УДК 551.465.4(268.53)
Особенности формирования и стока плотных шельфовых вод (каскадинга) в районе материкового склона котловины Нансена в море Лаптевых
П. Н. Головин*
Крупномасштабная адвекция распресненных речным стоком поверхностных вод из Карского моря или адвекция более соленых вод из районов архипелагов Земля Франца-Иосифа и Шпицберген в предшествующий летний период определяют глубину развития зимней подледной (соленостной) гравитационной конвекции на шельфах архипелага Северная Земля в море Лаптевых, эффективность формирования плотных шельфовых вод и интенсивность стока шельфовых вод по материковому склону (каскадинга) котловины Нансена. По гидрометеорологическим и топографическим особенностям шельф и материковый склон Северной Земли делятся на северную часть, где склоновый каскадинг более интенсивный, и южную часть, где он менее интенсивен. На шельфе и бровке шельфа в верхнем 200-метровом слое формирование придонного гравитационного течения шельфовых вод обусловливает соленость. Ниже, в верхней части материкового склона (200—800 м), баро-клинный фронт шельфовых вод имеет ярко выраженный термоклинный характер, и склоновый каскадинг определяется температурой, хотя при этом часто шельфовые воды являются менее солеными, чем соседние атлантические воды. Термоклинность в придонных горизонтах на фоне гладкого (горизонтального) поля плотности на бровке шельфа или в верхней части материкового склона является дополнительным индикатором каскадинга шель-фовых вод в районе архипелага Северная Земля.
Введение
В зимний период в результате интенсивного ледообразования и инжек-ции рассола в воду на мелководных шельфах окраинных арктических морей формируются плотные и холодные шельфовые воды, которые, достигая материкового склона, стекают по нему на значительные глубины. Этот процесс стока плотных вод, названный каскадингом, играет важную роль как в вентиляции промежуточных глубинных вод, так и в обновлении холодных халоклинных вод Арктического бассейна. Впервые подобный феномен был описан еще Нансеном в начале XX века [19], а затем проверен и подтвержден Огардом в середине 1980-х годов [11].
Образование льда и инжекция рассола в воду являются необходимым, но не достаточным условием для формирования шельфовых вод [18]. Важным фактором, который обеспечивает глубинное проникновение осен-
* Арктический и антарктический научно-исследовательский институт.
не-зимней гравитационной (соленостной) конвекции, является состояние сезонного халоклина (пикноклина), которое зависит от интенсивности летнего распреснения верхнего квазиоднородного слоя (ВКС). В окраинных морях Сибирского шельфа основным источником летнего распреснения на фоне таяния льдов является пресноводный сток рек. Вместе эти два явления создают мощный сезонный халоклин (пикноклин), который часто делает невозможным проникновение зимней гравитационной конвекции до дна и образование плотных шельфовых вод на обширных акваториях морей Карского, Лаптевых и Восточно-Сибирского [17, 23]. Поэтому по натурным данным на большей части материкового склона моря Лаптевых (центральный и восточный районы) признаки каскадинга не встречаются [22, 23].
Согласно [10, 13, 21], наиболее благоприятными районами формирования плотных шельфовых вод, последующего их стока по материковому склону котловины Нансена и участия в вентиляции промежуточных вод (иногда и глубинных) и холодных халоклинных вод в Евразийской части Арктического бассейна являются шельфы архипелагов Шпицберген и Земля Франца-Иосифа. В начале зимнего ледообразования в этих районах отмечается достаточно высокая соленость в сезонном ВКС и, как следствие, слабо развитый сезонный пикноклин, который быстро разрушается конвекцией, что способствует ее глубинному проникновению [23]. В [17] к таким же районам в Западной Арктике относят северную и восточную части шельфов архипелага Северная Земля в море Лаптевых, что подтверждается и в [22]. А частое образование в этих районах заприпайных полыней способствует резкой интенсификации локального ледообразования, увеличению скорости формирования плотных шельфовых вод [4, 5, 13, 17, 22] и последующему возникновению локальных явлений каскадинга. Основным источником вентиляции (наряду с сезонным каскадингом плотных шель-фовых вод) промежуточных вод, а иногда глубинных и донных вод котловины Нансена западнее Северной Земли являются плотные воды атлантического происхождения (баренцевоморская ветвь), которые, проходя через Баренцево море, становятся значительно более холодными и несколько менее солеными [24]. Далее они проходят через желоб Св. Анны на севере Карского моря и поступают на материковый склон котловины Нансена на глубине 200—500 м, распространяясь вдоль склона в восточном направлении в виде придонного склонового течения, и постепенно заглубляются до 800—1200 м в северо-восточной части моря Лаптевых [22, 24].
В данной статье рассматриваются особенности формирования плотных и холодных шельфовых вод в различных районах шельфа архипелага Северная Земля и материкового склона котловины Нансена в зимний период в зависимости от гидрометеорологических и топографических факторов. Исследуются разнообразные термохалинные и плотностные проявления, а также пространственно-временная изменчивость каскадинга шельфовых вод на материковом склоне котловины Нансена, основанные на анализе четырех последовательных мезомасштабных полигонных гидрологических съемок в холодный период года, начиная с осени (октябрь) 1984 г. и заканчивая зимой — весной 1985 г. (март — май).
Характеристика натурных данных полигонных гидрологических съемок
Ряд полигонных гидрологических съемок, выполненных на шельфах архипелага Северная Земля и материковом склоне котловины Нансена в море Лаптевых, является целевым натурным экспериментом по исследованию склоновых процессов [2]. При выполнении полигонов была применена методика "прыгающих" высокоширотных экспедиций "Север" на вертолетах. Для выявления сезонной преемственности процессов на материковом склоне в натурном эксперименте был охвачен широкий временной диапазон от осени (октябрь) к зиме (март) и весне (апрель — май). Было отработано 4 полигона (от 25 до 35 гидрологических станций в каждом) в виде разрезов от шельфа или бровки шельфа поперек материкового склона (рис. 1). В октябре 1984 г. был сделан один полигон (30 станций), а в марте, апреле и мае 1985 г. было сделано еще 3 полигона (25—35 станций). Время работы на полигоне 10—14 сут, временная дискретность между полигонами 10—16 сут.
Расстояние между станциями на полигоне составляло «50 км, как в разрезах поперек склона, так и между разрезами. Часто гидрологические разрезы были "быстрыми" и выполнялись в течение одного рабочего вылета (10—12 ч), поэтому с точки зрения временной изменчивости такого склонового процесса, как, например, каскадинг шельфовых вод, их можно считать "мгновенными". В зависимости от глубины, гидрологическая станция представляла одну или несколько серий батометров, которые вывешивались на стандартных горизонтах. На шельфе гидрологические станции выполнялись до дна, а на склоне или до дна (при Ндно < 1000 м), или до горизонта 1000 м. Температура морской воды измерялась с помощью глубоководных термометров, точность измерения ±(0,03—0,05)°С. Соленость определялась после отбора проб воды электросолемером, точность ее определения ±(0,02—0,04) е. п. с.
Значительная пространственная дискретность («50 км) между станциями наблюдений на гидрологических полигонах в районе Северной Земли осложняет исследование мелкомасштабных особенностей склоновой конвекции. Тем не менее эти последовательные полигонные съемки позволяют судить о мезомасштабном результате процесса склонового каскадинга плотных шельфовых вод при формировании термохалинных и плотно-стных полей в районе бровки шельфа и верхней части материкового склона Северной Земли в море Лаптевых и их временной изменчивости, а также исследовать пространственно-временную изменчивость водных масс в районе материкового склона Северной Земли [2].
90 100 т°бл
Рис. 1. Схема гидрологических полигонов в районе архипелага Северная Земля на материковом склоне котловины Нансена, выполненных осенью (октябрь) 1984 г., зимой и весной (март — май) 1985 г.
Гидрометеорологические особенности, определяющие характер образования плотных шельфовых вод в районе исследования
Климатические карты распределения солености в зимнем ВКС в Арктическом бассейне (горизонты 5 и 50 м) показывают, что в районе архипелага Северная Земля в море Лаптевых принципиально возможно образование холодных и плотных шельфовых вод (рис. 2) [12]. Они отражают тот факт, что часто возникает ситуация, когда в район Северной Земли распространяются более соленые поверхностные воды из районов архипелагов Земля Франца-Иосифа и Шпицберген (см. рис. 2а), а это способствует глубинному развитию конвекции на шельфе Северной Земли. Так, на горизонте 50 м средняя (климатическая) соленость в северной части Северной Земли превышает 34 е. п. с. (см. рис. 26). Поэтому при характерной температуре зимнего ВКС в Арктике, близкой к температуре замерзания, когда поле солености определяет поле плотности [7], на шельфе Северной Земли формируются плотные воды. А в районе бровки шельфа создается горизонтальный градиент солености (плотности), который определяет принципиальную возможность явлений каскадинга шельфовых вод на материковом склоне и таким образом является индикатором этого процесса.
Однако в действительности шельфовый район Северной Земли в море Лаптевых (в том числе и его северная часть) не является местом, где постоянно (из года в год) возможны глубинное развитие конвекции и последующий сток образовавшихся плотных шельфовых вод по склону. Существует несколько факторов, которые приводят к интенсификации развития зимней гравитационной конвекции и более глубинному ее проникновению, другие факторы препятствуют ее развитию. Одними из таких факторов являются распределение и адвекция поверхностных вод в предшествующий летний период в исследуемом районе шельфа и материкового склона Северной Земли, характер которых
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.