УДК 551.465.41(268+269)
Условия формирования шельфовых вод и стока на разных акваториях Арктики и Антарктики
П. Н. Головин*
Сравнительный анализ гидрометеорологических и топографических условий формирования и стока плотных шельфовых вод на шельфах и континентальных склонах разных акваторий Арктики и Антарктики показывает, что во многих чертах они близки, но существуют и различия. В Антарктике эти условия более благоприятны. Термохалинные условия формирования и стока шельфовых вод в Арктике и Антарктике также похожи. Сходство разных условий позволяет построить адаптационную физическую модель шельфового и склонового каскадинга шельфовых вод, обобщенную для разных полярных акваторий. Она основана на анализе исторических и современных данных натурных наблюдений в областях бровок шельфов и склонов в Арктике и Антарктике, наблюдений в районах заприпайных полыней, попутных ледовых и метеорологических наблюдений, а также на основе учета некоторых общих результатов лабораторных и теоретических исследований стока плотной жидкости по наклонному дну.
Введение
В зимний период в результате интенсивного ледообразования и ин-жекции рассола в воду на мелководных шельфах окраинных арктических морей и шельфах антарктических морей развивается гравитационная конвекция, обусловливающая сезонное формирование плотных и холодных шельфовых вод (ШВ), когда конвективное перемешивание достигает дна. Распространяясь по шельфу, ШВ переливаются через бровку шельфа и стекают по материковому склону на значительную глубину, участвуя в вентиляции промежуточных, глубинных и донных вод на акваториях Арктики и Антарктики.
Интенсивность стока ШВ (каскадинга) зависит от эффективности их формирования в холодный период года, а также от топографических характеристик дна шельфа и склона. В свою очередь, если существует сама возможность формирования ШВ, то эффективность этого процесса зависит как от крупномасштабных, так и от локальных гидрометеорологических и термохалинных условий как в предшествующий летний период года, так и в зимний. Здесь представлен сравнительный анализ гидрометеорологических, топографических и термохалинных условий формирования и стока ШВ на разных акваториях Арктики и Антарктики. На основе этого
* Арктический и антарктический научно-исследовательский институт; e-mail: golovin@ aari.nw.ru.
анализа, а также на основе анализа подробных современных натурных исследований летнего каскадинга антарктических шельфовых вод в Антарктике [1, 11], зимних и летних натурных наблюдений в области шельфа и склона в Арктике [3—5, 7], натурных исследований в районах заприпай-ных полыней в Арктике [5, 6, 16, 22], анализа попутных метеорологических и ледовых наблюдений [5] в заключение статьи представлена более детализированная адаптационная физическая модель формирования и стока ШВ по шельфу и склону (по сравнению с моделью антарктического каскадинга [12]), обобщенная для разных полярных акваторий.
Сходство и различие гидрометеорологических условий
формирования шельфовых вод на акваториях Арктики и Антарктики
Во многих районах Антарктики [12] и Арктики [4, 17, 19, 20] образование ШВ зимой и последующий сток по шельфу и склону невозможны. Это обусловле но тем, что ин тен сив ное ледо об ра зо ва ние и ин жек ция рас сола в воду в холод ный пе ри од года явля ют ся не обходи мым, но недос таточ ным условием для формирования ШВ, например, в Арктике [4, 17]. Важным факто ром, обес печи ва ю щим про ник но ве ние осен не-зим ней соле нос тной конвекции до дна, является эффективность летнего распреснения верхнего конвективного слоя, которое определяет устойчивость сезонного халопик-ноклина. На мелководных акваториях морей сибирского шельфа основным источником распреснения на фоне таяния морских льдов является пресноводный сток рек (соленость поверхностных вод может уменьшаться до 10—20%о). В результате создается мощный летний халопикноклин, который делает невозможным проникновение конвекции до дна и образование ШВ даже за весь последующий зимний период [4, 10, 16, 19, 20]. Поэтому по натурным данным на большей части материкового склона этих морей признаки склонового каскадинга ШВ отсутствуют [19, 20].
Наиболее благоприятными районами для формирования ШВ в Западной Арктике являются шельфы архипелагов Шпицберген и Земля Франца-Иосифа, а также северные и восточные шельфы архипелага Северная Земля в море Лаптевых [3, 4, 7, 16, 19]. Здесь летом верхний конвективный слой является наиболее соленым [4, 11], и слабый сезонный халопикноклин быстро разрушается конвекцией [4, 20]. Однако у Северной Земли в море Лаптевых образование и сток ШВ происходит не каждый год [4]. В отдельные годы летний пикноклин, образовавшийся под преимущественным воздействием адвекции распресненных речным стоком поверхностных вод, проникающих из Карского моря, сохраняется в течение всего последующего зимнего периода [4, 10]. Глубинное развитие конвекции и эффективное образование зимой ШВ происходит в те годы, когда в предшествующий летний период в этот район моря поступают более соленые поверхностные воды из районов Шпицбергена и Земли Франца-Иосифа. Тогда конвекция уже осенью на ранней стадии ледообразования может достигать дна в мелководных частях шельфа [4, 10].
Наиболее интенсивному развитию конвекции и локальному формированию плотных вод на шельфах Земли Франца-Иосифа и Северной Земли способствует поток солей в воду, обусловленный внутриводным (динами-
ческим) ледообразованием Гявв при периодическом вскрытии заприпайных полыней в течение всего зимнего периода [16, 22]. Например, район Северной Земли в море Лаптевых известен частым вскрытием Североземель-ской заприпайной полыньи значительной протяженности [9, 22].
Эффективность зимнего осолонения вод на шельфе вследствие внутри-водного ледообразования в приповерхностном турбулентном погранслое Североземельской полыньи в 3—4 раза превосходит эффективность осолонения при фоновом (статическом) ледообразовании Гэф в этом районе [5, 13]. В короткие периоды существования открытой водной поверхности в полынье (всего несколько суток в течение месяца) локальные потоки соли в ней Гэвв превышают фоновые потоки соли Гэф под толстыми льдами, ограничивающими полынью, а также потоки соли Гэф в конжеляцион-ной полынье, покрытой молодым льдом, в 10—80 раз [5, 13], что в конце зимнего периода приводит к быстрой конвективной подстройке всей водной толщи до дна (т. е. разрушению остаточной стратификации) в областях образования полыней за период времени менее 12 ч [5].
Не обходи мым усло ви ем для возмож но го вскры тия запри пай ной Се ве-роземельской полыньи является локальное поле приземного ветра отжимного характера, которое чаще всего создается при периодическом прохож-де нии цик ло нов и ат мосфер ных фрон тов. А дос таточ ным усло ви ем вскрытия полыньи и поддержания открытой водной поверхности является сила отжимного ветра не менее 10 м/с [5].
Таким образом, можно полагать, что на материковых склонах Земли Франца-Иосифа и Северной Земли явления каскадинга ШВ могут возникать уже осенью, и они идентифицируются на разрезах температуры и плотности [4]. Плотные ШВ подтекают под сезонный пикноклин к бровке шельфа из мелководных частей шельфа, хотя на большей площади шельфа Северной Земли пикноклин еще существует.
Гидрометеорологические условия формирования ШВ на антарктических шельфах (например, в море Содружества) в некоторых чертах совпадают с условиями в Арктике, но есть и существенные различия. В летний период поверхностные воды в Антарктике, так же как и в Арктике, сильно распреснены. Однако в Антарктике отсутствует самый мощный источник летнего распреснения — сток рек. Основной вклад в распреснение поверхностных вод в Антарктике вносит таяние морских льдов, материковых и шельфовых ледников. Поэтому толщина сезонного верхнего конвективного слоя в летний период в прибрежных районах меньше, а его соленость больше (в среднем) в Антарктике, чем в Арктике. Следовательно, потен -циальная возможность более эффективного развития осенне-зимней гравитационной конвекции в Антарктике выше.
Пространственное перераспределение распресненных поверхностных вод и льдов в летний период в Антарктике также зависит от метеорологических (ветровых) условий. Однако они не являются определяющим фактором для формирования антарктических шельфовых вод в последующий зимний период. Антарктида — материк, покрытый ледником и омываемый со всех сторон океаном, а Арктический бассейн — океан, ограниченный со всех сторон сушей. Эти различия важны при формировании, эволюции и движении атмосферных образований — циклонов и антициклонов, -определяющих преобладающий летний режим приводных и приземных
ветров в прибрежных мелководных акваториях, где в дальнейшем возможно формирование антарктических шельфовых вод в зимний период. На фоне меньшего летнего распреснения адвективные условия накапливания распресненных поверхностных вод в потенциальных районах возможного интенсивного зимнего формирования антарктических шельфовых вод мягче, чем ШВ в Арктике [4]. Особенно это относится к арктическим районам, которые находятся под влиянием пресноводного стока крупных рек.
В Антарктике, так же как и в Арктике, наиболее интенсивное образование ШВ происходит в локальных районах вскрытия полыней. Основные квазистационарные полыньи в шельфовых районах Антарктики — при-барьерные. Они периодически вскрываются зимой рядом с шельфовыми ледниками, являющимися отрогами огромных материковых ледников, выходящих на шельф. Кроме того, в Антарктике есть районы, где периоди -чески вскрываются заприпайные полыньи [12]. Самым большим в Мировом океане поставщиком плотных ШВ является море Уэдделла [14, 15, 18]. В других районах Антарктики (например, в море Росса) формирование и сток антарктических шельфовых вод значительно меньше [12, 21]. В последние годы в Индийском секторе Южного океана в море Содружества обнаружен еще один район интенсивного зимнего образования антарктических шельфовых вод. Таковым является южная часть залива Прюдс, где существует квазистационарная прибарьерная полынья около шельфов
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.