Основы учения о водных массах
Уже на первых этапах изучения океана обращалось внимание на отличие характеристик воды в разных районах океана, даже близких друг к другу: воды теплые и холодные, соленые и опресненные. Эти воды отличались также по цвету, богатству органической жизни и т. д. Австрийский ученый А. Дефант впервые (1929) употребил термин «водные массы», но рассматривал его узко, в аспекте решения задачи о смешивании двух или трех водных масс. Однако идея имела большое значение. Она развивалась по аналогии с учением о воздушных массах, разработанным в 1920-х годах норвежской школой метеорологов-синоптиков. Синоптическая метеорология рассматривает атмосферу как систему различных воздушных масс — арктических и тропических, морских и континентальных и т.д., которые обладают определенными характеристиками: температурой, влажностью, прозрачностью и т.д. Все они находятся в движении, соприкасаются, образуя циклоны, антициклоны, фронты, что в движении, во времени и воспринимается как синоптические процессы в атмосфере, как погода.
В океане протекают аналогичные процессы, но более сложные из-за существенной разницы в плотности сред, вязкости, скорости движения и т. д. В настоящее время понятие «водная масса» можно принять в формулировке А.Д. Добровольского (1947): «Водной массой следует называть некоторый, сравнительно большой объем воды, формирующийся в определенном районе Мирового океана — очаге, источнике этой водной массы, обладающий в течение длительного времени почти постоянным и непрерывным распределением физических, химических и биологических характеристик, составляющих единый комплекс, и распространяющийся как одно, единое целое».
Каждая водная масса как понятие географическое характеризуется определенным комплексом показателей — физических, химических, биологических и даже геологических и связана с определенным течением. В комплекс показателей входят температура, соленость, цвет, прозрачность воды, содержание кислорода, сероводорода, биогенных веществ, некоторые химические коэффициенты, изотопный состав воды, минералогический и химический состав взвеси, видовой состав планктона, нектона, бентоса и т.д.
В каждой водной массе выделяется ее ядро с наиболее отчетливо выраженными показателями (индексами) со значениями, близкими к таковым в очаге, районе формирования этой водной массы. От ядра к внешним границам водной массы значения показателей изменяются, но в определенных пределах, допустимых для данной водной массы. Изменение значений характеристик водной массы, ее трансформация происходят под влиянием трех причин: перехода из одной климатической зоны в другую, изменения внешних условий в районе расположения водной массы и смешения с соседними водными массами. Первый вид носит название зональной трансформации, так как он связан с перемещением по меридиану (теплые и холодные течения). Второй вид — сезонная трансформация — связан не с переносом водной массы, а с сезонным изменением гидрометеорологических характеристик на месте; вновь образующуюся водную массу тогда можно назвать разновидностью или модификацией первой (например, зимняя разновидность, летняя модификация). Третий вид называется трансформацией смешения: вследствие перемешивания двух водных масс формируется третья с промежуточными значениями характеристик. Трансформация смешения может идти постепенно, плавно, если между водными массами нет резкой границы, как, например, между водами Канарского течения и Саргассова моря. Но некоторые водные массы разграничены очень резко, как, например, Гольфстрим и Лабрадорское течение, которые разделены «холодной стеной» с очень большими горизонтальными градиентами океанологических характеристик. Пограничная область двух масс называется фронтальной зоной, или фронтом, хотя точнее фронтом следует называть линию на поверхности моря или на некотором горизонте, которая образуется при пересечении последней с фронтальной поверхностью срединной части фронтальной зоны, где существуют наибольшие величины горизонтальных градиентов характеристик. В этом случае смешение происходит особенно интенсивно, проявляется эффект уплотнения при смешении, возникают вертикальные движения, словом, этот случай выделяется в особый вид фронтальной трансформации.
Сочетание в пространстве водных масс, границ между ними (фронтов) образует гидрологическую структуру вод отдельных районов океана. Структура отражает общие закономерности важнейших океанологических процессов. Структура вод в вертикальном направлении характеризуется кривыми вертикального распределения и T, S-кривыми, T, 02-кривыми и др., а в горизонтальном направлении — картами.
Для распознавания водных масс надо использовать комплекс разнообразных показателей. Но это далеко не всегда возможно. Кроме того, каждый из показателей обладает разной степенью консервативности (изменчивости). Поэтому чаще всего пользуются одним-двумя основными показателями, а другие привлекают по мере возможности. Давно в качестве основных показателей берут температуру и соленость воды, кривые их вертикального распределения и карты горизонтального распределения. Но гораздо более убедительные результаты дает совместный анализ обоих показателей при помощи T, S-кривых. Такой метод предложил норвежский ученый Б. Хелланд-Хансен еще в 1916 г., советский ученый В. Б. Штокман развил его до теории T, S-кривых.
10.14.2. Основы T, S-анализа водных масс
Содержание метода заключается в исследовании связи между температурой и соленостью, которую формально можно записать уравнением T=f(S) или, наоборот, S=f(T). Такое уравнение физического смысла не имеет, так как эти характеристики не зависят одна от другой. Но географическая связь существует, ибо и температура, и соленость данной водной массы создаются в очаге одними и теми же условиями. Водная масса — понятие географическое, связанное с местом ее формирования и путем распространения. Связь эта может быть выражена графически T, S-кривой. На графике по оси абсцисс откладывают соленость, а по оси ординат — температуру. T, S-поле позволяет построить изопикны — линии равных плотностей, т. е. получить T, S-диаграмму. T, S-кривая гидрологической станции (вертикали), таким образом, строится в поле T, S-диаграммы по точкам, пара координат которых — измеренные температура и соленость — соответствуют определенному горизонту; глубина некоторых измеренных горизонтов может быть подписана возле соответствующей точки (рис. 10.24).
Метод T, S-анализа можно применить и для изучения пространственного распределения водных масс, как это сделали Ф. Нансен и Б. Хелланд-Хансен в работе по северной части Атлантического океана.
В поле T, S-диаграммы можно наносить Т, S-точки, осредненные по времени для одного и того же пункта моря, проводя осреднение и по слоям (водным массам), или только по горизонтам. Если строить такие кривые по средним месячным данным для всего года, то они покажут закономерность годового хода T, S-индексов и пределы изменения температуры и солености в течение года, т. е. покажут характеристику изменчивости показателей водной массы. Характеристика долгопериодной изменчивости индексов водных масс также может использоваться как один из показателей наряду со значениями температуры, солености, изотопным составом воды и т. п., подробнее об этом будет рассказано ниже.
Рис. 10.24. Пример T, S-кривых для двух станций, выполненных научно-исследовательским судном «Профессор Мультановский» в 1993 г. на разрезе по 36° с. ш. в Атлантическом океане. Цифрами (м) указаны некоторые горизонты. Штриховыми линиями даны изолинии равной условной плотности s0