Эстуарии и затопляемые земли

  Научная деятельность океанологов в эстуариях и на затоп­ляемых низменностях еще более специфична, чем прибреж­ная океанология в целом. Для этого есть несколько причин.

  1. В эстуариях соленость быстро изменяется на коротких расстояниях, причем как в горизонтальном, так и в верти­кальном направлении. Это означает, что животные должны уметь свободно перемещаться с тем, чтобы сохранить свое положение в области нужной им солености воды и приспо­собиться к изменению осмотического давления.

  2. Характер циркуляции воды в эстуариях заметно изме­няется в зависимости от величины речного стока. Для тех мест, где в эстуарии происходит смешение соленых и прес­ных вод, характерны сильные сезонные изменения.

  3. Практически на всех эстуариях сегодня серьезно сказы­вается влияние человеческой деятельности. Почти невоз­можно узнать истинные, первоначальные особенности какой бы то ни было экосистемы эстуариев.

  4. Многие морские организмы, живущие во взрослом со­стоянии преимущественно в морской воде, мигрируют в эстуарий и обратно для питания или нереста; так делают северный менхеден и тихоокеанская сельдь. Эпизоды мигра­ции связаны со сменой времен года и начинаются после ха­рактерного сезонного изменения какого-то фактора, напри­мер притока пресной воды, температуры или солености (рисунок 12.7).

Циркуляция воды в эстуариях

  Процессом перемешивания пресной и морской воды в эстуа­риях управляют два фактора: величина океанского прилива в устье эстуария и величина стока рек в вершине эстуария. Перемешивание в эстуарии может быть двух типов: пол­ным, когда определяющую роль играет величина прилива, или в виде клина соленых вод, когда доминирует речной сток.

  «Полностью перемешанный» эстуарий. Если велики оке­анские приливы, или слаб приток речных вод, или же ес­ли удовлетворяются оба этих условия, то вода в эстуарии перемешивается довольно хорошо сверху донизу, а соле­ность плавно изменяется от нормальной для океана величи­ны около 30‰ в устье эстуария до нуля в его вершине. Рисунок 18.18, а иллюстрирует это положение для эстуария ре­ки Колумбия в такое время года, когда речной сток спадает до минимума, а тихоокеанские приливы в устье эстуария высоки.

  Энергия для вертикального перемешивания обеспечивает­ся турбулентностью, создаваемой внутри эстуария прилив­ными течениями; чем больше скорость приливного течения, тем выше степень турбулентного перемешивания в толще воды.

Рисунок 18.18. Эстуарий с полностью перемешанной водой: причины и условия. (1 мор. миля = 1,85 км.)

Эстуарий с полностью перемешанной водой

(а) Условия в эстуарии р. Колумбия в сезон наименьшего речного стока (ранней зимой) — пример полностью перемешанного эстуа­рия. Перемешивание, возбуждаемое приливами, значительно, по­этому соленость распределяется весьма равномерно сверху донизу.

(б) Когда разность уровней прилива и отлива в устье эстуария ве­лика, велик и перенос воды туда и обратно в течение суточного приливного цикла. Если дополнительный объем воды при прили­ве — приливная призма — больше, чем объем речной воды, посту­пающей в эстуарий в течение того же приливного цикла, то переме­шивание в пределах эстуария определяется турбулентной энергией течений прилива и отлива. Соленость становится весьма однород­ной сверху донизу в любой точке эстуария, как это показано на ри­сунке; кроме того, морская вода равномерно разбавляется — от ха­рактерной для открытого океана до пресной у места впадения реки. R — величина речного стока в течение одного приливного цикла.

  Можно также рассмотреть этот тип эстуарного переме­шивания с точки зрения количества пресной воды, поступа­ющей из реки за время приливного цикла (рисунок 18.18,б). Во­да, поступающая из прибрежной части океана за этот цикл, должна занимать объем между уровнями прилива и отлива, называемый приливной призмой. В данном случае ясно, что приливная призма существенно больше объема речного стока, поэтому приливные течения бывают сильными. Турбулент­ность, создаваемая приливными течениями, разрушает естественное плотностное расслоение, которое в противном случае оказалось бы сильнее: пресная вода распространялась бы от реки над слоем более плотной морской воды. В неко­тором смысле можно сказать, что водный столб в полностью перемешанном эстуарии динамически дестабилизируется снизу.

  В редких случаях входящая в эстуарий приливная волна полностью турбулентной мощной стеной мутной воды устремляется вверх по течению, создавая гидравлическую волну, которую называют бором.

  Эстуарий с соленым клином. В другом крайнем случае глав­ную роль в процессах перемешивания в эстуарии играют большие массы речной воды. Величина приливов может быть большой или малой, но сама речная вода Содержит основную долю энергии движения в турбулентной форме. Когда пресная вода встречается с соленой водой и перекры­вает ее, турбулентные вихри захватывают «порции» соле­ной воды и переносят их вверх, в лежащий выше слой прес­ной воды. Этот тип перемешивания, при котором поверх­ность раздела между двумя различными жидкостями эроди­руется только с одной стороны, называется вовлечением. Как будет показано в дальнейшем, этот процесс оказывает большое влияние на поведение прибрежных экосистем.

  В процессе вовлечения (рисунок 18.19) некоторое число R единичных объемов пресной воды попадает в эстуарий в его вершине; значит, такое же число R этих объемов должно выйти из устья эстуария за то же самое время. Но из-за то­го что речная вода осолоняется при своем движении, пол­ный объем солоноватой смеси в устье эстуария должен быть гораздо больше, чем R единиц. Например, если 1R речной воды вовлекает в процесс перемешивания 3 R единиц морской воды, то для сохранения баланса пресной воды в эстуарии в море должно выйти в общей сложности 4R еди­ничных объемов солоноватой воды. Но 3 R единиц морской воды в этой солоноватой смеси должны быть скомпенсиро­ваны соответствующим притоком из моря. Это объясняет особый характер эстуария с соленым клином, а именно то, что морская вода втекает внутрь эстуария вдоль дна, вос­полняя непрерывную потерю морской воды через раздел с турбулентной речной водой. «Клин» морской воды прони­кает на некоторое расстояние вверх по течению — отсюда и название этого типа эстуариев.

Рисунок 18.19. Эстуарий с соленым клином.

Эстуарий с соленым клином

(а) Условия, при которых образуется клин соленых вод. Вертикальное перемешивание идет благодаря большой кинетической энергии турбулентности в речной воде, которая увлекает соленую воду вверх и смешивается с ней. Масса вовлеченной морской волы, выходящая вместе с речной водой из устья эстуария, должна быть уравновешена такой же массой, входящей в эстуарий в виде соленого клина. Вовлечение соленых вод в пере­мешивание, происходящее в верхнем слое, иногда называют речным апвеллингом.

(б) Положение соленого клина относительно устья эстуария зависит от относительной мощности речного стока. Очень обильный речной сток может выжать соленый клин из пределов эстуария в соседнюю прибрежную зону океана. Пример — река Амазонка.

  Где в эстуарии располагается соленый клин? Находится ли вершина клина около устья эстуария или проникает дале­ко внутрь против течения? Ответы зависят от двух факто­ров — величины речного стока и формы самого эстуария. Сток реки Амазонки столь велик, что клин соленых вод бук­вально полностью выжат из устья эстуария; океанологами изучен протяженный шельф солоноватых амазонских вод в прибрежной области океана, растекающихся далеко от устья эстуария. Однако у большинства рек вершина клина располагается в пределах эстуария (рисунок 18.19,б). В первые месяцы лета, когда сток максимален, клин ближе к устью эстуария, но выражен тоже очень отчетливо; скорость про­цесса вовлечения и компенсирующий поток морской воды, направленный вверх по эстуарию, велики. Когда величина речного стока уменьшается в осенний сезон, сокращается и энергия турбулентности, питающая процесс вовлечения; клин соленых вод продвигается тогда выше по течению.

  Форма эстуария определяет тип циркуляции, влияя на «быстроту» течения речной воды, а значит, и на степень турбулентности в ней. Реки с узкими эстуариями и большим расходом воды вытесняют клин к устью эстуария. Широкие реки, даже с мощным стоком, как правило, менее турбу­лентны, так что клин соленых вод располагается там ближе к вершине эстуария.

  Классический пример эстуария с соленым клином — эстуарий реки Миссисипи. В Мексиканском заливе прилив невысок — 0,5 м или меньше, объем речного стока очень ве­лик, а река весьма широкая. Клин соленых вод распростра­нился вверх по течению до Батон-Ружа, находящегося на расстоянии 200 км от устья реки.

  «Частично перемешанный» эстуарий. Характер циркуляции в большинстве эстуариев представляет собой нечто среднее между описанными экстремальными случаями. Турбулент­ная энергия, питающая процесс перемешивания, распределе­на в той или иной степени между слоем речной воды и про­двигающимся против течения придонным потоком соленых вод. Иначе говоря, соленость верхнего слоя в пределах эсту­ария заметно растет по мере его движения к устью, а при­донный слой непрерывно разбавляется пресной водой по ме­ре своего перемещения в противоположном направлении.

  Прекрасный пример частично перемешанного эстуария представляет собой система Чесапикского залива. Эстуарий здесь заходит в пределы континента на 300 км и на этом пу­ти принимает сток многих рек. Воды его относятся к кате­гории солоноватых; изогалина поверхностного слоя 5‰ в конце лета проходит очень близко к вершине эстуария (рисунок 18.20). Обратите внимание также на то, что изогалины поверхностных вод ориентированы под косым углом к оси русла, в результате чего создается впечатление, что на­правленный против течения поток соленой воды распро­страняется вдоль восточного (правого по отношению к это­му потоку) берега, тогда как текущая к морю солоноватая вода прижимается к своему правому берегу. Это действи­тельно так: сила Кориолиса, создаваемая вращением Земли, отклоняет оба потока вправо от направления течения.

Эстуарий Чесапикского залива

 Рисунок 18.20. Эстуарий Чесапикского залива — хороший пример эстуария с частично перемешанными водами. Типичные значения солености в поверхностном слое этой системы изменяются от 28‰, в устье до 1‰ в верхней части эстуария. На карте видно, что систе­ма залива сложная, с множеством рек, втекающих с обеих сторон. Отклоняющий эффект вращения Земли прижимает морскую соле­ную воду, проникающую в залив, к его восточному берегу; обрати­те внимание, что изогалина 20‰, подходит к восточному берегу под острым углом.