Рух вод у Світовому океані

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Главные характеристики вод океана — температура и со­леность. Их вариации в пространстве порождают многие физико-географические различия между отдельными частями океана. Солнечная радиация распределяется по поверхности океана крайне неравномерно. Зимой в при­полярных районах солнце вообще не показывается, ле­том не поднимается выше 20—30° над горизонтом. В при­экваториальных районах каждый день оно поднимается высоко, почти до зенита. В результате неравномерного нагрева температура воды на поверхности открытого океана изменяется в пространстве примерно от —2 до + 30°. Следовательно, можно сказать, что в приполярных, высоких широтах вода в течение всего года холодная, близ экватора и в тропиках на поверхности — теплая (20—30°), а в умеренных широтах ее температура значи­тельно колеблется по сезонам приблизительно в пределах 5—20° (на поверхности).

В низких широтах метеорологические процессы и гидрологические условия отличаются относительной устой­чивостью, в умеренных и частично высоких широтах они очень изменяются от года к году.

Тепловая энергия, приходящая от солнца, практиче­ски полностью поглощается в нескольких верхних де­циметрах воды. В штиль тепло проникает на глубину крайне медленно, в результате молекулярной диффузии. Поэтому летом при штиле в морях и океанах образуется тонкий поверхностный теплый слой, ниже которого на­ходятся прохладные воды. Их разделяет слой резкого из­менения температуры по вертикали — слой скачка тем­пературы, или термоклин. При ветре, в зависимости от его силы и продолжительности, перемешивается большая или меньшая толща воды. В пределах перемешанного слоя температура выравнивается: на поверхности она понижается, на глубине — повышается. Теплозапас в ито­ге такого перемешивания не изменяется. Глубже остается холодная вода.

В высоких широтах происходит образование льда. Близ Северного полюса и Антарктиды лед не успевает растаять за лето и сохраняется круглый год. В несколько более низких, субполярных, широтах лед формируется осенью и зимой, но летом в основном исчезает.

Среднегодовая температура воды на поверхности Мирового океана

Соленость воды на поверхности определяется соотно­шением количества выпадающих осадков и величины ис­парения, притоком вод из других районов, подъемом вод с глубины, речным стоком, ледовыми явлениями. Средняя величина солености на поверхности открытого океана — приблизительно 35‰. Количество выпадающих осадков очень велико у экватора (2—4 м в год), меньше (500— 1000 мм в год) в умеренных широтах и очень мало в субтропиках, близ тропиков Рака и Козерога, а также у полюсов. Испарение весьма значительно в зонах господства сухого воздуха в тропиках и субтропиках, намного мень­ше в постоянно влажной атмосфере у экватора и в уме­ренных широтах, совсем ничтожно у полюсов. В резуль­тате некоторое превышение осадков над испарениями наблюдается у экватора. В субтропиках и у тропиков, наоборот, величина испарения намного больше величины осадков. Поэтому в открытом океане соленость несколько ниже средней у экватора (34,5—33‰), выше средней в тропиках и субтропиках (35,5—37‰) и близка к сред­ней в умеренных широтах. У полюсов летом в результате таяния льдов она меньше средней.

На глубине сотен метров соленость постепенно приб­лижается к величине 34,8‰ и несколько более 34,5‰ на больших глубинах.

Под влиянием климатических факторов в разных ча­стях океанов формируются большие массы вод, разли­чающиеся температурой, соленостью и некоторыми дру­гими характеристиками. Для каждого географического района океана характерны те или иные водные массы. Если водная масса переносится течением из одного райо­на в другой, то ее характеристики изменяются: она может охладиться, стать более пресной и т. д. При смешении разных водных масс часто создаются новые.

Циркуляция атмосферы, разность уровней океана и распределение температуры и солености (а следователь­но, и плотности) воды обусловливают общую циркуляцию вод океана. Можно сказать, что горизонтальные движе­ния поверхностных вод, т. е. поверхностные течения, вызываются преобладающими ветрами, а горизонтальные потоки на глубинах — различиями в плотности воды в разных районах и отчасти также поверхностными тече­ниями. Влияние ветров на поверхностные течения до­статочно четко проявляется в областях устойчивых ветров — пассатов тропических широт и западных ветров умеренного пояса. Здесь направления потоков воды и ветров почти совпадают. Так, северо-восточный и юго-восточный пассаты в обоих полушариях порождают со­ответственно направленные на запад пассатные течения. Связь течений и ветра подтверждена теоретическими расчетами, а также моделями Атлантического океана. Ско­рость океанских течений примерно в 10 раз меньше скорости создающего их ветра. Юго-западные и западные ветры умеренных широт поддерживают и усиливают по­токи вод на восток в обоих полушариях — Северо-Атлан­тическое, Северо-Тихоокеанское течения в северном по­лушарии и Западный дрейф в южном.

Тесная связь течений и ветров особенно ярко прояв­ляется в северной муссонной области Индийского океана, в меньшей степени — на западе Тихого океана и в морях Индонезии. Как известно, в северной части Индийского океана зимой северного полушария дует несильный севе­ро-восточный муссон из области высокого давления над холодной центральной частью Азии. В это время преобла­дает поток вод на запад. Летом над Южной и Юго-За­падной Азией из-за исключительно сильного нагрева суши образуется область резко пониженного атмосферного дав­ления, и с июня-июля сюда втягивается воздух с океана — начинается юго-западный муссон. Однако вскоре, букваль­но через несколько недель, течения меняют направление на обратное, на восток.

Под действием устойчивых ветров отмечаются явления нагонов и сгонов вод. Нагон обычно происходит тогда, когда ветер дует к берегу. Сгон развивается при устой­чивом и достаточно сильном ветре с берега. В этом слу­чае с глубины нескольких десятков метров, а иногда с 200—300 м поднимаются воды со свойственной им более низкой температурой, с иными химическими характеристи­ками. Это так называемый апвеллинг. Вода поднимается очень медленно — порядка 1—3 м в сутки. Подъем обыч­но происходит в узкой прибрежной зоне, но влияние его распространяется на обширные прилегающие акватории. Апвеллинг развивается под действием не только ветра, но и отклоняющего влияния суточного вращения Земли па движущуюся водную массу. В северном полушарии это отклонение вправо (если смотреть вниз по направле­нию течения), в южном — влево. В результате у одного края течения накапливаются излишки воды с после­дующим погружением, у противоположного — образуется надостаток.

Если течение в северном полушарии движется так, что берег находится справа, то у берега происходит на­копление, динамический нагон вод. Наоборот, если берег слева от течения, поверхностная вода уходит в открытый океан, у берега создается недостаток воды и развивается компенсационный подъем вод с глубины. Поднимающая­ся вода более холодная. Поэтому подъем сопровождается падением температуры, иногда очень существенным.

В Мировом океане устойчивый подъем наблюдается у побережья Северо-Западной и Юго-Западной Африки, у западных берегов Северной и Южной Америки в тро­пических и частично субтропических широтах. Кроме того, у западного берега Индии, восточного берега Сома­ли, у Мозамбика, над банкой Кампече и в некоторых других местах отмечается сезонный подъем вод, наиболее интенсивный летом, при усилении течений.

Пассатные течения, несущие воду с востока на запад, вызывают повышение уровня воды у западных окраин океанов в низких широтах. В Атлантическом океане пре­вышение уровня составляет примерно 20 см, в Тихом — около 50 см. В результате здесь зарождаются стоковые течения — поверхностные и подповерхностные. Среди по­верхностных — Гольфстрим, Бразильское, Куро-Сиво и Восточно-Австралийское. У самого экватора, в полосе затишья, из-за широтной (в направлении север—юг) неравномерности поля ветра образуется течение на во­сток — Экваториальноепротивотечение. Наиболее мощное и протяженное оно в Тихом океане, в Атлантическом, осо­бенно зимой северного полушария,— значительно короче. Все эти течения выносят избыток вод из западных частей океанов либо в более высокие широты, либо на восток.

Подповерхностные компенсационные потоки открыты сравнительно недавно. Это течения Кромвелла в Тихом океане, Ломоносова — в Атлантическом, Тареева — в Ин­дийском. Кроме того, севернее и южнее экватора, при­мерно около 20° широты, имеются подповерхностные струи на восток, иногда доходящие до поверхности океана.

В низких широтах на восточных окраинах океанов возникают холодные компенсационные течения из субтропических широт к экватору: Канарское, Венгельское, Калифорнийское, Перуанское.

Поверхностные течения и основные зоны конвергенций в Мировом океане

Если два поверхностных течения движутся парал­лельно друг другу в противоположных направлениях, то в зависимости от направления поперечной составляющей поверхностные воды на границе имеют тенденцию либо расходиться (составляющие направлены в противополож­ные стороны), либо сходиться (составляющие идут на­встречу друг другу). В первом случае на границе возни­кает полоса дивергенции — расхождение вод в стороны и компенсационный подъем с глубины. Во втором слу­чае образуется полоса схождения вод — конвергенции с накоплением вод на границе и погружением их на глуби­ну. Формирование и расположение зон дивергенций и конвергенции в Мировом океане было изучено В. Н. Сте­пановым. На границах северных пассатных течений с Северо-Атлантическим, Северо-Тихоокеанским и с Эквато­риальным противотечением также образуются зоны конвергенций. Дивергенции находятся на самом экваторе в области Южного пассатного течения Тихого океана, ко­торое захватывает акваторию и севернее экватора.

Обычно граница между противоположно направлен­ными течениями, несущими разные водные массы, не идет по прямой линии. На ней возникают волнообразные изгибы, переходящие, как и в атмосфере, в циклонические и антициклонические вихри большого масштаба, диамет­ром в десятки и сотни километров. Иногда такие сильно развитые вихри отделяются от основного потока и живут некоторое время в чуждой им воде другого течения. Такие явления наблюдаются в северной части Атланти­ческого океана, у края Гольфстрима, в Тихом — у гра­ниц Куро-Сиво.

Холодные ветры из высоких широт северного полуша­рия — одна из главных причин образования потоков в умеренные широты холодных арктических вод Восточно-Гренландского течения, Лабрадорского, Курильского. В умеренных широтах они встречаются с теплыми тече­ниями. В результате образуется зона схождения вод раз­ных свойств, или гидрологический фронт. По географиче­скому положению он близок к атмосферному фронту умеренных широт. Следовательно, умеренные широты — это область взаимодействия и смешения не только воздуш­ных, но и водных масс.

Горизонтальные движения вод на глубине создаются в значительной мере различиями в плотности воды. Это можно пояснить на простом опыте, проведенном Л. Map­сильи. Возьмем резервуар, перегороженный сплошной, непроницаемой перегородкой. В одной половине находит­ся легкая вода, в другой — более плотная. Если удалить перегородку или проделать в ней несколько отверстий, то тяжелая вода начинает течь вдоль дна и вытесняет лег­кую воду в верхние слои. Движение вод продолжается до тех пор, пока все нижние слои не будут заняты тяже­лой водой, а верхние — легкой.Если в силу каких-либо причин в одной половине сосуда будет непрерывно увели­чиваться плотность воды, а в другой — понижаться, то движение воды станет постоянным. Возникнет постоянная плотностная циркуляция.

Такое явление широко распространено в океане. Вода охлаждается и потому делается более плотной на поверх­ности в высоких широтах. Как и в резервуаре, она по­гружается, стремясь занять все пространство у дна. Плот­ные воды образуются в результате либо охлаждения, либо повышения солености. Осолонение может произойти из-за испарения воды или образования льда, так как при за­мерзании значительная часть солей вытесняется из льда в окружающую воду. В некоторых районах охлажденные воды имеют повышенную соленость.

В Арктике и Антарктике во время сильного осенне-зимнего охлаждения воды формируются льды. При этом образуются большие массы плотной холодной воды. Они погружаются на сотни метров и глубже и распростра­няются на обширные акватории Мирового океана. То же самое происходит и с водами субарктических, субантарк­тических и частично — умеренных широт. Из-за большой плотности они погружаются под поверхностные воды до тех пор, пока их плотность не сравняется с плотностью окружающих вод, а дальше идет почти исключительно горизонтальное движение.

В высоких и средних широтах находится несколько очагов формирования плотных вод. Это многие районы антарктических вод, особенно море Уэдделла, Северный Ледовитый океан, северные части Атлантического и Тихого.

В субтропических и тропических частях океанов плот­ные и очень соленые (36—37%) воды образуются в основном в результате большого испарения (испаряется слой воды около 2 м в год) и зимнего охлаждения до 18—16°. Эти воды погружаются под очень теплую и лег­кую поверхностную воду.

Своеобразные центры формирования высокосоленых вод (вследствие интенсивного испарения) находятся в полузамкнутых морях и заливах низких широт: в Среди­земном (39‰) и Красном (более 40‰) морях, Пер­сидском (около 39‰) и отчасти в западной половине Мексиканского (37‰) залива. Зимой эти воды несколько охлаждаются и погружаются. Струи их выходят в океан и прослеживаются на той или иной глубине на расстоя­нии многих сотен миль от пролива, соединяющего море или залив с океаном.

Необходимо кратко остановиться на разных видах перемешивания вод. Ветровое перемешивание охватывает поверхностный слой при шторме обычно до глубины не­скольких десятков метров. Глубина зависит от силы и продолжительности ветра, а также от распределения плотности воды. Если вода имеет одинаковую плотность до больших глубин, то сильный шторм может перемешать ее почти до 100 м. Если же плотность воды значительно возрастает с увеличением глубины, то перемешать такую переслоенную, или стратифицированную, по плотности воду значительно труднее.

При осенне-зимнем охлаждении поверхности воды ее плотность становится больше плотности нижележащих слоев, поверхностная вода погружается, а глубинная под­нимается. В результате вода перемешивается по верти­кали. Это — конвективное перемешивание. В районах сильного охлаждения, например у берегов Гренландии, оно охватывает толщу воды в несколько сот метров и во многих местах доходит до дна. В глубинные слои посту­пает кислород, а оттуда к поверхности доставляются био­генные вещества. Так происходит ежегодная вентиляция глубинных слоев.

В низких широтах, где поверхностные воды охлаж­даются очень слабо, конвективное перемешивание незна­чительно. На поверхности устойчиво располагаются теп­лые воды, глубже — прохладные и холодные. Лишь в районах сильного осолонения формируются более плот­ные воды.

При контакте вод, движущихся с разной скоростью или в противоположных направлениях, возникает вихре­вое турбулентное перемешивание. Все виды перемешива­ния делают воду однообразной по температуре, солености и другим свойствам. Процессы нагревания, охлаждения, осолонения, опреснения, наоборот, увеличивают верти­кальные и горизонтальные контрасты характеристик, сообщают водам свойства, присущие районам их форми­рования. Так, в высокие широты теплыми течениями приносятся тропические воды высокой температуры и солености с тропическим планктоном.

Система поверхностных течений океана в сочетании с картами распределения температуры и солености пред­ставляет собой основу физико-географического райониро­вания Мирового океана.

Для понимания физической географии океана необ­ходимо знать некоторые очень существенные особенности гидрохимии океанской воды, определяющие, в частности, процесс осадконакопления, а также возникновение, рас­пределение, движение и преобразование органогенных питательных солей азота, фосфора, кремния.

В воде океана содержится небольшое количество угле­кислого кальция в форме Са(НСО₃)₂. Он поступает в океан в основном с речным стоком. В холодных и про­хладных водах высоких и умеренных широт углекислый кальций не выпадает в осадок, но в теплых поверхност­ных водах низких широт он насыщает раствор (иногда процент насыщения доходит до 300). Причина этого заключается в том, что в теплых водах может содержать­ся лишь очень малое количество углекислого газа, кото­рый повышает растворимость углекислого кальция. В ре­зультате соль имеет тенденцию выпадать в осадок. (Сходное явление наблюдается в самых обычных чайни­ках и кастрюлях при нагревании в них воды: на стенках и дне образуется накипь, состоящая в основном из угле­кислого кальция.)

В океане процесс осаждения происходит при деятель­ном участии организмов (фораминиферы, коралловые полипы, моллюски, иглокожие и др.), которые для по­строения своего скелета нуждаются в твердом веществе. Хлориды и сульфаты, очень легкорастворимые, для таких целей не подходят. Поэтому животные экстрагируют угле­кислый кальций из воды и строят из него внутренний и внешний скелет, раковины (у многих тропических моллюсков они массивны) и т. д. После отмирания животного твердые части скелетов и раковины переходят в донные осадки. Постепенно в низких широтах отлагаются огром­ные толщи карбонатов — мел, известняк; в дальнейшем они частично доломитизируются или метаморфизуются (образуется мрамор). Этот отличный строительный мате­риал широко используется для сооружения зданий.

В высоких широтах, где углекислый кальций извле­кать из воды трудно, в формировании скелетов большую роль играют силикаты. Они образуют кремнесодержащие илы и другие отложения (карбонатных осадков значитель­но меньше). Интересно, что силикаты и алюмосиликаты (кирпич) преобладают и на суше, в постройках, возводи­мых людьми.

Однако если бы в океанах не было рифообразующих кораллов и других организмов, строящих скелет из из­вести, то в низких широтах все равно происходило бы отложение карбонатов из-за пересыщенности теплых вод. В таких районах были бы распространены мощные тол­щи, но кристаллических разностей — кальцита и араго­нита. Эта гидрохимическая особенность имеет большое значение для геологии, геохимии, биологии и географии всего океана.

В водах океана на разных широтах содержится раз­ное количество растворенного кислорода: около 8 мл/л в высоких широтах и около 4 мл/л в теплых, поверхност­ных водах низких широт. Эти различия определяются в основном величиной растворимости кислорода в зависи­мости от температуры воды. На некоторых глубинах при большом потреблении кислорода в низких широтах может создаваться недостаток его для животных.

Другая существенная гидрохимическая особенность океана определяет по существу его биологическую, а сле­довательно и рыбопромысловую, продуктивность. Извест­но, что на суше плодородие почвы зависит в основном от содержания в ней трех элементов: фосфора, калия и азота (в связанном состоянии). Калия в воде достаточно. По­этому плодородие вод обусловлено в основном содержа­нием соединений фосфора и азота, необходимых для образования живой массы — растений и животных. Этих веществ во многих районах океана очень мало, что задер­живает развитие в них жизни. К жизненно важным эле­ментам в океане добавляется еще и кремний.

Органические остатки под действием силы тяжести погружаются на ту или иную глубину. Постепенно они минерализуются. В результате на всех широтах на глу­бине нескольких сот метров накапливаются органогенные элементы. Но дальнейшая их судьба в разных районах различна. В высоких широтах, где ежегодно осенью-зимой происходит сильное конвективное перемешивание, пита­тельные соли выносятся в поверхностные слои. В низких широтах, где конвективное перемешивание незначитель­но, соли часто накапливаются на глубинах 500—1000 м, а в верхних слоях содержание их ничтожно. Таким обра­зом, поверхностные слои тропических вод характеризуют­ся обилием солнечных лучей и кислорода, но почти пол­ным отсутствием солей фосфора и азота, большие глуби­ны (сотни метров) — обилием питательных солей, но отсутствием солнечных лучей и часто очень малым коли­чеством кислорода. Поэтому в тропиках, в районах, где глубинные воды с высоким содержанием солей фосфора и азота поднимаются на самую поверхность или в припо­верхностные, освещенные солнцем слои, создаются исклю­чительно благоприятные условия для развития жизни.

Районы апвеллинга в низких широтах отличаются большой биологической продуктивностью. Здесь находит­ся плодородная «молодая», только что поднявшаяся вода. В ней еще не успел развиться фитопланктон. Все новые и новые порции поднимающейся воды постепенно оттес­няют ранее поднявшуюся воду на периферию зоны апвел­линга. В ней начинается развитие фитопланктона, интен­сивная фотосинтетическая деятельность, а количество питательных солей в связи с этим уменьшается. Вода из «молодой» превращается в «зрелую». Затем на основе скоплений фитопланктона развивается зоопланктон, при этом фитопланктон постепенно выедается организмами зоопланктона. Одновременно продолжается дальнейшее движение этой поднявшейся воды дальше от очага подъ­ема и ее постепенный прогрев солнцем. Когда вода поте­ряла большую часть питательных солей, а основная часть фитопланктона съедена зоопланктоном, который уже явно преобладает в общей биомассе, она называется «старой». Таким образом, во многих районах апвеллинга можно на­блюдать такую смену вод в пространстве: «молодая» вода в самом очаге подъема, дальше к периферии или вниз по течению — «зрелая» вода, зеленая от обилия фитопланктона, еще дальше — «старая», уже прогревшаяся вода с преобладанием зоопланктона. По мере того как рыба выедает планктон, вода становится более прозрач­ной, голубой. Прогреваясь, она трансформируется в обыч­ную для этих широт воду — малоплодородную, теплую, прозрачную.

Взаимодействие элементов природы в океане

Освещенность вод и их прозрачность сильно влияют на биологические явления, особенно на интенсивность фотосинтеза. С другой стороны, количество планктона определяет прозрачность (и цвет) воды, а следовательно и освещенность подповерхностных слоев.

Конфигурация береговой линии и рельеф дна воздей­ствуют на поверхностные и глубинные течения, вертикаль­ные движения вод, условия существования живых орга­низмов, их количество, динамику береговой зоны, осадко­накопление. Последнее же изменяет рельеф дна и очер­тания береговой линии. Во многих районах береговые процессы в значительной мере зависят от биологических явлений в океане. Некоторые из этих прямых и обратных связей можно изобразить в виде упрощенной схемы.

Основные различия в физических и химических свой­ствах океана наблюдаются в меридиональном направле­нии: в высоких широтах — низкая температура, ледовые явления, формирование и зарождение потоков холодных вод, большое количество кислорода в воде; в умеренных широтах — повышение температуры воды, увеличение ее годовой амплитуды, движение на восток, исчезновение льдов, в низких широтах — высокая температура поверх­ностных вод, плохое вертикальное перемешивание, малое плодородие вод, преобладающий поток вод на запад. Кроме того, имеются различия в пределах одних и тех же широт: выделяются области формирования глубинных вод, области апвеллинга, полосы теплых и холодных течений.

Советские океанологи Л. А. Зенкевич и В. Г. Богоров создали учение о биологической структуре океана. Основ­ные положения этого учения состоят в следующем. При движении в меридиональном направлении изменяется качественный состав фауны и флоры и количество орга­низмов. В биологической структуре существует широтная симметрия. Плоскостью симметрии служит экваториаль­ная плоскость. В теплых водах организмы быстро рас­тут и рано начинают размножаться, в холодных живут долго, растут медленно и размножаются поздно. В теп­лых водах низких широт наблюдается большое видовое разнообразие организмов. В высоких широтах число видов значительно меньше. Биомасса планктона и других орга­низмов максимальна в районе 50—60° широты обоих полушарий, минимальна в полярных, субтропических и тропических широтах, несколько повышена близ экватора.

Л. А. Зенкевич выделяет пять биогеографических об­ластей, вытянутых в широтном направлении: арктиче­скую, северную умеренную, тропическую, южную умерен­ную и антарктическую.

• ← Атмосферні процеси у Світовому океані
• Природні пояси Світового океану →