Анализ данных - 1: вертикальные распределения

  После обработки полученных в рейсе данных приступают к построению графиков, показывающих вертикальное рас­пределение каждого из измеренных параметров. Какой из них анализировать вначале — определяет исследователь. Мы начнем с температуры и солености (рисунок 8.3) с целью изучить основные элементы структуры океана, опираясь на распределение консервативных характеристик. Кислород к таковым не относится (животные потребляют его, а расте­ния производят), но анализ кислородного минимума позво­ляет прийти к важным заключениям.

Вертикальные профили температуры Т, солености S и содержания растворенного кислорода 02 на станции NH-105 (44°39,1 с.ш., 126°31,1 з.д.), полученные в рейсах научно-исследовательского судна «Якина» 4 января и 9 июля 1968 г.

Рисунок 8.3. Вертикальные профили температуры Т, солености S и содержания растворенного кислорода 02 на станции NH-105 (44°39,1 с.ш., 126°31,1 з.д.), полученные в рейсах научно-исследовательского судна «Якина» 4 января и 9 июля 1968 г. (Плавная кривая справа от профиля температуры характеризует изменение по глубине скорости звука)

Профили температуры

  Термоклин. Характерной особенностью водного столба по­чти в любом месте, за исключением высоких широт, являет­ся главный (постоянный) термоклин; часть слова «клин» (-cline - англ.) указывает на быстрое убывание температу­ры с глубиной. Главный термоклин в районе станции NH- 105 отделяет теплый верхний слой от относительно более холодной глубинной воды, где температура слабо меняется по вертикали. На рисунке 8.3 показан также сезонный термо­клин: в слое между 30 и 50 м температура воды в июле ме­няется более чем на 4 °С.

  Хорошо перемешанный слой. К январю поверхностная вода на станции NH-105 охладилась до 9,13 °С. Вместо сезонного термоклина мы видим 50-м столб воды, однородной по температуре. Эта вертикальная однородность проявляется также в распределении солености и кислорода. Причины по­явления такого хорошо перемешанного слоя известны: он возникает в результате вертикальной конвекции, которая в свою очередь вызывается охлаждением воды с поверхности (этот процесс описан в главе Физические свойства морской воды; см. рисунок 6.8), и вертикального перемешивания штормами. Глубина хорошо перемешанного слоя характеризует суммарные эффекты штормов и процес­сов перемешивания в период, предшествовавший рейсу. Дан­ные по хорошо перемешанному слою требуются биологам, которые изучают изменение во времени первичной продук­ции (см. главу Свет и цвет в море и определение «критической глубины»). Эта информация нужна также при расчете теплового бюджета: глубина и температура верхнего перемешанного слоя служат мерой того, как много тепла ушло из океана в атмосферу.

  Температура глубинных слоев. Глубинные воды всегда яв­ляются самыми холодными, однако ниже 1000 м скорость падения температуры с глубиной невелика почти во всех океанах. При построении графиков вертикальных распреде­лений вертикальный масштаб для глубоких слоев, как пра­вило, изменяют и все данные по водному столбу представ­ляют на одном листе. По этой причине вертикальная шкала глубин на рисунке 8.3 разорвана и масштаб глубин в нижней ча­сти рисунка сжат в десять раз. В противном случае графики оказались бы слишком растянутыми.

Профили солености

  Слой, в котором соленость меняется наиболее быстро, на­зывается галоклином. Поскольку температура и соленость являются независимыми характеристиками морской воды, нет причин, по которым галоклин должен обязательно располагаться в том же диапазоне глубин, что и термоклин.

  Одна из причин, по которой я выбрал для анализа стан­цию NH-105, состоит в том, что исключительно низкая со­леность, измеренная в июле (29,75‰), в целом не характер­на для поверхностных океанских вод. Следовательно, дол­жен существовать источник пресной воды, который мог бы обусловить такое сильное распреснение. В том районе, о ко­тором идет речь, этим источником служит шлейф вод реки Колумбия. Почему же в таком случае влияние речной воды незаметно в январе?

  Ответ на этот вопрос дают результаты измерений, вы­полненных на судах, которые пересекли в разных направле­ниях прибрежную зону от Северной Калифорнии до Бри­танской Колумбии. Мы обнаружили, что течения вблизи бе­рега меняются от сезона к сезону. Летом к берегу подходит Калифорнийское течение, которое увлекает речную воду на юг, — отсюда и ее следы на станции NH-105 в июле. Зимой у берега возникает направленное на север течение Дэвидсо­на, оно и уносит речную воду к заливу Аляска.

Профили кислорода

  Насыщение вблизи поверхности. Поверхностные воды, на­ходящиеся в контакте с атмосферой, обычно насыщены кис­лородом. Именно так и обстоит дело на станции NH-105.

  Кислородный минимум на глубине 800 м. В процессе фото­синтеза вырабатывается кислород: растения разлагают СО2, удерживают углерод и выделяют О2. Но процесс фо­тосинтеза ограничен верхней, освещаемой солнцем эвфотической зоной, глубина которой не превышает 100 м. Более глубокие слои могут только терять кислород: во-первых, его потребляют при дыхании живые организмы, во-вторых, он расходуется на окисление органических соединений. Из-за того что значительная часть мертвых растений и животных уходит из продуктивной эвфотической зоны, опускаясь в глубину, на разложение органических веществ идет свобод­ный кислород, содержащийся в нижележащих слоях.

  Вода с минимальным содержанием кислорода считается более древней, поскольку она должна была терять кислород в течение наиболее продолжительного времени. Кислород­ный минимум на глубине 800 м (рисунок 8.3) можно объяснить именно так: вода на этой глубине находилась в контакте с атмосферой (и, следовательно, обогащалась кислородом) в более давние времена, чем выше- и нижележащая вода. Определив глубину залегания кислородного минимума в ря­де районов Мирового океана, океанологи смогли восстано­вить картину движения водных масс от момента их образо­вания на поверхности до постепенного «исчезновения» в океанских глубинах. Примером служит классическая работа Георга Вюста, о которой подробно говорится в главе Плотность морской воды и ее влияние на физические и биологические процессы (см. рисунок 9.6).

Сезонная изменчивость; до какой глубины океан «чувствует» сезонные колебания?

  Вертикальные профили некоторых консервативных характе­ристик могут служить подспорьем при изучении сезонных вариаций и их причин. Основываясь на одних только профи­лях температуры, мы можем взять горизонт 100 м в качест­ве уровня, ниже которого водный столб не «чувствует» се­зонных изменений: глубже 100 м летние и зимние верти­кальные профили идентичны. Исходя из особенностей про­филей солености, за уровень, ниже которого отсутствуют се­зонные изменения, мы должны принимать глубину 400 м, а судя по кислородным профилям — 600 м. Возникающий здесь вопрос весьма важен, и он не давал покоя исследовате­лям со времени возникновения океанологии. Итак, насколь­ко «далеко» мы можем распространить наши выводы об изменчивости океанов, отталкиваясь от данных измерений на одной-единственной станции?

  Проблема заключается в том, что океаны находятся в постоянном движении. Невозможно отличить изменения, вызванные вертикальным перемешиванием, от тех, что об­условлены горизонтальным движением различных водных масс через точку наблюдений. Например, течения, перенося­щие различные водные массы через станцию NH-105, могут порождать различия в летних и зимних значениях концент­рации кислорода на любой глубине между 100 и 600 м. Иными словами, трудно разделить данные измерений на две части: «среднее» состояние и «переменную» часть, кото­рую можно либо приписать локальным причинам, либо счи­тать привнесенной извне.

  Чаше всего в качестве уровня, глубже которого сезон­ные изменения, происходящие на поверхности, не «чувству­ются», принимают нижнюю границу главного термоклина. На станции NH-105 она находится на глубине 400 м.

Вертикальные профили питательных веществ

  Профили питательных веществ (рисунок 8.4) гораздо более изменчивы, чем профили консервативных характеристик, описанные выше. Заметьте также, что для некоторых гори­зонтов данные измерений отсутствуют. Несмотря на эти обстоятельства, из анализа приведенных профилей мы мо­жем сделать три важных вывода.

Вертикальные профили питательных веществ: фосфатов PO43- , нитратов NO3- и кремнекислоты Si(OH)4 на станции NH-105 фосфатов (44°39,1 с.ш., 126°31,1 з.д.), полученные в рейсах научно-исследовательского судна «Якина» 4 января и 9 июля 1968 г.

Рисунок 8.4. Вертикальные профили питательных веществ: фосфатов PO43- , нитратов NO3- и кремнекислоты Si(OH)4 на станции NH-105 фосфатов (44°39,1 с.ш., 126°31,1 з.д.), полученные в рейсах научно-исследовательского судна «Якина» 4 января и 9 июля 1968 г.

  Низкие концентрации на поверхности. Выбрав 100-м гори­зонт в качестве нижней границы эвфотической зоны, мы за­ключаем, что в слое от 0 до 100 м, где обитают растения, содержание питательных веществ всегда невелико — и ле­том, и зимой. Это является хорошим примером обеднения биогенными веществами, которое часто наблюдается в по­верхностных водах открытых океанов. Далее, летние кон­центрации, естественно, ниже зимних: из-за того что летом при сильном солнечном освещении первичной продукции производится больше, обеднение воды питательными ве­ществами также значительнее.

  Обеднение азотом (лимитирующий фактор). Содержание азота обычно падает до критического значения раньше, чем содержание других биогенных элементов. Июльские данные по станции NH-105 показывают, что верхний 75-м слой практически лишен нитратов, в то время как фосфаты там еще присутствуют. Почти все имевшиеся нитраты были по­глощены живыми растениями, так что для роста и воспро­изводства организмов «свободных» нитратов не осталось. Отсюда можно заключить, что продукция растений, воз­можно, достигла пика еще до наступления июля. (Данные, подтверждающие этот вывод, рассматриваются в главе Главные факторы, влияющие на морскую биосферу.)

  Максимумы содержания нитратов и фосфатов. На профилях нитратов и фосфатов максимумы обнаруживаются в опреде­ленной области глубин — там, где располагается кислород­ный минимум. Является ли это просто совпадением, или же между данными параметрами существует объяснимая кор­реляция? Когда на разложение органического материала из воды забирается кислород, продукты разложения оказыва­ются в той же самой воде. Именно поэтому можно ожи­дать корреляции между высокими концентрациями NO3- и РО43- и низкими концентрациями растворенного кислорода. Если вспомнить, что органический детрит непрерывно по­ступает вниз из верхних слоев, следует признать, что со­вместные процессы, приводящие к уменьшению содержания О2, и увеличению NO3- и РО43-, также происходят непрерыв­но. Кроме того, чем дольше идут такие процессы, тем ниже становится содержание О2 и выше концентрации питатель­ных веществ. Это также подтверждает вывод о том, что кислородный минимум служит индикатором относительно большего возраста воды.