1.2. Явление апвеллинга

 

 

            Исследования 1989 г. вдоль восточного берега Среднего Каспия дали возможность А. Л. Бондаренко разработать основополагающее объяснение явления вдольберегового апвеллинга (Бондаренко А. Л. 1993).

            Под прибрежным апвеллингом понимается процесс подъема к поверхности моря или океана глубинных вод в сравнительно узкой зоне вдоль берега.

            Объяснение механизма апвеллинга впервые было дано Свердрупом (Sverdrup и др. 1942). Он рассматривает это явление с позиций экмановской теории дрейфовых течений. В северном полушарии ветер, дующий вдоль берега, который находится слева, создает движение масс воды в поверхностном слое, вызывающее циркуляцию вод в вертикальной плоскости перпендикулярной берегу. Вода движется у дна к берегу и у берега поднимается к поверхности моря.

            Подобная ситуация возникает в южном полушарии, когда ветер дует вдоль берега, который находится справа относительно направления ветра.

            Вместе с тем далеко не всегда наличие апвеллинга в том или ином районе моря можно объяснить воздействием ветра на водную поверхность.

            Образование апвеллинга можно объяснить и взаимодействием вдольбереговых течений (Hsueh Y., O′Brien. 1971). В экмановском слое придонного трения в результате разбаланса силы Кориолиса, действующей на вдольбереговые течения,  и градиента давления возникает избыточная сила, направленная в ту же сторону, что и сила Кориолиса. Эта избыточная сила создает циркуляционное движение воды в вертикальной плоскости- апвеллинг или даунвеллинг. 

            Давно известно, что в летнее время года у восточного берег Среднего Каспия наблюдается вода с аномально низкой температурой. Многие исследователи (Н. М. Книпович, В. Б. Штокман, А. Н. Косарев) объясняли их действием ветра с берега в море.

 По данным (А. Н. Косарев 1975), на Каспийском море устойчивый апвеллинг наблюдается в теплое время года практически вдоль всего восточного побережья Среднего Каспия – от м. Тюб-Караган на севере до залива Кара-Богаз-Гол на юге.

            Апвеллинг это устойчивое образование. Температура, хотя и меняется в течение всего теплого сезона года, но в основном бывает намного ниже, чем в районах моря, удаленных от берега. Разумеется, апвеллинг может существовать и в остальные сезоны года, но так как температура глубинных и поверхностных вод в это время мало различается, то по показаниям температуры воды он себя не обнаруживает.

            Данных натурных наблюдений, подтверждающих генерацию апвеллинга ветром очень мало, а гораздо больше информации, ставящей эту гипотезу под сомнение.

            Это дало основание предполагать, что основное явление, генерирующее апвеллинг и даунвеллинг – не ветер, а вдольбереговые течения.

            А. Л. Бондаренко рассматривает возможность образования апвеллинга или даунвеллинга при различных возможных вариантах ориентации вдольбереговых течений относительно берега и распределения их по глубине (рис. 1.7).

            Вариант I. Берег находится справа относительно вдольберегового течения, скорость которого уменьшается с глубиной. В этом случае на поток массы воды действует сила Кориолиса, и он будут прижиматься к берегу. Сила Кориолиса пропорциональна скорости течения, а последняя уменьшается с глубиной, и поэтому давление воды в направлении берега будет распределено пропорционально скорости течения, т. е. уменьшится от поверхности ко дну моря.

            Из-за неравномерности распределения давления должно возникнуть циркуляционное движение воды в вертикальной плоскости, перпендикулярной берегу, при котором поверхностные воды будут перемещаться к берегу, около него опускаться, и, достигнув определенной глубины или дна, двигаться от берега. Типичный вариант даунвеллинга.

            Вариант II. Если берег находится слева относительно вдольберегового течения, скорость которого уменьшается с глубиной, то возникает циркуляционное движение воды в направлении, противоположном приведенному в варианте 1. Глубинные воды у берега будут подниматься к поверхности моря.

            Вариант III. Берег расположен справа относительно вдольберегового течения, скорость которого увеличивается с глубиной. В этом случае давление глубинных вод будет больше давления поверхностных, возникнет циркуляционное движение, при котором у берега воды будут подниматься из глубины на поверхность.

            Вариант IV. Берег находится слева относительно вдольберегового течения, скорость которого увеличивается с глубиной. В этом случае должно возникнуть циркуляционное движение, при котором у берега воды будут опускаться с поверхности моря в глубину.

                  

Рис. 1.7. Различные варианты (I – VI) распределения с глубиной вдоль береговых течений (1) и соответствующих им силы Кориолиса (2) и циркуляционного течения(3). 1- вдольбереговое течение, 2-сила Кориолиса, 3- циркуляционное течение.

 

            Вариант V. Течение вдоль берега  состоит из двух противоположно направленных потоков воды – поверхностного и глубинного.

Берег находится слева относительно поверхностного потока, и справа относительно глубинного. В этом случае сила Кориолиса стремится сместить поверхностный поток от берега, а глубинный к берегу. Как следствие, возникнет циркуляционное движение, при котором глубинные воды у берега будут подниматься к поверхности. Типичный вариант апвеллинга.

            Вариант VI. Вдольбереговое течение состоит из двух противоположно направленных потоков воды – поверхностного и глубинного.

Option VI. The current along the coast consists of two oppositely directed currents of water - surface and depth.

 

Берег находится справа относительно поверхностного потока, и слева относительно глубинного. В этом случае должно возникнуть циркуляционное движение, при котором воды у берега будут опускаться.

            Как показывают измерения, направление вдольбереговых течений меняется периодически. Они могут создать структуру течений, соответствующую любому из указанных вариантов, и вызвать апвеллинг или даунвеллинг.

            Таким образом скорость подъема или опускания вод у берега, а следовательно изменчивость температуры воды напрямую зависят от скорости вдольбереговых течений. Связь температуры воды со скоростью вдольбереговых течений не обязательно должна быть линейной, многое зависит от стадии развития процесса, скорости течения, интенсивности прогрева поверхности вод и т. д.

            Проверить изложенную гипотезу образования апвеллинга можно по измерениям течений и температуры воды в точках 16, 17, 20 на горизонте 5,5 м.; ветра в пунктах Форт Шевченко, г. Шевченко и Бек-Таш (рис. 1.6). Точка 16 расположена в районе моря с аномально низкой температурой, можно предположить – в зоне апвеллинга. Точка 20 расположена на границе температурной аномалии, на севере находятся прогретые на мелководьях воды, на юге – более холодные воды Среднего Каспия.

             Точка 17 расположена в промежуточной области. Поэтому лучше искать связь между температурой воды и предполагаемым определяющим фактором – ветром или течением – в т. 16. Кроме того, следует отметить, что вдольбереговая составляющая скорости течения существенно больше составляющей, перпендикулярной берегу. Поэтому обмен водой вдоль берега должен быть больше, чем перпендикулярно ему. Это необходимо учитывать при анализе информации.

            Возможно установить механизм апвеллинга  по связям параметров температуры воды с параметрами определяющих факторов – ветра и течения, если все указанные процессы вдоль берега квазиоднородны.

            Согласно существующим представлениям ветры, отгоняющие воду от берега с направлением (куда) от 120° до 270° создают апвеллинг, и ветры, увлекающие за собой воду с направлений 290° - 100° (через 0. на берег) создают даунвеллинг.

            Диаграммы этих направлений изображены на рис. 6. Если апвеллинг и даунвеллинг образован циркуляцией вод, которая образована ветром, то следует ожидать связи параметров ветра с температурой воды.

            Для проверки этой гипотезы сопоставим отдельные участки записи температуры воды на горизонте 5,5 м. в точке 16 с параметрами ветра (рис. 1.6). Границы участков обозначены цифрами 1, 2, 3, …,12. На участке 1 – 7 переменный ветер может немного отгонять воду в море и немного увлекать ее на берег.

            На учаске 1 – 2 в основном ветер отгоняет воду и наблюдается падение температуры. На участке 2 – 3 ветер увлекает за собой вводу к берегу и температура увеличивается. На участке 3 – 4 в целом ветер отгоняет воду и температура падает. На участке 4 – 6 ветер близок к нейтральному, но можно сказать, что он увлекает за собой воду в сторону берега, температура повышается.

            С некоторым приближением связь температуры с ветром по измерениям в этом промежутке времени объяснить можно. Однако, далее наблюдается обратная картина. Так, на участке 6 – 7 направление ветра сохраняется прежним, а температура уменьшается. На участке 7 – 9 ветер сильный и благоприятный для увлечения за собой воды в сторону берега. Однако температура сначала увеличивается на участке 7 – 8, а затем резко падает на участке 8 – 9.

            И на участке 10 -12 сильный ветер отгоняющий воду от берега, но температура воды изменяется слабо и в конце учаска даже повышается. Таким образом, связь ветра с температурой воды, а следовательно с апвеллингом не подтверждается. Гораздо лучше температура воды коррелирует с направлением (и даже со скоростью) вдольбереговых течений.

            Диаграмма течений и изменения температуры в точке 16 (рис. 6) показывает, что при направлении течения на юг (берег слева) температура воды понижается, а при направлении на север (берег справа) – температура повышается. Максимумы на графике температуры соответствуют моменту изменения направления течений. Данные этого эксперимента подтверждает гипотезу Бондаренко А. Л. Апвеллинг в Каспийском море формируется вдольбереговыми течениями.

            Точка 20 находится на границе аномалии, связь температуры воды с течениями иная. Течения на юг переносят теплые воды с мелководной зоны Северного Каспия., и температура воды соответственно повышается; течения с юга, наоборот, выносят на север холодные воды и температура воды понижается. Точка 17, находится в промежуточной зоне между районом активного апвеллинга  (т. 16)  и границей холодных и теплых вод  (т. 20), связь температуры воды с течениями носит неопределенный характер.

             Несмотря на то, что закономерности течений в точках 17 и 16 похожи, ход температуры воды несколько различается. В целом, в точке 17 ход температуры похож на ход температуры в точке 16, но запаздывает. Можно допустить, что в точке 17 ход температуры определяется процессами, происходящими не только в ее окрестностях, но и на юге, в районе точки 16.

            Итак, можно сделать следующие выводы.

           Доминирующую роль в формировании апвеллинга и даунвеллинга принадлежит изменяющимся течениям. Структура переменных течений у восточного побережья Среднего Каспия способствует развитию в этом районе моря апвеллинга, а у западного – даунвеллинга.

            Изменяющиеся низкочастотные течения обусловлены в основном шельфовыми волновыми течениями. Наличие апвеллинга и даунвеллинга в изучаемом районе моря указывает на существование в этом районе моря течений низкочастотных течений волновой природы.