° и 10° с. ш.; среднее ее значение здесь равно 27,4° (рис. 30, табл. 13). С удалением от термиче­ ского экватора температура вначале понижается очень мало. В той части Мирового океана, где поглощение тепла превы­ шает его расход, средняя годовая температура на поверхности, как правило, выше 25°. Насколько велик удельный вес этой области с высокими температурами, можно судить по врезке, помещенной на рис. 30.

С переходом в умеренные области температура на поверх­ ности Мирового океана начинает быстро понижаться, в соот­ ветствии с уменьшением количества поглощаемого тепла. При этом в северном полушарии она выше, чем в южном; так, у 40° с. ш. температура воды выше на 2°, у 50° с. ш. — на 2,5°, а у 60° с. ш. — на 4°, что объясняется различием в характере циркуляции поверхностных вод. В северные части Атлантиче-

143