ОКЕАНОЛОГИЯ, 2004, том 44, № 2, с. 189-198
= ХИМИЯ МОРЯ
УДК 551.464
ГИДРОХИМИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ ОБМЕНА ПОВЕРХНОСТНЫХ И ГЛУБИННЫХ ВОД БЕЛОГО МОРЯ
© 2004 г. П. А. Стунжас, С. О. Бородкин
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва Поступила в редакцию 04.06.2003 г., после доработки 03.11.2003 г.
Сезонная и межгодовая изменчивость некоторых гидрохимических параметров вод Белого моря использована для описания обмена его поверхностных и глубинных вод. Показано, что речная составляющая щелочности морской воды во всем море в течение всего года имеет низкое значение, близкое к щелочности вод Северной Двины только в половодье. В качестве объяснения высказано предположение, что перенос вод Северной Двины через Горло в половодье и другие сезоны года имеет разный характер. Это может влиять на транспорт загрязнений из Северной Двины в Белое море. Анализ изменчивости содержания кислорода в глубоководных впадинах моря позволил оценить уровень биологического потребления кислорода в них в 0.4-0.6 мл/л за год. По данным 1958-1983 гг. сделан вывод, что в это время глубинный слой вод обновлялся в среднем каждые 2-3 года. По данным 1991-2002 гг. обновление происходило реже, что может быть связано с более теплыми зимами в последнее время. В эти годы воды, поступающие из Горла в зимнее время, занимали промежуточные глубины (50-150 м) и выделялись пониженной температурой и повышенными величинами степени насыщения кислородом и рН.
Белое море - единственное море в Арктическом бассейне, которое можно назвать средиземным, так как оно имеет сравнительно слабый, ограниченный порогом водообмен с Северным Ледовитым океаном, и в формировании его гидрохимических параметров большую роль играет сток рек. Первым обобщением гидрохимических свойств Белого моря, вероятно, была статья Бруевича в 1960 г. [4], в которой обсуждались вопросы по формированию состава вод моря на основе немногочисленных химических данных, полученных в 20-50-х гг. прошлого века. В настоящее время Белое море относится к наиболее изученным морям России. Так в период 1958-1992 гг. проводились планомерные исследования физики и химии моря силами ГОИН и других организаций СССР, результаты которых отражены, в частности, в двух монографиях [5, 6] и других публикациях. В них дана усредненная картина гидрологического и гидрохимического состояния моря в разные сезоны года.
Начало нового этапа изучения моря с применением современной зондирующей аппаратуры высокого разрешения можно отнести к 1991 г., когда лаборатория морской экологии ВНИРО выполнила практически одномоментную съемку моря (180 станций). Экспедиция была комплексная и дала очень ценную картину экологического состояния моря в летнее время [8]. Однако в целом, несмотря на большой объем разнообразных исследовательских работ в Белом море, включая работы по биологии и геологии, пока нет единого представления о потоках и трансформации веществ в нем, включая атмосферу, водную толщу
и осадки. Такая задача поставлена в комплексной программе "Система Белого моря", проводящейся в настоящее время ИО РАН совместно со многими другими организациями под руководством академика А.П. Лисицына. Важной частью программы является изучение процессов смешения речных и морских вод, процессов формирования и трансформации различных водных масс моря. Важно, что гидрохимические параметры меняются в течение года, поэтому их анализ позволяет зачастую определить время протекания того или иного процесса.
Ниже рассматриваются общие вопросы обмена и формирования вод Белого моря, по которым гидрохимические данные дают новую информацию или новый взгляд на известные данные. К ним относятся вопросы: каков объем ежегодно обмениваемых вод в море и как он разнесен по его слоям, сколько слоев воды в Белом море, с какой скоростью трансформируется в море органическое вещество и другие. Настоящая статья не имеет цели детально разобраться во всех этих вопросах, что требует многолетних комплексных исследований, ее цель скорее показать возможности использования гидрохимических параметров, чтобы в будущем более осознанно планировать новые измерения, их сроки и место.
ВВЕДЕНИЕ
Некоторые необходимые физико-географические сведения. Размеры Белого моря сравнительно малы, а изменчивость его вод очень вели-
Таблица 1. Площади и объемы вод различных частей Белого моря
Акватория Площадь, 2 тыс. км2 Глубина, изобата, м Объем, км3
Все Белое море 90.4 60 5400
Воронка 24.6 34 855
Горло 10.2 37 380
Собственно Белое море 50.2 81 4090
0-25 50.2 18 890
25-50 34.2 43 680
50-100 25 93 1200
100-150 14.6 143 610
150-200 9.1 193 365
200-250 5.15 243 230
250-300 2.15 293 100
>300 0.156 320 4
ка. Поэтому представляется целесообразным привести хотя бы примерные данные по площади и объему вод частей моря (по [7] и нашей собственной оценке) для того, чтобы яснее представлять масштабы тех или иных процессов формирования его вод (табл. 1).
Ниже не будут рассматриваться процессы в северной части моря, поэтому под Белым морем будет подразумеваться собственно Белое море (т.е. без Воронки, Мезенского залива и Горла), если другое не оговорено.
Летом соленость (5) поверхностных вод Белого моря составляет 24-27%е, понижаясь вблизи устьев рек до 20%е и менее, соленость подповерхностных вод 28-29%е и иногда выше 30%е на глубинах более 200 м. Таким образом, средняя соленость моря примерно равна 26-27%е, т.е. можно полагать, что вода Белого моря примерно на 3/4 состоит из воды Баренцева моря, а 1/4 - это пресные воды рек и осадков. Поэтому роль рек и выносимых ими веществ для Белого моря очень велика.
Соленость поверхностного слоя вод значительно меняется в течение года из-за неравномерного поступления и удаления пресных вод. Зимой происходит осолонение за счет образования примерно 30 км3 льдов, в апреле большая часть льдов выносится ветрами в Горло и Воронку. На май и июнь приходится примерно половина годового стока двух главных рек моря - Северной Двины и Онеги. Последние обеспечивают примерно 80% объема речной воды, поступающей в Белое море, это в среднем около 110 и 20 км3/год. Примерно 15% поступления пресных вод дают малые реки и несколько процентов осадки с учетом испарения. По данным Елисова [7] из Бассейна в Горло по-
ступает пресной воды: за май - 58.2 км3, за июнь -32.6 км3, а в остальные месяцы - по 5-17 км3/мес.
Гидрохимическая специфика вод моря определяется не только речным стоком, но и гидрофизическими особенностями циркуляции вод в Горле. Считается [5], что здесь в связи с сильной приливной волной, достигающей 6 м высоты, и тем, что минимальная глубина порогов составляет 20-40 м, а ширина Горла превышает 40 км, в нем образуются воды, однородные по солености, температуре и направлению течений по вертикали, но не по горизонтали. Интересно оценить, какой объем воды выносит приливная волна из Горла в море. Приливы в Белом море имеют сложный характер, различаясь по величине и фазе [5]. Однако основная приливная волна, с которой связано поступление воды в море (прогрессивная полусуточная волна М2) имеет почти для всего моря величину 0.5 м (см. рис. 8.10 в [5]). На площади Белого моря 50 тыс. км2 переносимый ею объем воды составляет 25 км3 или около 7% от объема вод в Горле (см. табл. 1), т.е. одна приливная волна перемещает сравнительно мало воды даже в самом динамичном месте моря. Хотя годовой объем этих вод составляет около 18 тыс. км3, что существенно больше объема моря, очевидно, что не приливные волны обеспечивают обновление вод в море. Тем не менее очевидно, что возбуждаемая приливами турбулентность играет большую роль в перемешивании вод. Кроме того, приливы могут генерировать так называемое остаточное приливное течение, усиливающее поступление баренцевоморских вод. Роль такого рода течения оценивается по-разному - как основная причина питающего баренцевоморского течения, так как оно перемещает воду в Горле со скоростью 10-20 см/с (что соответствует объему поступающих вод 2-3 тыс. км3/год) [9], и как второстепенная причина такого переноса, дающая скорости в Горле только 0.6-5 см/с [5].
Приливы вызывают периодическое усиление и ослабление разнонаправленных течений в Горле. Входящее в море более соленое (питающее) течение в основном прижато к северному Терскому берегу, а выходящее из моря менее соленое (компенсационное) течение прижато к противоположному Зимнему берегу. Приливы в значительной степени перемешивают эти течения и затрудняют измерение объема переносимых ими вод. По оценке Тимонова 1947 г. [13] годовой объем вод питающего и стокового течений составляет 2010 и 2200 км3, соответственно, т.е. среднее время обмена вод всех слоев моря равно 2 года (см. табл. 1). Этот результат принимается многими исследователями и, в частности, М.П. Максимовой при расчете баланса химических компонент в Белом море [6]. Но в литературе имеются и другие оценки объема обменивающихся вод. Так в [7] цитируются работы, по которым время обмена вод в Бе-
лом море составляет 1.5-1 год, что противоречит химическим наблюдениям, как будет показано ниже. Гораздо более низкие величины обменивающихся вод приводятся в статье по анализу гидрологического режима в Воронке и Горле [11]. А именно, что годовой объем беломорских вод, выходящих из моря у м. Канин Нос, составляет 450600 км3, а поступающих в Белое море баренцево-морских - 220-390 км3, что соответствует времени обмена порядка 15 лет. Как видим, оценки времени общего обмена вод Белого моря, судя по литературным данным, отличаются более чем в 10 раз.
Белое море сильно стратифицировано по плотности (основной вклад в которую дает соленость), поэтому разные слои моря могут обновляться с разной скоростью. Встает вопрос, сколько слоев воды в Белом море целесообразно выделять? В ранних работах по гидрологии Белого моря (см. ссылки в [4]) выделялось два слоя -верхний, перемешиваемый зимней конвекцией, параметры которого меняются в течение года, и нижний, этой конвекцией не затрагиваемый. Позже по гидрологическим и биологическим признакам в море было выделено 3 слоя вод [3]. Такое разделение вод было принято и в упоминавшихся монографиях
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.