Методика выделения и свойства водных масс в тихоокеанском секторе Южного океана

Теплои влагообмеп океана с атмосферой и льдом, динамическое воздействие атмосферы па океан, возбуждаемая этими факторами общая циркуляция Мирового океана в сочетании с важнейшими географическими закономерностямигоризонтальной зональностью и вертикальной слоистостью — обусловливают организацию пространства Мирового океана в виде относительно однородных по своим физическим и химическим свойствам и различных по масштабу объемов воды — водных масс.

Пожалуй, наиболее развернутым можно считать данное А. Д. Добровольским [9] в 1961 г. определение водной массы как «некоторого, сравнительно большого, объема воды, формирующегося в определенном районе океана — очаге, источнике этой массы, обладающего в течение длительного времени почти непрерывным распределением физических, химических и биологических характеристик, составляющих единый комплекс и распространяющихся как единое целое». Всякая водная масса при таком подходе должна иметь источник на поверхности или в приповерхностном слое океана. Длительность и особенности пути распространения некоторых водных масс могут приводить к существенной трансформации их характеристик за счет смешения с другими водными массами, в том числе обусловленного этим смешением потока тепла, действия химических и биологических процессов. Нередко продукты такой трансформации выделяют в отдельные модификации или даже самостоятельные водные массы.

Определение ряда важных количественных характеристик водных масс, в том числе их объема, средних свойств и диапазона изменений этих свойств, требует отыскания точного положения водных масс в пространстве океана, а, следовательно, и разделяющих их границ. Определение границ между водными массаминетривиальная и не очень часто ставящаяся в океанологических исследованиях задача. Первый этап в решении этой задачи состоит в выделении самих водных масс.

По современным представлениям водный столб в глубоком океане устойчиво разделяется на несколько слоев, которые обычно идентифицируются экстремумами вертикальных профилей температуры, солености, концентрации растворенного кислорода или биогениых элементов. Отличительные характеристики каждого такого ядра" отражают уникальные свойства, приобретенные как в очаге формирования, так и при последующей трансформации водной массы внутри этого слоя [50]. Таким образом, всякой водной массе обычно ставится в соответствие одно или даже несколько ядер, определяемых упомянутыми выше экстремумами. Картирование положения ядра водной массы — метод «ядра», как правило, позволяет отследить область ее распространения. Однако особенности распределения физических или химических характеристик в вышеи нижележащих водах могут приводить, с одной стороны, к исчезновению экстремума, характеризующего водную массу, то есть к ее маскировке, с другой — к образованию «наведенных» экстремумов, неоправданно расширяющих область распространения водной массы [20].

Метод Г-?-анализа, основанный на использовании данных по вертикальным распределениям температуры и солености, позволяет определить квазигоризонтальные границы водных масс, установить район происхождения водных масс, оценить степень их трансформации при существенных допущениях, положенных в его основу, которые сводят метод к описанию процесса выравнивания температуры и солености во времени за счет вертикального турбулентного перемешивания [22]. Собственно выделение водных масс в этом методе осуществляется по таким парам значений температуры и солености (термохалинным индексам), которые не могут быть следствием смешения других водных масс. В ряде случаев метод Г-?-анализа позволяет выявить «замаскированные» водные массы, поскольку характеризующие их температура и соленость не обязательно должны быть локальными минимумами или максимумами.

Для выявления всей области распространения водной массы, например в тех случаях, когда это не позволяет сделать метод ядра, прибегают к методу изопикнического анализа, заключающемуся в построении топографии и распределении свойств на поверхностях равной плотности, приблизительно соответствующих предполагаемому ядру водной массы [46]. Изопикнический анализ базируется на предположении о том, что поскольку прямое влияние действующих на поверхности океана термохалинпых факторов ограничивается верхним однородным слоем, глубже этого слоя, при условии подавления процессов вертикального обмена архимедовыми силами, не должно быть фактора, способного существенно изменить плотность какого-либо объема воды. Под изопикничностыо поверхности следует понимать то ее свойство, что при движении жидкой частицы вдоль этой поверхности не совершается работа против силы Архимеда, то есть изменение плотности, обусловленное приращением температуры, компенсируется за счет приращения солености. В реальном океане построение поверхностей, точно удовлетворяющих этому условию, вообще говоря, невозможно. Предложенные в работе [60] и затем [39] поверхности равной потенциальной плотности, то есть плотности, определяемой по потенциальной температуре и солености при произвольном выборе отсчетного давления, можно считать близкими к изопикническим только в некотором диапазоне изменений глубины от отсчетного уровня. Изоповерхности предложенной в [36] скалярной функции пространственных координат, названной авторами «нейтральной плотностью», удовлетворяют условию изопикпичности с ошибкой, не превышающей ошибки современных инструментальных методов измерений плотности в океане.

Наиболее простой способ определения границы водной массы — по фиксированному значению какой-либо характеристики. В числе подобных способов следует отметить достаточно популярный в настоящее время метод повсеместного отождествления границ между водными массами с поверхностями равной потенциальной плотности. Однако такой выбор, как и выбор изоповерхностей нейтральной плотности, накладывает слишком жесткое ограничение на характер изменения свойств водных масс во времени, поскольку при указанном условии потепление водной массы должно обязательно сопровождаться ее осолопением, а похолодание — опреснением. В современной практике в качестве границы водных масс по вертикали принимаются также положение фиксированного значения градиента какого-либо свойства или глубина залегания промежуточного максимума устойчивости [10, 21, 52, 64], горизонт, на котором с увеличением глубины изменения потенциальной температуры и солеиости вносят равный вклад в рост потенциальной плотности с отсчетным уровнем на поверхности океана [7]- в работах [14] и [8] для определения границ между водными массами было использовано положение по глубине экстремумов производных физических и химических характеристик в поле потенциальной плотности. Положение максимумов градиентов по глубине для определения границ между водными массами впервые было использовано в работах [1, 21]. В Г-5-анализе при смешении двух водных масс граница между ними определяется по их 50%-пому присутствию в смеси [22].

Пределы распространения некоторых водных масс связываются с океанскими фронтами [49], то есть фронты являются для этих водных масс квазивертикальными границами. Фронты идентифицируются существенными изменениями в вертикальной структуре водного столба по обеим сторонам от фронта. Такие изменения обычно сопровождаются увеличением горизонтальных градиентов свойств и концентрацией геострофических течений. Изменчивость свойств разделяемых фронтом водных масс, обусловленная их взаимным смешением по ходу фронта, воздействием атмосферы, определяет многообразие способов определения для каждого из океанских фронтов. Точное положение океанского фронта обычно связывается с максимумом меридионального градиента какого-либо свойства на какой-либо глубине или вдоль изопикнической поверхности, с пределом распространения какого-либо свойства или с изолинией какой-либо характеристики на поверхности океана или на конкретном горизонте. Наиболее полный на сегодняшний день обзор методов идентификации и точного определения положения фронтов в приложении к Южному океану приведен в [26].

В настоящей работе задача, заключающаяся в отыскании границ между водными массами, решается на примере тихоокеанского сектора Южного океана. С этой целью разработана оригинальная методика определения границ межу водными массами [14, 15, 16, 17, 18], основывающаяся на известных физических принципах взаимодействия водных масс друг с другом, с дном и атмосферой, которые можно кратко сформулировать следующим образом:

A) водные массы в большинстве случаев характеризуются локальными экстремумами тех или иных физико-химических характеристик по глубине.

Б) распределения физико-химических характеристик внутри водных масс, как правило, более однородны, чем в пограничных областях между ними.

B) распространение водных масс носит квазиизопикнический характерболее точно, водные массы имеют тенденцию распространяться вдоль изоповерхностей нейтральной плотности.

Южная часть Тихого океана на сегодняшний день остается еще относительно малоизученной. Затрудненность экспедиционных исследований, связанная с удаленностью от берегов, отсутствием островов особенно в юго-восточном секторе Тихого океана, обуславливает относительный недостаток данных гидрологических измерений в этой части океана. Одна из задач международной программы WOCE (World Ocean Circulation Experiment) состояла в восполнении недостатка таких исследований в Мировом океане. Трассы трансокеанских гидрофизических разрезов по проекту должны были проходить, прежде всего, через районы с наименьшей плотностью измерений и ориентировались главным образом в меридиональном или зональном направлениях. В южной части Тихого океана замкнутый контур вместе с берегом Антарктиды, восточным побережьем Австралии и западным побережьем Южной Америки образуют разрезы, выполненные между Тасманией и Антарктидой, через пролив Дрейка и номинально вдоль 32°ю.ш. Данные разрезов, выполненных именно в этом секторе Тихого океана, легли в основу анализа, проведенного в настоящей работе.

В главе 1 кратко описана картина горизонтальной циркуляции, структура фронтов в южной части Тихого океанаприведено описание известных водных масс этой части Мирового океана.

В главе 2 описаны данные, использованные в настоящей работеизложено описание повой оригинальной методики определения границ водных масс;

В главах 3, 4, 5 и 6 рассмотрены свойства и распространение водных масс в южной части Тихого океана в границах, найденных с помощью описанной в главе 2 методики. Основные результаты, изложенные в этих главах, содержатся соответственно в работах [15, 16, 17, 18].

В приложении приведены распределения некоторых физических и химических характеристик океана на разрезах WOCE и положения границ между водными массами на этих разрезах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей работе получены следующие главные результаты:

1. Разработан оригинальный комплекс методов определения границ между водными массами океана. С помощью этого метода по данным VOCE исследованы ареалы распространения и физико-химические параметры донных, глубинных и промежуточных вод тихоокеанского сектора Южного океана.

2. Впервые для Тихого океана отдельно выделены области распространения Атлантико-аптарктической донной воды, формирующейся в море Уэдделла, и Тихоокеанской антарктической донной воды, формирующейся в море Росса и у берега Георга V к югу от Тасмании. Впервые показана очень высокая интенсивность формирования Антарктической донной воды в восточной части моря Росса.

3. Показана необходимость выделения Циркумполярной донной воды, представляющей собой продукт смешения Атлантико-антарктической донной воды и Нижней циркумполярной глубинной воды и занимающей обширную площадь у дна в южной части Тихого океана.

4. Выделены две локальные модификации Нижней циркумполярной глубинной воды — Донная вода Южной котловины и Чилийская донная вода.

5. Построены схемы циркуляций глубинных и придонных вод. Показано, что Глубинное западное пограничное течение Тихого океана, несущее глубинные и донные воды из южной части океана в северную вдоль западной окраины Южной котловины, формируется средним и нижним слоями Нижней циркумполярной глубинной воды и Циркумполярной донной водой.

6. Определены границы Тихоокеанской глубинной воды и Верхней циркумполярной глубинной воды в тихоокеанском секторе Южного океана. Выявлены региональные модификации Тихоокеанской глубинной воды, их границы и структура.

7. Выявлены основные пути распространения Тихоокеанской глубинной воды с севера в зону Южного океана, доказано проникновение Тихоокеанской глубинной воды на юг вплоть до пролива Дрейка иа восточной периферии Тихого океана.

8. Обнаружена высокая степень однородности Тихоокеанской глубинной воды и Верхней циркумполярной глубинной воды в тихоокеанском секторе Южного океана. Промежуточный минимум концентрации кислорода в Верхней циркумполярной глубинной воде обусловлен вихреобразованием на фронтах Антарктического циркумполярного течения.

9. Впервые выделен и картирован Северный субантарктический фронт, ограничивающий с севера Субантарктическую модовую воду в верхнем слое океана.

10. Построены схемы циркуляций Антарктической промежуточной и Субантарктической модовой вод в тихоокеанском секторе Южного океана, находящиеся в согласии с распределениями солености и растворенного кислорода иа изопикнических поверхностях, соответствующих ядрам этих водных масс.

11. Сформулирована оригинальная концепция физической природы особенностей вертикальной структуры Антарктической промежуточной и Субантарктической модовой вод в восточной и северной частях тихоокеанского сектора Южного океана.