Альберт Леонидович Бондаренко
Крупномасштабные течения
и долгопериодные волны
Мирового океана
Глава XI
Закономерности формирования апвеллинга – даунвеллинга в прибрежной зоне моря
Экспериментальные исследования
Приведены результаты экспериментальных
исследований прибрежного апвеллинга -
даунвеллинга
прибрежной зоны моря, который формируется континентальными шельфовыми волнами
[Бондаренко, 1993, 1998б].
Под прибрежным апвеллингом понимается процесс подъёма и выхода на поверхность моря, океана, озера глубинных вод в сравнительно узкой зоне около берега. Противоположность апвеллинга – даунвеллинг: процесс опускания поверхностных вод на глубину. Подобные явления могут наблюдаться и в открытых частях морей и океанов, что мы уже обсуждали. Однако в данной работе рассматривается только прибрежный процесс, который далее называется просто апвеллингом и даунвеллингом. Наиболее активно явление прибрежного апвеллинга – даунвеллинга развивается в восточных, северо - восточных и юго – восточных областях морей и океанов.
Выходящие на поверхность бассейна глубинные воды отличаются от поверхностных температурой, содержанием биогенных веществ или растворённых в них каких-либо элементов, что позволяет легко обнаружить аппвеллинг.
Интерес к изучению апвеллинга вызван тем, что зоны его устойчивого возникновения, по сравнению с водоемом в целом, биологически более продуктивны. Так основная область добычи кильки в Каспийском море наиболее продуктивна в областях активного развития апвеллинга у восточных берегов Среднего и Южного Каспия. Кроме того, наличие вод с аномально низкой температурой влияет на климат и погодные условия районов, прилегающих к зонам аппвеллинга и даунвеллинга.
Апвеллинг может быть эпизодическим, сезонным, круглогодичным и климатическим. Апвеллинги отмечены в различных районах Мирового океана [Архипкин, Бондаренко и др., 1992, Бондаренко, 1993, 1998]. В дальнейшем мы покажем, что такое известное явление, как Эль-Ниньо - Ла-Нинья не что иное, как апвеллинг – даунвеллинг, развивающийся в обширной зоне Тихого океана около экватора.
Рис.49. Температура поверхностных вод Среднего Каспия. В восточной части у берега выделяется область с низкой температурой воды, вызванной апвеллингом.
Рис.50. Область низких температур воды океана у западного побережья США, вызванных апвеллингом.
Вдоль восточного побережья Среднего и частично Южного Каспия у поверхности моря летом всегда присутствуют воды с аномально низкой температурой (~17оС), которая хотя и меняется с периодичностью около недели, но всегда бывает намного ниже, чем в районах моря, значительно удаленных от берега (до 14оС). Установлено, что эти холодные воды выходят на поверхность из глубины моря в результате прибрежного апвеллинга [Косарев, 1975]. Апвеллинг существует не только летом, но и в другие сезоны года. А так как температуры глубинных и поверностных вод в это время мало различаются, то по их значениям его обнаружить трудно. Согласно некоторым исследованиям [Панин, 1987] зимой, когда глубинные воды немного теплее поверхностных, около восточного побережья Среднего Каспия прослеживается слабовыраженная аномалия относительно тёплых поверхностных вод. Это может свидетельствовать о наличии апвеллинга и его круглогодичном характере в целом.
Впервые объяснение апвеллинга было дано в [Sverdrup, Jonson, Fleming, 1942] и в дальнейшем развито [Garvine, 1971]. Оно заключается в следующем. В северном полушарии ветер, дующий вдоль берега (берег слева относительно направления ветра) или под некоторым острым углом к нему, сносит поверхностные воды в море, а на смену им поднимаются придонные (как правило, более холодные). В итоге создается циркуляция вод в плоскости, перпендикулярной берегу. Циркуляция генерирует поверхностное вдольбереговое течение, совпадающее (или приблизительно совпадающее) с направлением ветра, и придонное вдольбереговое противотечение (составляющие крупномасштабного течения). Механизм апвеллинга Каспийского моря в [Косарев, 1975] объясняется с позиции этой теории. Автору данной работы удалось установить нечто иное.
Во-первых, подобные течения и противотечения (квазипостоянные, устойчивые) наблюдаются в районе апвеллингов обязательно (в том числе и в Каспийском море), но они вызваны не апвеллингом, а относятся к общей циркуляции вод моря. Во-вторых, далеко не всегда и не везде, в том числе и в Каспийском море, апвеллинг можно объяснить воздействием ветра на водную поверхность. Часто апвеллинг развивается при полном отсутствии ветра, в основном тогда, когда температура поверхности моря и воздуха одинаковы. Эти два обстоятельства позволили предположить, что апвеллинг генерируется в основном не ветром, а вдольбереговыми течениями континентальных шельфовых волн.
Для проверки новой и существующей гипотез развития апвеллинга был выполнен следующий эксперимент в Каспийском море в июле – августе 1989 г.. В восточной части Среднего Каспия в пункте, расположенном на расстоянии 10 км от берега и 20 км от г. Шевченко, в зоне развития апвеллинга, на приповерхностном горизонте 5,5 м при глубине моря 24 м, измерялись скорости течения и температуры воды. Одновременно на берегу моря (г. Шевченко) проводились наблюдения за ветром. Эксперимент подробно описан в [Бондаренко, 1993, 1998б].
Рис. 51. Векторные диаграммы ветра в районе г. Шевченко (а), течений в море на горизонте 5 м в пункте расположенном в пяти километрах от берега и десяти от г. Шевченко и севернее его (б). Там же на горизонте 5 м измерялась температура воды, Т.
На рис. 51 изображены векторные диаграммы “сглаженных” по восьми часам значений ветра и течений, а также непрерывная “запись” температуры воды. Здесь же приведены секторные диаграммы направлений ветра, при которых согласно [Косарев, 1975] должен происходить сгон воды от берега и нагон её к берегу и, соответственно, развиваться апвеллинг - даунвеллинг. Наиболее благоприятны для сгона и нагона ветры направлений (куда) 2000 и 00, соответственно. Установлены изменения температуры Т с периодичностью более 4 сут., позволяющие предположить, что циркуляция вод возникает при длительных воздействиях источника, будь то ветер или течения и волны. Поэтому высокочастотная часть спектра колебаний ветра и крупномасштабных и волновых течений была исключена из рассмотрения.
Проследим связь температуры воды с параметрами ветра и отдельно течений волн и крупномасштабных течений в интервалах записей 1 – 11. В интервале 1 ветер в основном сгонный и наблюдается падение температуры воды. В интервале 2 ветер сгонно-нагонный, температура растёт. В интервале 3 в целом сгонный ветер и температура понижается. В интервале 4, 5 ветер близок к нейтральному, его условно можно отнести и к нагонному, температура повышается. По измерениям за этот промежуток времени с некоторой натяжкой связь температуры воды с ветром можно объяснить с позиции гипотезы [Косарев, 1975].
Однако далее наблюдается совершенно иная картина. Так, в интервале 6 направление ветра сохраняется прежним, а температура уменьшается. В интервалах 7, 8 ветер сильный. Казалось бы, он наиболее благоприятен для развития нагона и даунвеллинга, однако температура воды сначала увеличивается, а затем резко падает. И, наконец, в интервалах 10, 11 ветер сильный, сгонный, но температура воды изменяется очень слабо, а в конце интервала 11 даже повышается. Таким образом, связь ветра с температурой воды, следовательно, и с апвеллингом - даунвеллингом не подтверждается.
Гораздо лучше температура воды согласуется с направлением и скоростью течений континентальных шельфовых волн и крупномасштабных течений. Из диаграммы течений и хода температуры воды видно, что при направлении течения на юг (берег слева) температура воды понижается, а при направлении течения на север (берег справа) повышается. Экстремумы на кривой температуры соответствуют моментам смены направления течения. Видно, что данные эксперимента не противоречат гипотезе о формировании апвеллинга - даунвеллинга Каспийского моря течениями долгопериодных волн и крупномасштабных течений. Это позволяет сделать ещё один вывод. Апвеллинг - даунвеллинг в основном формируется континентальными шельфовыми волнами или волнами Россби и связанными с ними крупномасштабными течениями, но не ветром. Ветер не причина апвеллинга- даунвеллинга, а его следствие. Можно предположить, что и в других морях, океанах и крупных озёрах апвеллинг – даунвеллинг имеет аналогичную природу. Об этом пойдёт речь в следующей главе.
Сведения об авторе.
Альберт Леонидович Бондаренко, океанолог, доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Института водных проблем РАН. Область научных интересов: динамика вод Мирового океана, взаимодействие океана и атмосферы. Достижения: доказательство существенного влияния океанических волн Россби на формирование термодинамики океана и атмосферы, погоды и климата Земли.