Химические аспекты океанологии прибрежных вод

  Практически каждый специалист по наукам о море, изучаю­щий проблемы прибрежной океанологии, рано или поздно сталкивается с какими-либо вопросами переноса твердого вещества, взвешенного, растворенного или плавучего, кото­рое поступает с суши в соседние моря. Здесь мы рассмот­рим эту тему в предварительном, общем виде. Откуда по­ступает материал, какая его часть пересекает прибрежную зону и попадает в океан и в какой форме, играет ли в этом сколько-либо значительную роль человек?

Пресноводный сток

  Важнейшее химическое соединение, пересекающее прибреж­ную граничную зону, это вода Н20. Биологи моря знают, что годовой цикл (круговорот) речного стока определяет степень сезонных изменений солености и мутности при­брежной части океанов, на что чутко реагируют многие морские организмы. Объем речного стока влияет и на изме­нение температуры, а также на плотностное расслоение мелководной зоны и тем самым — на вертикальное переме­шивание, а вместе с ними — на снабжение питательными веществами. Короче говоря, циклы стока воздействуют на продукцию прибрежной части океана на всех трофических уровнях. Самые крупные потоки пресных вод с суши в разные океаны, рассчитанные для широтных полос размером 5°

Рисунок 18.5. Самые крупные потоки пресных вод с суши в разные океаны, рассчитанные для широтных полос размером 5°. Берего­вые линии с целью упрощения схематизированы для всех основных бассейнов, за исключением Северного Ледовитого океана. Длина горизонтальных черточек пропорциональна выносу речных вод в пределах каждой широтной полосы.

  Рисунок 18.5 показывает, как распределены основные потоки пресной воды. Границы океанических бассейнов на этой схе­ме изображены в виде прямых линий, чтобы выделить ши­роты и размеры речных выносов воды. Только 12 крупней­ших рек мира дают больше трети всего речного стока (таблица 18.1), из них Амазонка и Конго дают в сумме больше (18,5%), чем остальные десять рек вместе взятые (15,8%). Большая часть общего стока попадает в тропические и суб­тропические районы всех океанических бассейнов. В Тихий и Атлантический океаны речная вода поступает главным об­разом на их западных границах, в Индийский океан — на его восточной границе. Рекомендую читателям сравнить эти данные с распределением водосборных площадей, пока­занных на рисунке 4.11.

 Таблица 18.1. Крупнейшие реки мира, сгруппированные по океаническим бассейнам, в которые они выносят свои воды.

Бассейн Река Растворенное веще­ство, млн.т/год Площадь дельты, тыс.км2 Осадочный матери­ал, млн.т/год Среднегодовой расход, м3
 Атлантический океан              Амазонка (Бразилия)  200  100  363  180000 (1)***
 Конго      65  42000 (2)
 Ориноко (Бразилия)      87  28000 (4)
 Ла-Плата (Аргентина)        19500 (7)
 Миссисипи  140  30  340  17545 (8)
 Св. Лаврентия        10400 (16)
 Магдалена (Колумбия)        8000 (18)
 Нил (через Средиземное море)  20  20  111  1584
 Колумбия  43    33  6650 (21)
 Дунай  38  4  82  6450 (22)
 Нигер (Нигерия)        5700 (23)
 Сан-Франсиску (Бразилия)        3300 (31)
 Грихальва - Усумасинта (Мексика)        3265 (33)
 Атлантический че­рез Северный Ледовитый океан*           Енисей        19600 (6)
 Лена    45    16400 (9)
 Обь - Иртыш        12600 (13)
 Маккензи - Пис-Ривер (Канада)        7500 (19)
 Юкон**  22    88  7000 (20)
 Печора        4060 (24)
 Колыма        3800 (28)
 Сев.Двина        3560 (30)
 Хатанга        3280 (32)
 Пясина        2600 (35)
 Тихий океан        Янцзы (Китай)      499  35000 (3)
 Меконг (Вьетнам)      170  15900 (10)
 Амур        12500 (14)
 Сицзян (Китай)  100    1600  11000 (15)
 Хонгха (Вьетнам)        3900 (26)
 Фрейзер (Канада)        3750 (29)
 Хуанхэ      1887  2000 (37)
 Индийский океан        Брахмапутра      726  20000 (5)
 Ганг    80  1455  15000 (11)
 Иравади (Бирма)      299  14000 (12)
 Годавари (Индия)        3980 (25)
 Инд      435  3850 (27)
 Маханади (Индия)        2940 (34)
 Замбези        2500 (36)

*Подгруппа рек, вода которых попадает в Атлантику через Северный Ледовитый океан.

**Юкон включен в число рек, несущих свои воды в Северный Ледовитый океан, ввиду близости к Берингову проливу.

***В скобках указано место реки в мире по среднегодовому расходу воды.

  Разбавление прибрежных океанских вод пресной речной водой бывает очень сильным. Например, рассказывают, что моряки торговых судов, находившихся в море против устья Амазонки, могли пополнять запасы пресной воды, просто черпая ее ведрами с поверхности моря. Однако в боль­шинстве случаев поверхностная вода в устье реки уже соло­новатая, так как смешивание с морской водой начинается еще в пределах эстуария (этот процесс описывается в одном из последующих разделов). На рисунке 18.6,а показано, что со­леность поверхностных вод у выхода из эстуария реки Гуд­зон достигает 23‰ и быстро возрастает, достигая 31‰ в 10 км от берега. Специалисты по океанологии прибрежной зоны считают целесообразным картировать степень этого разбавления, так как растворенные химические вещества, пе­реносимые речной водой, как предполагается, должны рас­пространяться, следуя тому же характеру распределения, что и соленость. Например, если бы река Гудзон выносила в море не пресную воду, а красные чернила, то можно было бы видеть постепенное изменение цвета — от красного че­рез разные оттенки розового до полной потери окраски — в прямом соответствии с возрастающим значением солености на рисунке 18.6,а. Биологи считают, что такая корреляция особен­но полезна для изучения рассеяния микроэлементов, за­грязняющих шельфовую область, поскольку соленость изме­рять проще и получаются более точные результаты, чем при прямом измерении концентрации микроэлементов.

Рисунок 18.6. Движение пресных вод от устья реки через шельфовую зону к открытому морю.

Движение пресных вод от устья реки через шельфовую зону к открытому морю

(а) Изолинии солености (изогалины) по­верхностных вод в море около устья эстуа­рия реки Гудзон (Нью-Йорк). Соленость повышается от сравнительно низких значе­ний (23‰) в эстуарии до 31‰ на расстоянии 10 км от него. Примерно на такое же рас­стояние распространяются ежедневные сме­шения воды, вызываемые приливными те­чениями и представляющие собой главный источник энергии для перемешивания мор­ской и речной воды. Загрязняющие вещест­ва, растворенные в воде, распределяются по тому же закону, по которому происхо­дит разбавление пресной водой. В прошлом твердые отходы сбрасывались ближе к на­чалу подводного каньона Гудзон.

(б) Заштрихованная зигзагообразно полоса изображает движение некоторого объема речной воды через зону шельфа; каждый зигзаг соответствует одному приливному циклу. Кетчем и Кин (Ketchum B.H., Keen D.J.) исследовали «вре­мя смены вод» в этом районе, разделив шельф на участки, и установили, что в среднем для перемещения речной воды из зоны шельфа в открытый океан требуется примерно 500 приливных циклов. Посколь­ку приливы здесь полусуточные (цикл зани­мает 12,4 ч), время смены вод составляет около 1 года, в течение которого происхо­дит итоговое перемещение приблизительно на 220 км.

  Нью-Йоркская бухта, в которую втекает река Гудзон, подверглась разностороннему изучению ввиду воздействия на нее промышленных и других отходов, затопляемых с барж в шельфовых водах (рисунок 18.6,а). Это открытый за­лив, образуемый протяженным изгибом береговой линии. Исследователи опираются на непосредственные измерения течений, которые позволяют определить как средние тече­ния, так и приливные перемещения. У выхода из эстуария реки Гудзон смещение частиц воды в приливном цикле вели­ко — около 8 км. Используются и аналитические модели, в которых действие приливных, средних и ветровых течений, а также вертикального и горизонтального перемешивания описывается уравнениями гидродинамики. Если такую «ма­тематическую» (т. е. построенную из уравнений) модель со­четать с численным описанием реальных граничных условий в заливе или эстуарии, она обретает способность имитиро­вать изменчивость реальных жидкостей.

  Одно из первых применений такая модель нашла для прогноза «времен смены вод» на различных участках шель­фа между полуостровом Кейп-Код и Чесапикским заливом (рисунок 18.6,б), среди которых находится и участок Нью- Йоркской бухты. Время смены вод определяется как среднее время, требующееся для того, чтобы некоторый объем воды переместился от источника пресной воды (т. е. эстуария) через шельф к границе открытого океана (здесь за такую границу принимается перегиб шельфа, или изобата 200 м). Используя суммарное значение расхода рек 5000 м3/с как среднюю величину притока пресной воды, исследовате­ли получили среднее время смены вод 500 приливных цик­лов, т. е. полтора года. Это важная для практики величина, помогающая оценивать воздействие различных факторов на окружающую среду.

  Сопоставьте картину, полученную для реки Гудзон, с вытянутым шлейфом вод реки Колумбия на рисунке 18.7. Соче­тание значительного речного течения с узким шельфом при­водит к тому, что изогалина 31‰ распространяется на 180 км от берега, т. е. гораздо дальше, чем та же изолиния в Нью-Йоркской бухте (10 км от берега, рисунок 18.6,а). Время смены вод для этой системы западного побережья соот­ветственно гораздо короче.

Рисунок 18.7. Шлейф реки Колумбия в разное время года.

Шлейф реки Колумбия в разное время года

(а) Летом прибрежную циркуляцию определяет направленное на юг Калифорнийское течение, так что шлейф пресных вод по мере удаления от берега смещается к югу. На кривых указана соленость (в промилле).

(б) Зимой Калифорнийское течение сменяется у побережья местным течением Давидсона, кото­рое отклоняет речной шлейф к северу.

(в) Для сравнения показана карта распростра­нения радиоактивного изотопа хром 51Cr летом 1965 г. Большое сходство конфигурации изолиний на картах (а) и (в) показывает, что рассеяние растворенных химических веществ или взвешенных частиц достаточно хорошо моделируется просто картиной изогалин по­верхностных вод, соответствующих распро­странению пресной речной воды.