книги из ГПНТБ / Егоров Н.И. Физическая океанография

Благодаря накопленным данным продолжительных и непрерыв­ ных наблюдений над температурой воды в различных районах Ми­ рового океана оказалось возможным для изучения пространствен­ но-временной изменчивости температуры воды применить аппарат теории вероятностей и, в первую очередь, аппарат теории корреля­ ционных и структурных функций. Больше всего имеется данных, позволяющих судить о временной изменчивости температуры. Для характеристики пространственной изменчивости в первом прибли­ жении может быть использовано соотношение r = vt, позволяющее перейти от временного интервала t к пространственному г, v —ско­ рость течения.

Характерные кривые корреляционных функций обычно опреде­ ляются законом,близким к экспоненциальному.

Распределение плотности. Распределение плотности морской воды определяется распределением температуры и солености. В от­ крытом океане характер распределения плотности зависит главным образом от распределения температуры. Наибольшие значения плотности отмечаются в высоких широтах, где на поверхности она достигает 1,0275 г/см3. К экватору плотность уменьшается, достигая наименьших значений в области термического экватора (1,0220 г/см3). Неравномерность распределения плотности по гори­ зонтали вызывает движение масс воды в направлении, благоприят­ ствующем выравниванию плотности. Поэтому поверхностные воды высоких широт опускаются и движутся в направлении экватора к горизонтам, на которых плотность воды одинакова с поверхност­ ной плотностью высоких широт. Вследствие этого глубинные и при­ донные воды во всем Мировом океане являются холодными. С глу­ биной плотность воды возрастает благодаря понижению темпера­ туры и увеличению давления, что создает устойчивость1слоев воды и препятствует вертикальным движениям вод океана. Особенно больших значений устойчивость достигает в слоях резкого увеличе­ ния плотности с глубиной — с л о я х с к а ч к а п л о т но с т и , которые обычно совпадают со слоями скачка температуры. Лишь в редких случаях слой скачка плотности создается благодаря обра­ зованию скачка солености. Однако в ряде случаев распределение солености по вертикали может способствовать увеличению градиен­ тов плотности в слое скачка, связанном со слоем скачка температуры.

Слой скачка плотности препятствует турбулентному перемеши­ ванию, а следовательно, и переносу тепла, количества движений, солей и газов по вертикали. В слое скачка зачастую сосредоточи­ вается большое количество мельчайших морских животных и расте­ ний (планктона), что затрудняет проникновение света и звука че­ рез этот слой. В связи с этим при изучении океанов и морей уде­ ляется большое внимание выявлению наличия слоя скачка, опреде­ лению его характеристик и условий образования и разрушения.

Характер пространственно-временной изменчивости плотности морской воды достаточно тесно связан с изменчивостью темпера­

1 Определение устойчивости дается в гл. III.

80

туры. Поэтому приведенные данные об изменчивости температуры определяют в подавляющем большинстве случаев и изменчивость плотности.

§ 10. Водные массы Мирового океана

При исследовании физического состояния и динамики вод Ми­ рового океана оказалось целесообразным рассматривать не отдель­ ные их физико-химические характеристики (температуру, соле­ ность, содержание кислорода и др.), а комплексные, которые отра­ жали бы в определенной мере те процессы, которые протекают в океане. Такой метод, как известно, нашел широкое практическое применение в синоптической метеорологии, которая использует по­ нятие воздушной массы как комплексной характеристики физиче­ ского состояния достаточно большого объема воздуха, обладаю­

няющие относительную однородность основных физических, хими­ ческих и биологических характеристик, сформированных в опреде­ ленных географических районах океана. В качестве основных фи­ зико-химических характеристик при выделении водных масс чаще всего используются их соленость и температура. Дополнительно привлекаются такие характеристики, как содержание газов, щелоч­ ность, оптические свойства, гидробиологические показатели и дру­ гие. Однако ограниченность данных о дополнительных характери­ стиках водных масс заставляет пользоваться в основном характери­ стиками солености и температуры.

В настоящее время можно указать на следующие основные ме­ тоды выделения водных масс: метод ГЗ-кривых, метод общего ана­ лиза, метод выделения по градиентам гидрологических характери­ стик, метод изопикнического анализа.

Метод ГЗ-кривых. Этот метод предложен Гелланд-Гансеном, а его теория дана В. Б. Штокманом и развита А. В. Ивановым.

Он основан на том, что характеристики температуры и солености водных масс одного и того же происхождения достаточно согласо; ванно располагаются на ГЗ-диаграмме. ГЗ-диаграмма представляет бланк с прямоугольными осями координат — температура — Т и со­ леность— S, на который могут быть нанесены кривые равного зна­ чения плотности (изопикны) или удельного объема (изостеры). На эту диаграмму по данным наблюдений на океанографических станциях над соленостью и температурой наносят точки, около ко­ торых указывается глубина измерений. Точки соединяются плавной кривой и на основе ее анализа судят о характеристике водных масс.

На рис. 2.15 приведен пример анализа ГЗ-кривых при выделе­ нии водных масс в процессе их вертикального перемешивания.

Верхняя часть рисунка относится к смешению двух, а нижняя — трех водных масс. Слева даны кривые вертикального распределения

температуры и солености па различных этапах перемешивания — А,.

Б и В.

На рис. 2.15Л показана 75-кривая до начала перемешивания двух однородных водных масс, одна из которых расположена в слое 200—600 м и имеет 7 = 10° С и 5 = 34,8%0, вторая расположена в слое 600—1000 м и имеет Т= 2° С и 5 = 34,0%0. На этом этапе мы видим на диаграмме только две точки.

На рис. 2.15 Б показан первый этап перемешивания, когда слои 200—400 и 800—1000 м еще не охвачены перемешиванием. Точки

Рис. 2.15. rS -соотношения при вертикальном перемешивании водных масс.

Наверху — смешение двух однородных водных масс; внизу — смешение трех однородных водных масс; слева — распределение температуры и солености по вертикали в начальной стадии (Л) и в двух стадиях дальнейшего перемешивания — (Б) и (В); справа — три стадии н перемешивания (Л. Б, В) на TS-диаграмме.

на прямой, соединяющей первоначальные водные массы, относя­ щиеся к горизонтам 500, 600 и 700 м, характеризуют значения тем­ пературы и солености водных масс для этих горизонтов на первом этапе перемешивания. Отношение расстояния этих точек от началь­ ных к общему расстоянию между начальными точками характери­ зует, в какой пропорции смешаны в данный момент водные массы. Так, например, точка, относящаяся к глубине 500 м, отстоит от на­

этап перемешивания.

В нижней части на рис. 2.15 показан аналогичный процесс сме­ шения трех водных масс. В этом случае 75-кривая (рис. 2.15 В) оказывается более сложной. Однако любую сложную 75-кривую можно заменить ломаной, как показано пунктиром в нижней части рис. 2.15 В. Конечные точки ломаной линии и точка излома опре­

82

деляют начальные значения температуры и солености водных масс, участвовавших в перемешивании.

Приведенный на рис. 2.15 пример является идеализированной схемой, показывающей процесс формирования водных масс.

На рис. 2.16 приведены 75-кривая гидрологической станции, вы­ полненной в Гренландском море в августе 1956 г., и заменяющая ее

водных масс под воздействием внешних факторов. Однако в некото­ рых районах Мирового океана и, в частности, в зонах конверген­ ции, где наблюдается достаточно интенсивное горизонтальное пере­ мешивание благодаря значительным горизонтальным градиентам температуры и солености, также может быть применен метод 75кривых; в этом случае кривая строится по значениям температуры

исолености, измеренным не по вертикали, а вдоль изопикничеекой поверхности.

Метод общего анализа водных масс. Для анализа водных масс

иих трансформации В. Т. Тимофеевым был предложен метод, наз­ ванный им методом общего анализа. Он основан на использовании 75-кривых с привлечением дополнительных характеристик.

Сущность метода заключается в следующем. На основе анализа данных о температуре и солености, полученных при выполнении

гидрологических разрезов, устанавливаются основные типы вод­ ных масс и их характеристики. Анализ производится на основе построения разрезов, карт географического распределения темпера­ туры и солености, ГЗ-кривых с учетом распределения других фи­ зико-химических свойств (pH, 0 2, щелочности и др.).

После установления основных типов водных масс для данного

случая трех водных масс приведен на рис. 2.17.

Здесь Я соответствует полярной водной массе, А — атлантиче­ ской, Д — донной. Для любой другой водной массы т того же моря наносят на диаграмму точку по ее температуре и солености. На сто­ ронах треугольника отсчитывается процентное содержание в ней основных водных масс. По определенному таким путем процентному содержанию основных водных масс в различных точках моря и на разных горизонтах строятся вертикальные разрезы процентного со­ держания основных водных масс и их географическое распределе­ ние. Такие карты позволяют судить об очагах формирования основ­ ных водных масс, их перемещении и интенсивности процессов перемешивания.

84

Выделение водных масс по градиентам гидрологических ха­ рактеристик. В этом методе, предложенном В. К. Агеноровым, водные массы определяются по значениям градиентов гидрологиче­ ских характеристик. Агеноров выделяет водные массы первого рода, у которых градиент гидрологических характеристик близок к нулю, и второго рода, у которых этот градиент постоянен. При взаимо­ действии двух водных масс между ними устанавливается линия фронта, по обе стороны от которой располагаются фронтальные зоны, а за ними зоны трансформации.

Фронтальная зона определяется как зона, где наблюдается рост градиента гидрологической характеристики, а фронт — как линия с максимальными градиентами гидрологической характеристики.

Метод может оказаться полезным при исследовании зон сопри­ косновения водных масс: зоны сходимости (конвергенции) и расхо­ димости (дивергенции) течений.

Метод изопикнического анализа водных масс, предложенный А. Е. Парром, основан на предположении, что движение вод проис­ ходит вдоль поверхностей равных значений плотности — изоиикнических поверхностей. Поэтому, выбрав определенную характери­ стику водной массы (соленость, содержание кислорода, щелочность и др.), называемую отождествительным свойством, и исследуя ее изменения в пространстве вдоль изопикнической поверхности, мо­ жно установить траекторию движения водной массы, определить границы между водными массами различного происхождения и су­ дить о степени их перемешивания.

Вместе с определенными преимуществами этот метод обладает и известными недостатками. Так, например, позволяя определи!ь истинные траектории движения частиц, он нс дает возможности су­ дить об их скорости. Далее, учитывая, что в процессе анализа ис­ пользуется только одно отождествительное свойство, метод позво­ ляет определить географическое распределение только двух типов водных масс, обладающих максимальным и минимальным значе­ ниями отождествительного свойства. Между тем, каждая из этих двух типов водных масс может, в свою очередь, быть результатом смешения других водных масс, установить которые рассматривае­ мым методом не представляется возможным. Для устранения по­ следнего недостатка В. Т. Тимофеевым был предложен прием вы­ деления первоначальных водных масс на основе изопикнического анализа с использованием ^-диаграмм, применяемых в методе об­ щего анализа водных масс.

Основные типы водных масс Мирового океана. Различие в ме­ тодах анализа водных масс приводит и к различию в определении типов водных масс реального моря или океана и их характеристик. Это тем более логично, что само понятие водной массы в известной мере условно, а поэтому ее характеристики будут зависеть от при­ нятого определения водной массы и выбранного параметра для ее оценки. Так, например, применяя метод изопикнического анализа, можно выделить только два типа водных масс в рассматриваемом районе, а если исходить из метода градиентов гидрологических

85

характеристик, нельзя проводить анализы водных масс в случае переменной величины градиента гидрологической характеристики.

При выделении водных масс морей и океанов чаще используется метод ТЗ-кривых и тесно с ним связанный метод общего анализа водных масс. Метод пзопикнического анализа используется обычно для исследования перемешивания и динамики водных масс, а не для их выделения.

В самом общем виде водные массы можно разделить на два типа. К первому типу относятся теплые поверхностные воды, охва­ тывающие слой, в котором наблюдается годовой ход физико-хими­

сферу применимо только для районов низких и умеренных широт. В высоких широтах (в полярных и субполярных районах) холодные воды выходят на поверхность. Двигаясь в сторону экватора, они встречаются с теплыми водами, следующими к полюсам, и благо­ даря большей плотности погружаются на глубины. В субтропиче­ ских зонах отмечается опускание и теплых, но более соленых вод, которые также оказываются более плотными. Опускание и переме­ шивание поверхностных вод приводит к формированию глубинных и придонных вод умеренных и высоких широт. Зоны встречи течений н опускания вод — зоны к о н в е р г е н ц и и (сходимости) показаны на карте поверхностных течений, приведенной в приложении 9.

Зоны конвергенции тесно связаны с о к е а н о г р а ф и ч е с к и м и ф р о н т а м и , которые, так же как и атмосферные фронты, пред­ ставляют собой зоны раздела между водными массами с различ­ ными свойствами.

В зонах фронтов отмечаются наибольшие вертикальные гради­ енты температуры и солености, а следовательно, и плотности воды, заметные вертикальные течения, направленные вниз.

На рис. 2.18 представлено распределение температуры, солено­ сти и плотности на вертикальном разрезе в зоне фронта. Так как в океане не может происходить только опускание вод, а должен су­ ществовать и компенсационный подъем вод, то наряду с зонами конвергенции отмечаются и зоны дивергенции (расходимости) те­ чений, где осуществляется подъем вод. В открытых частях океанов (см. приложение 9), зоны дивергенции выражены слабее. В связи с этим следует полагать, что более интенсивный подъем вод проис­ ходит у берегов континентов, что подтверждается наблюдаемыми резкими понижениями температуры воды вдоль некоторых из них.

В отличие от метеорологических фронтов и воздушных масс океа­ нические фронты и водные массы отличаются стабильностью гео­ графического положения. Характер вертикального распределения температуры и солености вод океанов позволяет выделить в средних и низких широтах следующие водные массы: поверхностные, подпо­ верхностные, промежуточные, глубинные и донные.

86

Ввысоких широтах водные массы, как отмечено выше, отли­ чаются достаточно большой однородностью значений температуры

исолености по вертикали. Тем не менее и в этих районах можно выделить характерные водные массы.

ВАрктическом бассейне В. Т. Тимофеев выделяет три типа вод­ ных масс: арктическую (поверхностную), атлантическую (глубин­ ную) и донную. Арктическая водная масса охватывает слой 0—50 м

и характеризуется значениями температуры от —1,65 до —1,75° С и значениями солености менее 32,0%0.

Атлантическая водная масса располагается в слое от 50 до 2000—2500 м и имеет четко выраженный максимум температуры на горизонте 300—400 м, составляющий в приатлантической части бас­ сейна 2,0-^3,0° С, а в притихоокеанской +0,5-1-0,6° С при солености всей толщи воды 34,7—34,9'%о- Донная водная масса заполняет ос­ тальную часть бассейна и имеет температуру около —0,80° С и со­ леность около 34,90%о.

Для других океанов первая общая характеристика водных масс дана Г. Свердрупом, а затем Г. Дитрихом и В. Н. Степановым.

В настоящее время наиболее полной является характеристика вод Мирового океана, данная О. И. Мамаевым, основные выводы которого приведены ниже. Классификация водных масс дана им на основе анализа обобщенных ^-соотношений вод океана.

Обобщенные 75-соотношения вод океана — соотношения, кото­ рые рассматриваются ниже, представляют основной материал для 75-анализа в том смысле, что являются основой для дальнейшего изучения вод и картирования их характеристик: вертикальной и го­ ризонтальной протяженности, путей распространения, процентного соотношения и других показателей взаимодействия, количествен­ ного сопоставления результатов термохалинного анализа с другими показателями динамики вод, а также со «вторичными» признаками вод (скажем, с распределением различных форм планктона и его биомассой). Наконец, весьма важной задачей является определение по обобщенным типам 75-кривых коэффициентов вертикального и горизонтального турбулентного перемешивания. Знание таких ко­ эффициентов совершенно необходимо для изучения планетарных процессов обмена теплом и солями и последующего решения других геофизических и географических проблем. Имея в виду связь между 75-диаграммой и коэффициентами обмена, можно сказать, что ко­ эффициенты обмена являются своеобразным параметром состояния природных вод океана и каждой точке 75-диаграммы соответствует по крайней мере одно значение коэффициента, привязанного, в свою очередь, к определенному типу 75-кривой.

Затрагиваемый вопрос не нов. Как отмечено выше, обобщенные 75-соотношения водных масс Мирового океана (исключая припо­ верхностный 100-метровый слой) были определены Свердрупом и Дитрихом. Эти диаграммы показаны в приложениях 3 и 4 соответ­ ственно. Известные 75-соотношения Свердрупа показаны на диа­ грамме области, где укладываются основные типы 75-крнвых Ми­ рового океана; по приложению 3 можно отметить тот или иной вид

88

определенной 75-кривой в разных районах океана. Однако схема Свердрупа страдает известным недостатком, так как не охватывает целых групп 75-кривых между основными типами и соответствую­ щих районам, переходным по отношению к тем, указания на кото­ рые имеются на рисунке. Для характеристики указанного недо­ статка приведем такой пример: область центральных вод восточной части северной половины Тихого океана переходит, если следовать по меридиану, па юг, в область экваториальных вод; этому «пере­ ходу» соответствует постепенное, плавное изменение формы ^ -к р и ­ вой от одного типа к другому даже при переходе через фронтальные области. Однако на схеме Свердрупа между типовыми 75-полосами имеется значительный разрыв, и неясно, какую форму принимают «промежуточные» 75 -кривые.

Осредненная 75-диаграмма Дитриха (приложение 4) в извест­ ной мере устраняет отмеченные недостатки диаграммы Свердрупа, так как в 75-области, соответствующей каждому из океанов, укла­ дываются все возможные для этих областей 75-кривые. Однако картина слишком генерализована, и мы лишаемся возможности судить об их форме, так как основные типы здесь не определены, и в пределах каждой из заштрихованных 75-областей мы можем, вообще говоря, вообразить 75-кривую любой формы. Конечно, схема Дитриха тоже подсказывает нам преобладающую конфигу­ рацию 75-кривых, однако, глядя, например, на 75-область, соот­ ветствующую Индийскому океану, с трудом можно представить себе вероятность почти 75-прямой, характерной для водных масс юж­ ной части Бенгальского залива, где с глубиной наблюдается почти полная гомохалинпость.

В работе В. II. Степанова рассматриваются основные типы структур вод Мирового океана, проводится их классификация, а также приводятся типовые 75-кривые, соответствующие основ­ ным структурам.

Таким образом, представляется необходимым уточнение кар­ тины 75-соотношений основных водных масс; на них, помимо основ­ ных «вееров», «пучков» и других совокупностей 75-кривых, должны быть изображены и термохалинные индексы (значения температуры и солености) первоначальных водных масс (в том числе и «точеч­ ных»), а также основные треугольники смешения, чтобы анализ 75-соотношений можно было существенно дополнить выводами, следующими из аналитических теорий 75-кривых. Кроме того, не­ обходима известная систематизация 75-индексов основных водных масс. Эта задача была решена О. И. Мамаевым.

Видоизмененные 75-соотношения основных водных масс Атлан­ тического, Индийского, Тихого и Южного океанов, построенные О. И. Мамаевым, даны в приложениях 5—8 соответственно. В ос­ нову этих обобщенных 75-соотношений положена схема Свердрупа (приложение 3), и в известной степени они могут рассматриваться как модификация последней. Кроме того, при построении этих соот­ ношений, помимо 75-диаграммы Свердрупа, были использованы се­

89