= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465
ПЕРЕНОС ВОДЫ ЧЕРЕЗ СУБАНТАРКТИЧЕСКИЙ ФРОНТ И ГЛОБАЛЬНЫЙ ОКЕАНСКИЙ КОНВЕЙЕР
© 2011 г. М. Н. Кошляков, Р. Ю. Тараканов
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail: mnkoshl@ocean.ru Поступила в редакцию 27.12.2010 г.
На основе разнообразных экспериментальных данных рассчитывается среднеклиматический перенос воды через Субантарктический фронт (САФ), складывающийся из экмановского переноса, переноса формирующимися на САФ фронтальными вихрями и переноса абиссальными геострофическими течениями. Соответствующий интегральный расход воды составляет 14 Св на север в верхнем слое океана (термоклине) и такую же величину на юг в нижнем слое (абиссали). Равенство этой величины расходу нисходящего движения воды из термоклина в абиссаль в Северной Атлантике и Северо-Европейском бассейне, осуществляющегося в поле Глобального океанского конвейера, согласуется с концепцией, в соответствии с которой компенсирующий подъем воды из абиссали в термоклин происходит в антарктической зоне океана.
I. ВВЕДЕНИЕ
Проблема пространственной структуры и интенсивности Глобального океанского конвейера (ГОК) — одна из главных проблем макроокеанологии ввиду очень существенного влияния ГОК на климат Земли и его изменчивость. ГОК можно определить как компонент общей циркуляции вод
Мирового океана, связывающий термоклин и абиссаль. Первая и наиболее популярная глобальная схема ГОК (рис. 1) была опубликована в [14]. Однако еще ранее, в работе [9], было дано словесное описание ГОК, по существу идентичное схеме на рис. 1. Еще значительно ранее, в работе [51] и независимо от нее в работе [5], были представлены связываю-
Рис. 1. Схема Глобального океанского конвейера по [14].
тики по [51].
щие термоклин и абиссаль схемы циркуляции вод Атлантического океана (рис. 2 и 3). Присутствующее на всех приведенных схемах опускание воды из термоклина в абиссаль в Северной Атлантике (а на самом деле и в Северо-Европейском бассейне) обусловлено зимним охлаждением поверхностной воды в этих областях океана, связанной с ним глубокой конвекцией, сползанием сформировавшейся таким образом холодной и тяжелой воды вдоль юго-западных склонов порогов, отделяющих СевероЕвропейский бассейн от Атлантического океана (для воды, образовавшейся в указанном бассейне) и дальнейшим изопикническим распространением холодной глубинной воды в генеральном направлении на юг преимущественно в системе Глубинного западного пограничного течения Атлантического океана [4, 11, 20, 30, 44]. Следует подчеркнуть, однако, что, согласно рис. 2 и 3, опускание воды в Северной Атлантике компенсируется подъемом воды не в центральных частях Тихого и Индийского океанов, как это имеет место на рис. 1, а в Южном океане.
В качестве границы между верхней и нижней ветвями ГОК (рис. 1) обычно принимают нижнюю границу Антарктической промежуточной воды пониженной солености (ААПрВ), располагающуюся на глубинах 1000—1100 м в экваториальной Атлантике. Оценки расхода ГОК в Атлантике, выполненные путем прямого математического моделирования циркуляции океанских вод [13, 27, 34, 35], с помощью инверсионных (боксовых) моделей океана [22, 32, 48] и преимущественно путем анализа данных наблюдений [20, 43, 53], дали достаточно близкие друг к другу величины этого расхода в диапазоне 14—18 Св (свердрупов, 1 Св = 106 м3/с). Заметим, что расход Антарктического циркумполярного течения (АЦТ) составляет около 150 Св, а расход Гольфстрима — около 100 Св; таким образом, ГОК представляет собой относительно малую часть об-
90° з.д. 60° 0° 30° в.д.
90° з.д. 60° 0° 30° в.д.
Рис. 3. "Главная петля Атлантики" — рисунок и подпись к нему из [5].
щей океанской циркуляции, хотя и очень важную в климатическом отношении.
После опубликования [14] исследования ГОК интенсивно развивались в нескольких направлениях, главным из которых следует признать полноценное подключение к схеме ГОК Антарктики, в явно недостаточной степени представленной на рис. 1. Наибольший вклад в исследования по этому направлению был сделан в [48, 41], где на основе анализа изопикнической боксовой модели океана была показано, что подъем воды из абиссали в термоклин, компенсирующий обратное движение воды в Северной Атлантике, происходит преимущественно, если не полностью, в Антарктике, что по сути дела возвращает проблему к представлениям, иллюстрируемым рис. 2 и 3. Особенностью антарктической зоны является выклинивание изопикни-ческих поверхностей к поверхности океана (рис. 4); таким образом, глубинная вода, поднимаясь изо-пикнически к поверхности вследствие дивергенции чисто дрейфового течения, не совершает работы
80° ю.ш.75°
70°
65°
60° 55° 50° 45° 40° 35° 30° 25°
0 100
=«200 я
|300 400
500 0
500
1000
1500
2000
5! 2500 яТ
к 3000
ю ^
^ 3500 4000 4500 5000 5500
6000
80° ю.ш.75
60° 55° 50° 45° 40° 35° 30° 25°
Рис. 4. Среднеклиматическое распределение нейтральной плотности у" на разрезе через Южный океан по меридиану 30° з.д. [24]. Жирной сплошной линией выделена изопикна 27.65, разделяющая верхнюю и нижнюю ветви ГОК, а жирными штриховыми линиями — изопикны 28.05 и 28.27, ограничивающие (последняя — именно на меридиане 30° з.д.) снизу вихри Субантарктического фронта (САФ) в двух вариантах расчета. Средняя из трех вертикальных прямых показывает среднеклиматическое положение САФ на 30° з.д., две остальные проведены на расстоянии 1° к северу и к югу от САФ (пояснения см. в тексте).
против силы Архимеда. По достижении верхнего слоя океана она начинает перемещаться на север в поле экмановского переноса. По ходу этого движения происходит трансформация глубинной воды в относительно распресненные Антарктическую поверхностную воду (ААПВ) и ААПрВ под воздействием избытка осадков над испарением в этой зоне и интенсивного штормового перемешивания верхнего слоя океана.
В отличие от Антарктики, в центральных частях Тихого и Индийского океанов (рис. 1) подъем воды из абиссали в термоклин требует диапикнического перемешивания, характеризующегося коэффици-
ентом порядка 1 см2/с (см. например, [42]). В то же время современные представления, основанные на результатах специальных экспериментов, проведенных в субтропической и тропической зонах океана на глубинах порядка 500—1000 м [54], приводят к величине этого коэффициента, на порядок меньшей вышеприведенной — обстоятельство, также свидетельствующее в пользу концепции об антарктическом подъеме абиссальных вод в термоклин. Изучение современных работ, посвященных ГОК (например, [27, 32]), показывает, что эта точка зрения является в настоящее время очевидно преобладающей.
Еще одним очень важным направлением развития исследований ГОК в последние 10—15 лет, неразрывно связанным с описанным выше направлением, является учет вклада в ГОК синоптических вихрей Южного океана. Эта проблема подробно описана в [48, 41] и развита далее в ряде работ [2, 25, 26, 29, 36, 45, 55], в которых она исследуется преимущественно в рамках численных моделей циркуляции вод Южного океана, как вихреразрешаю-щих, так и с параметризацией вклада вихрей в перенос воды, тепла и соли. В последнем случае используется изложенная в [23] идея (модель ОМ по имени ее авторов), согласно которой сочетание изопикничности крупномасштабного перемешивания воды в океане с присущим антарктической зоне схождением к югу изопикнических поверхностей в термоклине и верхней абиссали (рис. 4, см. изменчивость вдоль меридиана расстояний по вертикали между фиксированными изопикнами в указанных слоях океана) приводит к возникновению среднего переноса воды в направлении с севера на юг. Во всех без исключения упомянутых выше работах получен очень существенный вклад вихрей Южного океана в ГОК.
II. РАСЧЕТ КОМПОНЕНТОВ РАСХОДА ВОДЫ ЧЕРЕЗ СУБАНТАРКТИЧЕСКИЙ ФРОНТ
Задачей настоящей работы является проверка представления о подъеме воды из нижней ветви ГОК в верхнюю в Антарктике путем расчета компонентов расхода воды через Субантарктический фронт (САФ) (рис. 5) по данным наблюдений. Главным признаком, определяющим САФ, традиционно считается переход, в направлении с юга на север, распресненной ААПрВ из поверхностного в промежуточное по глубине положение (например, [2]). Выбор САФ для расчетов компонентов ГОК определяется следующими причинами:
а) САФ располагается заведомо севернее зоны предполагаемого подъема абиссальных вод в термоклин; таким образом, если представление о таком подъеме верно, интегральные по всей длине САФ (рис. 5) расходы воды на север в термоклине и на юг в абиссали не только должны быть равными друг другу, но и каждый из них должен быть равен интегральному расходу нисходящего движения воды в Северной Атлантике, оцениваемому, как указывалось выше, величиной 14—18 Св.
б) САФ занимает положение, в среднем близкое (несколько севернее) к зоне максимальной величины направленного на север экмановского переноса воды.
в) САФ совпадает с Субантарктическим течением (САТ) — наиболее северной и особенно сильной струей АЦТ в поле которой происходит интенсивное формирование циклонических и антициклони-
ческих фронтальных вихрей, осуществляющих меридиональный водообмен через САФ.
г) За исключением довольно протяженного участка от 39° до 54° ю.ш. в районе континентального склона Патагонии, вдоль линии САФ, определенной по упомянутому в начале этого раздела признаку (рис. 5), имеются только четыре коротких и не связанных с протяженными подводными хребтами участка — на 42°, 159°, 166° в.д. и 56° з.д., — где глубина океана составляет несколько менее 2000 м.
Расчет распределения стерической высоты к (рис. 5, см. пункт 3 в настоящем разделе) и определение обоих показанных на рис. 5 положений САФ были выполнены по наиболее современному климатическому массиву гидрологических данных [24]. Ниже следует описание расчета расходов отдельных компонентов ГОК через САФ.
1. Экмановский перенос. Расчет экмановского переноса воды через САФ был выполнен вдоль кривой 1 на рис. 5 на основе одноградусного среднекли-матического массива касательного напряжения ветра, описанного в [28]. Результат расчета представлен в таблице. Обращает на себя внимание оче
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.