Как пользоваться Т, S-диаграммой - картирование океана и смешение вод

Представление реального водного столба в пространстве координат (Т, S)

  Как воспользоваться методом Т, S-диаграмм для изучения реального океана? На рисунке 9.2 приведен график, соответ­ствующий станции NH-105 ньюпортского разреза, который мы уже анализировали в главе Два океанологических рейса. На этот раз, однако, он по­строен в координатах Т и S (изображен лишь график для июля 1968 г.). Можно даже проверить точность постро­ения. Из таблицы 8.1 возьмем пару значений Т и S для июля 1968 г., измеренных на глубине 50 м (Т = 10,64°С, S = 32,505‰), и нанесем соответствующую точку на коор­динатную сетку рисунка 9.2. Она должна попасть в точку, которая на этом графике помечена цифрой 50. Существует не­сколько причин, по которым океанологи обычно указывают значения глубин около Т, S-кривой. Заметим, например, что добрая половина всей Т, S-диаграммы для станции NH-105 соответствует лишь верхним 75 м водного столба.

 Т, S-кривая для водного столба станции NH-105, выполненной 9 июля 1968 г. (44°39,1` с.ш., 126°31,1' з.д.)

Рисунок 9.2. Т, S-кривая для водного столба станции NH-105, выполнен­ной 9 июля 1968 г. (44°39,1` с.ш., 126°31,1' з.д.). Температура и соле­ность измерялись на поверхности и на 20 других горизонтах. Каждая па­ра измеренных значений дает одну точку (•) на Т, S-диаграмме; форма кривой, соединяющей все точки, яв­ляется особенностью данного водно­го столба. По этой причине Т, S -диа­граммы иногда называют диаграм­мами водных масс; они отражают особенности структуры водного столба, возникающие, когда слои различных водных масс располага­ются друг над другом.

  Если мы соединим все нанесенные на плоскость точки, то получим кривую, которая будет иметь определенную «форму», характерную для данного места Мирового оке­ана. Ни в каком другом месте Т, S-кривая не повторит в точности кривую, соответствующую станции NH-105. Кри­вая пересекает множество изолиний плотности на Т, S-диаграмме — от δt = 21,2 на поверхности до δt = 27,7 на глуби­не 2500 м. Следовательно, мы можем использовать этот график для анализа изменения плотности с глубиной на станции NH-105. По сути дела мы учимся читать «карту океана».

Распределение плотности в водном столбе

  На рисунке 9.2 T, S -кривая для станции NH-105 разбита на от­дельные участки (А—Е). Рассмотрим их по очереди.

  A. Чему соответствует участок А в общем понятно. Здесь, в интервале глубин от поверхности до 30 м, чрезвы­чайно быстро меняется соленость — от менее чем 30‰ до 32,5‰. Этот интервал отвечает шлейфу вод реки Колумбии, которые медленно перемешиваются с поверхностными во­дами океана.

  B. Участок В объяснить тоже просто. Он соответствует слою, лежащему ниже шлейфа речной воды на глубинах от 30 до 75 м, где изменяется только температура, причем изменяется существенно. Это проявление летнего прогрева — процесса, в ходе которого не меняется содержание солей (за исключением тонкого поверхностного слоя, где происходит испарение). Могут ли солнечные лучи нагреть воду до глу­бины 75 м? Да, могут. В данном случае мы имеет свиде­тельство того, что свет проникает в глубину по меньшей мере на 75 м. (Количественные характеристики проникнове­ния света в океан можно определить из рисунка 14.1.)

  C. Точка С не относится к июльскому водному столбу; она соответствует набору всех январских данных для слоя от поверхности до глубины 50 м и дает нам возможность судить о сезонных изменениях, происходящих в верхнем слое. Весь слой до глубины примерно 100 м можно тракто­вать как прибрежные воды с очень изменчивыми характе­ристиками, на которые оказывают влияние такие процессы, как речной сток, летний прогрев и зимнее охлаждение.

  D. Точка D не лежит на Т, S-кривой для станции NH-105, но соответствующая ей плотность равна среднему между значениями плотности на глубинах 100 и 500 м для станции NH-105; в этом интервале график имеет заметный изгиб. Еще более важно то, что эта плотность равна той, которая соответствует вершине «горба» на данном искрив­ленном участке графика, т. е. 26,3 ед. δt.

  Обратимся к теореме смешения вод, о которой шла речь в главе Два океанологических рейса. Возможно ли, чтобы некая масса воды с данной плотностью, образовавшаяся где-то в другом месте, внедри­лась в водную толщу в районе станции NH-105 на со­ответствующем уровне плотности (глубине)? Если вода «D-типа» образовалась достаточно далеко от района изме­рений, ее первоначальные характеристики — температура и соленость (описываемые точкой D) — должны были бы из­мениться в результате перемешивания с выше- и нижележа­щей водой. Другими словами, если станция NH-105 нахо­дится достаточно близко к тому месту в океане, где форми­руется вода D-типа, соответствующая ей Т, S-кривая дол­жна проходить почти точно через точку D. И наоборот, ес­ли станция NH-105 расположена очень далеко от источника воды D-типа, характеристики воды D-типа в результате пе­ремешивания окажутся настолько измененными в районе станции, что ее невозможно будет обнаружить. В этом слу­чае Т, S-кривая для станции NH-105 не имела бы соответст­вующего горба; вместо него располагался бы отрезок пря­мой, показанный на рисунке 9.2 пунктиром.

  Е. Этот участок, соответствующий слою от 500 до 2500 м, имеет «правильную» форму. Судя по изменению плотности, этот слой слабо стратифицирован. Во всем 2000-м диапазоне глубин температура и соленость меняются медленно и монотонно. Весь слой можно рассматривать как одну водную массу.

  Понятие водной массы — новая теорема. Анализируя от­дельные участки T, S-кривой для станции NH-105, мы на са­мом деле учились выделять различные типы воды в столбе от поверхности до дна. Если, отталкиваясь от результатов такого анализа для одной станции, мы попытаемся распро­странить полученные результаты на весь океан, то придем к выводу, что океаны состоят из переслоенных масс воды, располагающихся одна над другой. Именно так и обстоит дело в действительности. Дальнейшее обобщение приводит к формулированию новой теоремы об изменчивости океана. На каждой гидрологической станции можно обнаружить расслоение водной толщи, характерное только для данного района океана; форма Т, S-кривой как раз и отражает такое расслоение и может использоваться для выделения водных масс того района океана, где была выполнена станция.

  Использование Т, S -диаграммы для анализа перемещений водных масс. Сформулированная выше теорема является мощным аналитическим средством в руках океанологов. T, S-кривая для одной станции показывает, как располага­ются различные водные массы в данном месте. А не может ли в таком случае серия T, S-кривых, соответствующих ря­ду станций на большой акватории океана, например по всей Северной Атлантике, дать указание на то, как различные водные массы движутся через океанические бассейны, каж­дая вдоль своего уровня плотности?

  Ответ на этот вопрос оказывается положительным. Рисунок 9.3 иллюстрирует, как масса воды, называемая Среди­земноморской промежуточной водой, образуется в Среди­земном море, вытекает через Гибралтарский пролив и дви­жется вниз вдоль шельфа и континентального склона Ат­лантического океана, пока не достигает глубины 1500 м. Это уровень, на котором плотность Атлантической воды равна плотности Средиземноморской воды. На данной глу­бине Средиземноморская вода начинает распространяться веером в горизонтальном направлении, проникая в Северную Атлантику, как показано на рисунке 9.3,б. На рисунке 9.3,в приведены Т, S-кривые для двух гидрологических станций к западу от Гибралтарского пролива. Ясно, что по изгибам кривых можно «проследить» за распространением Среди­земноморской воды от ее источника.

 Рисунок 9.3. Распространение Средиземноморской воды в Северной Атлантике.

Поперечный разрез, показывающий поток Средиземноморской воды в Северную Атлантику

(а) Поперечный разрез, показывающий поток Средиземноморской воды в Северную Атлантику.

Средиземноморская вода движется в горизонтальном направлении в виде линзы, вторгаясь в Северо-Атлантическую центральную воду в диапазоне глубин 1000-1500 м

(б) Средиземноморская вода движется в горизонтальном направлении в виде линзы, вторгаясь в Северо-Атлантическую центральную воду в диапазоне глубин 1000—1500 м.

Т, S-кривые для двух станций, показанных на рисунке (б)

(в) Т, S-кривые для двух станций, показанных на рисунке (б). Т, S-кривая для станции 1, расположенной неподалеку от источника Средиземноморской воды, имеет характерный резкий изгиб; на станции 2, расположенной дальше от источника, Средиземноморская вода уже в определенной мере перемешана с окружающими водными массами, поэтому характерный изгиб на Т, S-кривой сглажен.

  Картирование океанов на основе выделения водных масс. «Водная масса» обозначает буквально массу воды. Вместе с тем этот термин применяется к такой массе воды, в которой температура и соленость примерно однородны (иногда гово­рят о Т, S-характеристиках водной массы). Существование больших объемов морской воды с определенными Т, S- характеристиками предполагает, что вся вода в пределах этого объема сформировалась в одном месте и при одних условиях. Вспомним, что характеристики морской воды мо­гут измениться, только когда она соприкасается с атмосфе­рой, поскольку на границе вода — воздух существуют пото­ки тепла и влаги.

  Взятые в совокупности, эти соображения приводят к сле­дующим выводам: 1) водные массы отчетливо различаются по своим T, S-характеристикам, поскольку они образуются в разных местах земного шара; 2) если водная масса покину­ла поверхность, ее характеристики сохраняются; 3) сама она движется в океане вдоль данного уровня плотности; 4) ее присутствие в водном столбе, где проведены измерения, об­наруживается по форме Т, S-кривой на данной станции. Эта концепция картирования океанов по расположению водных масс является основой для классификации вод Мирового океана.