Анализ данных - 2: разрезы

  Если построить вертикальные профили всех характеристик, можно многое узнать о структуре океана. Следующий шаг — объединить в одну общую картину данные по всем водным столбам (станциям), полученные в определенном рейсе. Возьмем, к примеру, данные по станциям от NH-5 (5 миль от берега) до NH-165 (165 миль от берега) от поверх­ности до глубины 200 м. По ним можно построить то, что принято называть разрезами, показывающими распределе­ние характеристик на вертикальном сечении океана. Сначала мы строим сетку из точек, в которых были отобраны про­бы; ее можно использовать для построения разрезов в поле всех характеристик — температуры, солености, кислорода и т. д.; пример такой сетки показан на рисунке 8.5. Каждая точка сетки соответствует одной пробе. Из таблицы 8.1 мы выбира­ем данные по интересующей нас характеристике (например, концентрации фосфатов) и наносим их значения на сетку, после чего проводим изолинии, т. е. линии равных величин (например, 2,00 мкмоль/кг), как показано на рисунке 8.6,а. Для сравнения летних и зимних условий мы строим оба разреза на одной сетке. При построении разрезов (проведении изолиний) океанологи всег­да оказываются перед дилеммой. С одной стороны, кажется естественным точно интерполировать между измеренными величи­нами. С другой стороны, нельзя не учитывать тот факт, что пробы на станциях отбираются далеко не в одно и то же время (в случае одновременных измерений мы говорим о «синоптических» данных). Говоря прямо, неясно, насколько обоснованны разрезы как метод анализа данных, «извлеченных» из жидкого, пребывающего в по­стоянном движении океана с судна, которое само не стоит на мес­те. На практике эту трудность пытаются обойти тем, что при­держиваются одного молчаливого соглашения — избегать слишком далеко идущих выводов на основе одних лишь разрезов.

  Известный океанолог из Океанографического института Скриппса Дж. Рид говорит по этому поводу так: «Есть «усреднители» и есть «ревнители». Усреднители сглаживают данные, очищая их от небольших вариаций (от станции к станции, по глубине, по време­ни), так как хотят получить картину «в целом». Ревнители держат­ся за каждую точку, предпочитая ломать голову над объяснением встречающихся вариаций. И те и другие пытаются найти физичес­кие законы, которые управляют динамикой океанов».

 Построение сетки, на которой можно показать распределения характеристик морской воды, полученных при измерениях судна «Якина» на ньюпортском гидрологическом разрезе в январе и июле 1968 г.

Рисунок 8.5. Построение сетки, на которой мож­но показать распределения характеристик морской воды, полученных при измерениях судна «Якина» на ньюпортском гидрологичес­ком разрезе в январе и июле 1968 г. Положение станции наносится точно; точки соответствуют горизонтам, на которых отбирались пробы. Обычная процедура построения разрезов состо­ит в следующем: у каждой точки проставляют измеренные значения параметра и затем прово­дят изолинии, соответствующие целым значе­ниям данной величины. В представленном при­мере изолиния, соответствующая температуре 8 °С, проводится путем интерполяции между соседними точками, в которых значения темпе­ратуры меньше и больше 8 °С. (Из таблицы 8.1.)

 

Распределение питательных веществ

  Летнее и зимнее распределения и фосфатов, и нитратов очень сильно различаются; это хорошо видно на разрезах, изображенных на рисунке 8.6.

Поперечные разрезы для концентраций питательных веществ по данным ньюпортского гидрологического разреза

Рисунок 8.6. Поперечные разрезы для концентра­ций питательных веществ по данным ньюпортского гидрологического разреза. Сплошные ли­нии относятся к летним условиям (9 июля 1968 г.), пунктирные, проведенные для сравне­ния, - к зимним (4 января 1968 г.). Их пересе­чения обозначены кружками. Данные по стан­ции NH-565 были добавлены для того, чтобы показать, что в открытом океане изолинии концентрации фосфатов и нитратов идут почти горизонтально. Из этого следует, что «откло­нение» вверх изолиний у берега является ре­зультатом прибрежного апвеллинга.

  Согласно данным январского рейса 1968 г., зимой изоли­ния 2 мкмоль/кг концентрации фосфатов идет относительно ровно на протяжении всего разреза (165 миль); глубина изо­линии изменяется в небольших пределах — от 115 до 135 м. Напротив, в июле глубина той же изолинии существенно варьирует на разрезе: от 200 м на станции NH-165 до 0 на станции NH-5! Ряд других июльских изолиний тоже выхо­дит на поверхность: летом поверхностные воды в 15-мильной зоне у берега столь же богаты фосфатами, что и вода на глубине 100 м в 165 милях от берега.

  Изолинии концентрации нитратов меняются по характе­ру от зимы к лету таким же образом. Июльские изолинии 10 и 20 мкмоль/кг выходят на поверхность в 15-мильной зоне у берега. Одно важное различие между распределением фосфатов и нитратов состоит в том, что, начиная со стан­ции NH-45, в верхнем слое толщиной около 60 м нитраты практически отсутствуют (на станции NH-45, где начинается этот слой, его нижняя граница лежит на глубине 30 м); ни­же мы вернемся к этому явлению. Заметим, что зимняя изо­линия 20 мкмоль/кг концентрации нитратов идет так же квазигоризонтально, как и изолиния 2 мкмоль/кг концент­рации фосфатов.

  Складывается представление, что изменения в распреде­лении фосфатов и нитратов от зимы к лету происходят в 85-мильной полосе у берега, причем наиболее резкие измене­ния отмечаются в пределах 35 миль. Мористее станции NH-85 изолинии идут почти горизонтально вплоть до стан­ции NH-165 и зимой, и летом. Условия на станции NH-165 можно рассматривать как типичные для открытого океана. Чтобы подтвердить это, на рисунке 8.6 приведены две точки, относящиеся к станции NH-565, которая, располагаясь в 565 милях от Ньюпорта, явно дает условия открытого океа­на. Концентрация фосфатов 1 мкмоль/кг на станции NH-565 обнаружена лишь на 12 м глубже, чем на профиле NH-165, хотя сама эта станция расположена в 400 милях от NH-165; изолиния 10 мкмоль/кг концентрации нитратов на станциях NH-565, NH-165 лежит примерно на одной и той же глубине.

  Здесь может возникнуть естественный вопрос: ка­ким образом летние изолинии концентраций питательных веществ могут подняться к поверхности с глубины 100 м, если 1) поверхностный слой всегда обеднен питательными веществами и 2) стратификация океана по плотности всегда устойчива, т. е. более легкая вода располагается вверху, а более тяжелая — внизу? Разве не должны богатые пита­тельными веществами более глубокие воды лежать под «спудом» менее плотных верхних слоев? Оказывается, если приложить достаточное усилие, плотностной «барьер» можно преодолеть. У берега ветры могут быть столь силь­ны, что «искривляют» поле плотности. На рисунке 8.6 изобра­жено не что иное, как «моментальный снимок» происходя­щего в океане апвеллинга — подъема глубинных вод.

  Сезонные изменения в распределении питательных веществ — предмет острого интереса биологов и рыбаков. Летом в прибрежной зоне, богатой питательными вещест­вами, первичная продукция очень велика, а отсюда следует, что и в остальных звеньях пищевой цепи должно вырабаты­ваться много продукции (обратитесь еще раз к данным по рыбным запасам для районов апвеллинга и открытого океа­на, приведенным в главе Введение в науку о море). Специалисты по физике океана ис­следуют апвеллинг со стороны его физических характерис­тик, анализируя действующие силы, течения, временные масштабы генерации апвеллинга ветром и т. д.

  В 1970-е голы проводились работы в рамках крупного проекта под названием CUEA (Coastal Upwelling Ecosystem Analysis — «Анализ экосистем прибрежного апвеллинга».) В них участвовали ученые всех специальностей; измерения ве­лись в районах прибрежного апвеллинга у берегов штатов Орегон и Калифорния, у северо-западного побережья Африки и северо-западного побережья Перу. (Чтобы понять, почему для исследования в рамках одного проекта были выбраны столь удаленные друг от друга районы, см. рисунок 15.13.)