13. Водные массы Мирового океана

Воды Мирового океана разделяются по физико-химическим свойствам и составу живущих в них организмов на различные, сравнительно однородные крупные объемы. Эти океанические аналоги природных ландшафтов суши получили название "водные массы".

Наиболее полное определение водной массы дано советским океанологом А.Д. Добровольским (1961): "Водной массой следует называть сравнительно большой объем воды, формирующийся в определенном районе Мирового океана - очаге, источнике этой 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."

Водная масса отражает физико-географические черты района своего формирования, где она получила свои характерные свойства, и пути распространения.

Обычно водные массы называют по месту их расположения или формиро­вания. Так, водные массы, образовавшиеся вокруг Антарктиды, называются антарктическими, в высоких широтах северного полушария - арктическими и субарктическими и т.д.

Главными показателями той или иной водной массы являются ее термохалинные характеристики - температура и соленость. В том случае, когда по этим характеристикам невозможно произвести выделение водных масс, в качестве дополнительных привлекаются химические и биологические параметры.

Представление о первоначальных однородных по температуре и солености водных массах (изображаемых на Т,S-диаграмме в виде отдельных термохалинных индексов), лежащее в основе аналитических теорий Т,S-кривых, не соответствует действительности, поскольку в Мировом океане наблюдается непрерывное распределение температуры и солености по вертикали и горизонтали. Из Т,S-диаграммы можно видеть (рис.30), что в самом общем виде водные массы подразделяются на два типа. К первому типу, называемому океанической тропосферой, относятся теплые поверхностные воды, охватывающие слой, в ко­ором наблюдается годовой ход океанологических характеристик, и промежуточные воды. Ко второму типу - океанической стратосфере относятся холодные глубинные и придонные воды.

Деление на тропосферу и стратосферу предложено немецким океанографом Дефантом и применяется только для районов низких и умеренных широт.

Определенный набор и взаимодействие различных водных масс по вертикали, типичные для данной области или зоны океана, образуют структуру водных масс. Та или иная структура может состоять из поверхностных (до глубины 150-200 м), подповерхностных (от 150-200 до 600-800 м), промежуточных (от 600-800 до 1000-1500 м), глубинных (от 1000-1500 до 2500-3000 м) и придонных (более 3000 м) водных масс. К этим определениям присоединяют еще дополнительные, показывающие их географическую принадлежность или район формирования.

Среди поверхностных водных масс выделяют следующие важнейшие водные массы: экваториальные, тропические, субтропические (в каждом полушарии), субарктическую, субантарктическую, арктическую и антарктическую. При этом название той или иной структуры водных масс дается по названию поверхностной водной массы. Таким образом, рассматривается трехмерная структура Мирового океана, в которой поверхностные водные массы вместе с лежа­щими ниже подповерхностными, промежуточными, глубинными и придонными водными массами составляют экваториальную, тропические, субтропические, субарктическую и субантарктическую, арктическую и антарктическую структуры водных масс.

Области распространения этих структур разделяются океаническими фронтами. Поскольку фронты представляют собой зоны раздела между водными массами с различными физико-химическими характеристиками, то в них отмечаются наибольшие градиенты температуры и солености.

Промежуточные водные массы образуют своеобразную жидкую границу между тропосферой и стратосферой океана. Они подразделяются на:

- промежуточные воды с минимумом солености, образующихся в субарктичес­ких и субантарктических широтах (например, субарктическая водная масса в Атлантике, субарктическая - в Тихом океане, антарктическая - во всех трех океанах);

- промежуточные воды с максимумом солености, образующихся в результате водообмена океана с замкнутыми морями (например, средиземноморская водная масса в Атлантике, красноморская - в Индийском);

- промежуточные воды с максимумом температуры, проникающие в высокие широты (например, атлантическая теплая прослойка в Северном Ледовитом океане, антарктическая промежуточная водная масса в Южном океане).

Стратосферные (глубинные и придонные) водные массы подразделяются на:

- воды, образующиеся в высоких широтах Северного полушария и характери­зующиеся максимумом солености;

- воды, образующиеся в высоких широтах Южного полушария и характеризующие­ся минимумом солености.

Стратосферные воды перемещаются из областей высоких широт навстречу друг другу и там, где они приходят в соприкосновение, воды Северного полушария оказываются глубинными (например, североатлантическая глубинная водная масса), а воды Южного полушария - придонными (например, антарктическая придонная водная масса). Термохалинные характеристики этих вод таковы, что антарктические воды, как более плотные и тяжелые, всегда оказываются ниже водных масс северного происхождения.

Большинство промежуточных, глубинных и придонных водных масс формируется из поверхностных. Опускание поверхностных вод происходит в основном за счет вертикальных движений, которые вызываются увеличением плотности этих вод при осенне-зимнем охлаждении. Особенно благоприятны условия для образования водных масс в высоких широтах, где развитию интенсивных нисходящих движений по периферии циклонических систем способствуют высокая плотность вод и небольшие вертикальные ее градиенты.

Может быть выделено различное количество водных масс в зависимости от критериев, которые для этого привлекаются. Рассмотрим важнейшие из них.

Антарктическая придонная водная масса самая большая по объему в Мировом океане. Занимает придонный слой вокруг Антарктиды, распространяясь в Атлантическом океане на север за экватор до 35-40⁰ с.ш. (рис. 36). На меридиональном разрезе эта водная масса выделяется более низкой температурой и соленостью по сравнению с вышележащими водами. Формируется в основном в море Уэдделла и в меньших количествах на шельфе вокруг Антарктиды.

Летом прибрежные воды Антарктики прогреты выше температуры замерзания и разбавлены таянием льдов до солености ниже 34‰. Осенью охлаждение и ледообразование вызывают интенсивное конвективное перемешивание, достигающее глубины 300 м. При этом ледообразование повышает соленость перемешавшейся толщи лишь до 34.51‰, так что плотность не позволяет этим прибрежным водам опуститься ниже 300 м. Глубже прибрежных вод к Антарктиде подходят с севера воды высокой солености. Смесь прибрежных вод с этими солеными водами благо­даря уплотнению при смешении становится плотнее обеих компонент и имеет соленость выше 34.51‰. Эта смесь в результате высокой плотности сползает по материковому склону до самого дна и образует антарктическую придонную водную массу.

Условия для образования антарктической придонной водной массы зимой возникают на всей материковой отмели Антарктиды, но в море Уэдделла эти условия наиболее благоприятны.

У дна вблизи Антарктиды антарктическая придонная водная масса имеет характерные значения температуры –0.4⁰С и солености 34.66‰. Плотность этой воды наибольшая в океане (σ_t=27.89). Из района формирования она медленно движется к северу в Атлантику, одновременно участвуя в генеральном переносе вокруг Антарктиды и в горизонтальной циркуляции вод океанов, в которые она рас­пространяется.

Рис. 36. Схема водных масс на меридиональном разрезе через Атлантический океан

АнПр - антарктическая придонная; ГлА - североатлантическая глубинная и придонная; АнЦп - антарктическая циркумполярная; Срдзм - средиземноморская; СЦ - северная центральная; ЮЦ - южная центральная; АнП - антарктическая промежуточная; АрП - североатлантиче­ская промежуточная; Э - экваториальная; АК - антарктическая конвергенция; СК - субтропическая конвергенция.

Североатлантическая глубинная и придонная водная масса вторая по объему в Мировом океане после антарктической придонной воды, формируется зимой в море Лабрадор и между Гренландией и Исландией. В этих районах теплая и соленая вода Северо-Атлантического течения смешивается с более холодной и распресненной водой, переносимой Восточно-Гренландским течением. Осенью и зимой сильная теплоотдача в атмосферу охлаждает смесь и повышает ее плотность до σ_t=27.88, что заметно выше плотности обеих составляющих смеси и близко к плотности, постоянно наблюдающейся в этом районе на глубине более 1000 м. В результате тяжелые поверхностные воды опускаются зимой до глубины более 1000 м. Так как условия охлаждения от года к году отличаются, плотность опускающейся воды также варьирует, благодаря чему водная масса заполняет как придонные, так и глубинные слои, формируя североатлантическую глубинную и придонную водную массу. Ее температура в районах формирования изменяется с глубиной от 2,8 до 3.3⁰С, соленость - от 34.90 до 34.96‰.

Из районов формирования североатлантическая глубинная и придонная вода растекается к югу. Ее перемещению в северном направлении препятствуют поднятия дна, к югу же эта масса движется на глубинах 2000-4000 м поверх антарктической придонной воды, и прослеживается вплоть до антарктической области. На меридиональном разрезе через Атлантический океан североатлантическая глубинная и придонная вода выражена языком высокой солености - от 34.96‰ в районе формирования до 34.70‰ вблизи Антарктики. Поднимаясь в антарктической области в верхние слои, североатлантическая глубинная и придонная водная масса является той составной частью, которая вместе с прибрежными водами формирует осенью и зимой антарктическую придонную воду. Этим объясняется то, что антарктическая придонная водная масса формируется главным образом в атлантическом секторе антарктической области.

В Тихом океане нет условий для формирования водной массы, подобной североатлантической глубинной и придонной. Глубинные и придонные слои Индийского и Тихого океанов содержат североатлантическую глубинную и придонную воду, которая в общем движении вод проходит в южные секторы этих океанов и растекается в них к северу.

Антарктическая промежуточная водная масса представляет собой поверхностную воду, опускающуюся в зоне антарктической конвергенции и растекающуюся к северу на глубинах от 400 до 1000-1500 м. В Атлантике она заметна до 10-15°с.ш. Антарктическая конвергенция наблюдается на 50-60°ю.ш. и является непреодолимым препятствием для антарктических льдов и айсбергов, которые здесь тают. Поэтому на меридиональном разрезе антарктическая промежуточная вода выделяется минимальной соленостью S=33.8‰ и пониженной температурой Т=2.2⁰С.

Центральные водные массы формируются в областях стационарных субтропических максимумов атмосферного давления. Характерная особенность этих вод - максимумы солености. На перифериях центральных масс (северных в северном полушарии и южных ­в южном) в периоды охлаждения развивается интенсивная конвекция. Благодаря этому центральные массы увеличивают свою мощность до 200-300 м в Тихом океане и до 900 м в Саргассовом море Атлантического океана.

Экваториальные водные массы формируются в районе экватора трех океанов. Благодаря положительному пресному балансу этих районов они сильно распреснены по сравнению с центральными водными массами, между которыми расположены. В Атлантическом океане экваториальная водная масса выражена слабее, чем в двух других океанах, вследствие переноса вод из южного полушария в северное.

Средиземноморская водная масса играет заметную роль в формировании глубинных вод Атлантического океана. Эта вода при температуре 13.0-13.6°С и солености 38.4-38.7‰ имеет высокую плотность (σ_t=27.60), благодаря чему переливаясь через порог Гибралтарского пролива, она опускается по материковому склону до глубины 1000 м и на этом уровне веерообразно растекается на большом пространстве Северной Атлантики, формируя слой с максимумом солености. В ядре она имеет температуру 11.9⁰С и соленость 36.5‰.

Аналогичную роль в северо-западной части Индийского океана играет красноморская водная масса , имеющую температуру 23⁰С и соленость 40‰.

Антарктическая циркумполярная водная масса образуется в результате того, что к поднимающейся вблизи Антарктиды североатлантической глубинной и придонной воде примешиваются некоторые количества антарктической промежуточной и антарктической придонной, между которыми эта вода движется. Образующаяся смесь поднимается в верхний слой океана уже как самостоятельная водная масса и занимает пространство между антарктическими прибрежными водами и антарктической конвергенцией. В круговом переносе вод антарктическая циркумполярная вода образует кольцо, опоясывающее Антарктиду. Характеристики ее имеют преимущественно зональный характер изменения. Для антарктической циркумполярной воды в верхнем слое характерна дивергенция зонального переноса: в течении имеется составляющая, направленная к северу - к антарктической конвергенции, а зимой еще и к югу, компенсируя опускание придонной воды. Именно эта дивергенция течений в определенной степени обусловливает подъем североатлантической глубинной и придонной воды в антарктической области.

Субантарктическая водная масса расположена между антарктической конвергенцией и южными границами центральных водных масс. Перемещается в общем движении антарктических вод с запада на восток, образуя замкнутое кольцо. Сформирована эта вода смешением центральных водных масс на их южных перифериях с антарктической промежуточной водой.

Субарктическая водная масса в северном полушарии занимает большое пространство Тихого океана севернее 40°с.ш. Образована эта вода процессами охлаждения и распреснения океанских вод в районах Берингова и Охотского морей и прилегающей части океана. В Атлантическом океане субарктическая вода образуется в малых количествах.

В Северном Ледовитом океане присутствуют четыре водные массы, а вся толща воды сверху и с низу имеет отрицательную температуру, разграниченную тонкой прослойкой воды с положительной температурой.

Поверхностная водная масса с отрицательной температурой до глубины 200-250 м представляет деятельный слой океана, содержащий распресненные воды. Зимой этот слой полностью охвачен конвекцией, причем его температура понижается почти до температуры замерзания (около –1.7°С). Летом между плавающими льдами отрицательная температура чуть выше температуры замерзания. На поверхности этой водной массы соленость около 31.3-31.5‰, благодаря положительному пресному балансу - осадкам и речному стоку.

Теплая атлантическая прослойка - уникальное явление в Мировом океане. Эта водная масса формируется из теплого Западно-Шпицбергенского течения. При высокой солености - до 34.75‰ достаточно охлаждения этой воды до 3-4⁰С, чтобы благодаря своей высокой плотности она опустилась под поверхностный слой Северного Ледовитого океана. Далее теплая атлантическая прослойка растекается по всей акватории Северного Ледовитого океана на глубинах 200-500 м, сохраняя даже у Берингова пролива в своем ядре высокую соленость и температуру не ниже +0.4⁰С.

Глубинные и придонные водные массы образуются в Гренландском море. При осенне-зимнем охлаждении в центральной части Гренландского моря смесь вод теп­лого, соленого Западно-Шпицбергенского течения и холодного, распресненного Восточно-Гренландского течения достигает высокой плотности, погружается и переваливает через порог между Гренландией и Шпицбергеном, заполняя глубины ниже 500 м. Типичные значения температуры глубинной толщи Северного Ледо­витого океана от –1.2 до –0.8⁰С, солености - от 34.92 до 34.89‰.

Водные массы и их структуры, формирующиеся в определенных районах Мирового океана, четко отражают вертикальную и горизонтальную зональность как одну из основных географических закономерностей природы Земли.