Анализ данных - 2: разрезы

Распределение плотности

  Какой физический процесс ответствен за явление апвеллин­га? Мы сможем кое-что сказать на этот счет, если постро­им в том же масштабе разрез в поле плотности морской во­ды (рисунок 8.7,а).

  Обратимся к таблице 8.1 и возьмем данные по плотности из графы δt. Эта удобная «условная единица» выбрана океа­нологами для того, чтобы избежать полной десятичной за­писи значения плотности. Посмотрим на первый ряд изме­ренных величин для января 1968 г.: при температуре 9,13 °С и солености 32,399 ‰ плотность морской воды равна 1,02509 г/см3 (метод расчета плотности по температуре и солености описан в главе Плотность морской воды и ее влияние на физические и биологические процессы). В разделе интерполированных ве­личин находим графу δt и в ней значение 25,09. На рисунке 8.7,а изолиния плотности, помеченная числом 25, — это линия постоянной плотности со значением 1,02500 г/см3, или по­стоянной условной плотности δt = 25.

  Особенности разрезов в поле плотности. В целом изолинии плотности на рисунке 8.7,a очень похожи на изолинии концент­рации питательных веществ. Сезонные изменения также происходят в 85-мильной полосе у берега, а изолиния δt = 26 зимой также идет приблизительно горизонтально. Летом изолиния δt = 26, которая вдали от берега распола­гается примерно на такой же глубине, что и изолинии 1,5 мкмоль/кг фосфатов и 10 мкмоль/кг нитратов, выходит на поверхность в той же 15-мильной зоне от берега, что и соответствующие изолинии концентрации питательных ве­ществ.

  Однако между распределением характеристик двух ука­занных типов есть и одно важное различие. Между станция­ми NH-45 и NH-105 располагается линза воды пониженной плотности, нижняя граница которой лежит на глубине 15 — 20 м. Линза соответствует шлейфу вод реки Колумбия; сле­ды той же распресненной морской воды мы находим и на вертикальных профилях отдельных характеристик.

  Анализируя разрезы в поле плотности, можно увидеть, что квазигоризонтальное движение морской воды происхо­дит вдоль поверхностей постоянной плотности (изопикнических поверхностей). Иными словами, через границу раздела слоев с разной плотностью не осуществляется перемешива­ние. Ниже это соображение будет представлено в виде тео­ремы.

 Рисунок 8.7. Механизм прибрежного апвеллинга, генерируемого ветром.

Изолинии плотности (изопикны) на ньюпортском гидрологическом разрезе для летнего периода

(а) Изолинии плотности (изопикны) на ньюпортском гидрологическом разрезе для лет­него периода. Значення плотности приведены в единицах условной плотности δt (напри­мер, при плотности 1,025 г/см3 δt = 25). Над и под изопикной δt = 26 указаны значения соответственно температуры и солености, полученные измерениями на данных глуби­нах. Относительное постоянство значений Т и 5 вдоль этой кривой позволяет предпо­ложить, что вода движется примерно вдоль изопикны δt = 26, поднимаясь с глубины 120 м на станции NH-165 к поверхности в районе станции NH-5. Это — результат ап­веллинга. В целях сравнения изображена изопикна δt = 26 для зимы, когда апвеллинг не наблюдается.

Сравнение летнего расположения изопикны δt = 26 и изолиний концентрации нитратов 20 мкмоль/кг и концентрации фосфатов 2 мкмоль/кг

(б) Сравнение летнего расположения изопикны δt = 26 и изолиний концентрации нитра­тов 20 мкмоль/кг и концентрации фосфатов 2 мкмоль/кг. Высказанная при анализе рисунка 8.7,а идея о том, что направленное к берегу движение воды происходит вдоль то­пики, объясняет, каким образом фосфаты и нитраты переносятся с глубины 120 м (вда­ли от берега) к поверхности.

Теорема перемешивания океанских вод: вода движется вдоль поверхностей постоянной плотности

  Из главы Физические свойства морской воды мы узнали, что вертикальная конвекция возникает в том случае, когда устойчивое распределение плотности в водном столбе нарушается в результате охлаждения с по­верхности. Как ведет себя вода, когда к ней приложена си­ла, не нарушающая стратификацию? Оказывается, вода движется вдоль изопикнических поверхностей, если внешнее воздействие достаточно сильно, вода будет заглубляться или подниматься в той мере, в какой это необходимо для того, чтобы оставаться в том же плотностном слое.

  Эта теорема горизонтального движения, которую труд­но доказать математически, наглядно иллюстрируется рисунком 8.7,а — для этого достаточно обратить внимание на значения консервативных характеристик вдоль изолинии плотности (изопикны). Если температура и соленость не изменяются на выбранной изопикне, мы можем исключить вертикальное перемешивание из числа процессов, благодаря которым изопикны, изображенные на рисунке 8.7,а, поднима­ются к поверхности. Такой подъем можно объяснить лишь тем, что поверхностная вода, которая первоначально нахо­дилась вблизи берега, отошла от него, а более глубокая во­да поднялась, чтобы восполнить потерю. На рисунке 8.7,а зна­чения температуры и солености на поднимающейся к по­верхности изопикне δt = 26 в летний период примерно по­стоянны от станции NH-165, где изопикна лежит на глубине 115 м, до станции NH-5, где она выходит на поверхность. Поднимающаяся глубинная вода выносит с собой на поверх­ность в больших количествах нитраты и фосфаты — это и есть апвеллинг.

  Чтобы завершить вывод теоремы, необходимо показать, что апвеллинг является непрерывным процессом. За возник­новение апвеллинга отвечает сила трения между ветром и верхним слоем воды (этот механизм описан в главе Силы, приводящие в движение океаны и атмосферу). По­верхностная вода будет двигаться от берега до тех пор, по­ка существует ветер определенного направления. Таким об­разом, поднимающаяся с глубины вода непрерывно уходит от берега, давая место новой воде с глубины и т. д. У побе­режья шт. Орегон ветры, благоприятствующие апвеллингу, начинают дуть в апреле, поэтому в июле апвеллинг уже устанавливается, как и показывают наши поперечные раз­резы.

Танкер, прокладывающий путь в штормящем море

Танкер, прокладывающий путь в штормящем море. Волны, генерируе­мые ветром,— главный источник энергии для формирования в океане верхнего «хорошо перемешанного слоя».

  Можно завершить этот раздел рассуждением о том, насколько широкую полосу захватывает апвеллинг. К сожалению, специалисты пока не пришли в этом вопросе к единому мнению, и, для того чтобы до конца прояснить си­туацию, необходимы дальнейшие исследования. Одно об­стоятельство, однако, может послужить некоторой подсказкой. Устье реки Колумбии находится в 150 милях к северу от Ньюпорта, но к тому времени, когда шлейф речных вод пересекает ныопортский гидрологический разрез, его запад­ный край находится у станции NH-105 (рисунок 8.7,6.) Ясно, что именно ветры отгоняют шлейф от берега. Можем ли мы принять границу шлейфа в качестве границы зоны апвеллинга? Мне кажется, основания для этого можно найти на рисунке 8.7,6, где изображена также зона почти полного от­сутствия нитратов, упоминавшаяся нами при анализе рисунка 8.6. Обратите внимание, как близко подходят обеднен­ные нитратами воды к шлейфу речных вод. В шлейф пита­тельные вещества попадают из двух источников — это соб­ственно вынос из реки и вышедшие на поверхность в ре­зультате апвеллинга глубинные воды, с которыми воды шлейфа перемешиваются по мере того, как ветер отгоняет их от берега; соответственно вода в шлейфе еще не обедне­на биогенными веществами. В поверхностные воды к западу от шлейфа (и под ним) питательные вещества уже не посту­пают, и поэтому по мере потребления нитратов их количе­ство уменьшается и первичная продукция падает.