Изучение вертикальной циркуляции и структуры вод арктического бассейна

Ставя исследование основных закономерностей вертикальной циркуляции и структуры вод Мирового океана, нас, собственно, интересовало, каковы особенности этих явлений в глубоководной части Северного Ледовитого океана. По Атлантическому, Индийскому и Тихому океанам необходимые расчеты производились по средним широтным величинам, для того чтобы получить представление о вертикальной циркуляции и структуре вод в меридиональной плоскости океанов.

Не располагая осредненными данными по Арктическому бассейну, мы подобрали такие глубоководные гидрологические станции, которые позволили построить меридиональный разрез от Шпицбергена через северный полюс к Аляске (карта 7).

Карта 7. Положение используемого гидрологического разреза Рельеф дна по Н. А. Белову и Н. Н. Лапиной (1961)

Расчет течений и анализ полученных результатов. Подобно тому как это делалось по другим океанам (В. Н. Степанов, 1969а), для расчета вертикальной и меридиональной составляющих течений было использовано общеизвестное уравнение переноса. При этом в условиях большой стабильности структуры и свойств вод Арктического бассейна из уравнения был исключен член, относящийся к изменению процесса во времени.

Исходя из того, что в рассматриваемом районе широтные градиенты свойств должны быть малы вследствие преобладания широтного переноса вод (циклонического в приатлантической части бассейна и антициклонического — в притихоокеанской), можно также пренебречь членом уравнения, который включает этот зональный градиент. Горизонтальный турбулентный перенос в меридиональном направлении в расчет не вводился, так как, по сделанным оценкам, он на 1—2 порядка меньше вертикального турбулентного переноса. Последний же был принят постоянным, равным 10.

В окончательном виде исходное уравнение получило следующий вид:

где υ и ω — проекции скорости течений на плоскость разреза (карта 7) и вертикаль;
А_z — коэффициент вертикальной турбулентной диффузии;
k — любая характеристика физических свойств воды, например температура и соленость.

Решая два таких уравнения с двумя неизвестными, мы получаем меридиональные и вертикальные составляющие переноса вод. Необходимые для расчетов сглаженные данные снимались с интервалом в 2° широты с гидрологического разреза (рис. 16), построенного по наблюдениям отдельных станций.

Рис. 16. Поле температуры (вверху) и солености воды (внизу) на гидрологическом разрезе, показанном на карте 7

При всех тех допущениях, которые были сделаны при расчете горизонтальной и вертикальной компонент течений и относительно произвольном выборе величины коэффициента турбулентной диффузии, полученные величины можно рассматривать лишь как некоторое приближение к истинным их значениям. Несмотря на это, в целом они оказались довольно близкими к тем представлениям, которые существуют о скоростях горизонтального и вертикального переноса вод. Так первые из них в поверхностных слоях обыкновенно меняются от 10 до 50 см/сек и выше, а в глубинных водах редко превышают 1—5 см/сек. Вертикальные же скорости в преобладающем большинстве случаев меняются от 2/3*10^-4 до 8/9*10^-4 см/сек., увеличиваясь в поверхностных слоях до 1/5*10^-3 см/сек.

На рис. 17 приводятся расчетные результирующие вектора течений, определенные по вертикальным и меридиональным составляющим. Это оказалось возможным, благодаря большому вертикальному масштабу гидрологического разреза по отношению к горизонтальному. В принятых нами масштабах такое соотношение примерно обратно пропорционально порядкам скоростей вертикальной и горизонтальной компонентам течений.

Рис. 17. Границы структурных зон и расчетные вектора течений на гидрологическом разрезе, показанном на карте 7. У нижних границ структурных зон поставлены следующие номера: 1 — поверхностная, 2 — переходная, 3 — промежуточная, 4 — глубинная. Основные формы рельефа обозначены буквами. Хребты: Г — Гаккеля, Л — Ломоносова, М — Менделеева, -Чукотское поднятие. Котловины: Н — Нансена, А — Амундсена, Ма — Макарова, Б—Бофорта

Первое знакомство с полученным полем расчетных векторов течений (рис. 17) вызвало большое недоумение тем, что в нескольких местах, почти по всей толще океана, эти вектора оказались обращенными друг к другу. Ясность появилась после того, как на гидрологический разрез был нанесен рельеф дна. Направленность векторов течений от средней части глубоководных областей в сторону поднятий дна указывает на наличие самостоятельных круговоротов воды в котловинах, образующихся в результате расчлененности Арктического бассейна высокими подводными хребтами.

В этом нет ничего удивительного в условиях преобладания циклонического обращения поверхностных и, видимо, теплых атлантических вод на большей части Арктического бассейна и антициклонического их вращения в районе котловины Бофорта.

Обнаруженная общая закономерность нарушилась только в одном месте, к северу от Шпицбергена, между 86° и 88° с. ш., где при наличии системы встречных векторов течений не удалось обнаружить подводного хребта на последней из известных нам опубликованных карт рельефа дна (Н. А. Белов и Н. Н. Лапина, 1961).

Однако казалось несомненным, что и здесь должна быть подводная горная гряда. После некоторых поисков намеки на нее удалось обнаружить на батиметрических картах, составленных в 1954 и 1955 гг. Яковом Яковлевичем Гаккелем (1957 б). С большей определенностью он говорит об этом хребте в другой статье (Я. Я. Гаккель, 1960).

Последующие гидрографические и геофизические исследования, проведенные в Арктическом бассейне, подтвердили наметки Я. Я. Гаккеля. Рассматривая результаты этих исследований, группа советских мореведов (А. И. Россохо и др., 1967; А. Ф. Трешников и др., 1967) предложила назвать горную систему, простирающуюся от моря Лаптевых в направлении острова Элсмир, хребтом Гаккеля. Тем самым справедливо увековечивается память выдающегося и разностороннего ученого, открывшего обширнейшую подводную горную гряду по единичным промерам дна.

По известным в литературе батиметрическим картам и тем более морфологическим схемам не представляется возможным определить высоты хребтов Гаккеля и Менделеева в месте пересечения их нашим гидрологическим разрезом. Судя по тому, что система встречных векторов течений прослеживается от дна до горизонта 1000 м, можно полагать, что хребты здесь подымаются до 1000—1500 м.

В отношении хребта Гаккеля некоторым подтверждением тому может служить одно из непосредственных измерении, произведенных в 1959 г. (Я. Я. Гаккель, 1960), которое, видимо, пришлось на отдельную вершину, где глубина оказалась 728 м; позже (Трешников и др., 1967) была обнаружена еще более высокая вершина с отметкой 400 м, названная горой Ленинского комсомола. В статье Трешникова и др. (1967) указывается, что наименьшие глубины на хребте Менделеева близки к 1500 м.

Таким образом, проведенные расчеты течений представили значительный методический интерес не только в отношении выявления исключительно большой связи, которая может иметь место между рельефом дна и циркуляцией вод, но и того, насколько тонким является сам метод расчета.

По поводу же установления общих закономерностей циркуляции вод в Арктическом бассейне, к чему мы стремились, следует сказать, что на примере одного гидрологического разреза можно было установить лишь весьма специфические особенности циркуляции вод, отличные от того, что наблюдается в других океанах (В. Н. Степанов, 1969 6).

При совершенно особом географическом положении, относительно небольшой площади и сильной расчлененности дна Северного Ледовитого океана создается очень сложная система циркуляции вод с несколькими самостоятельными круговоротами, ограниченными отдельными котловинами. Это значительно ближе к тому, что происходит в больших средиземных морях, подобных Романскому и Американскому, чем в океанах.

Для океанов же характерны переносы вод с большой меридиональной составляющей, за счет которых существует межзональный водообмен, местами распространяющийся на всю их протяженность. от Арктики до Антарктики.

При наличии в глубинах Арктического бассейна ряда самостоятельных круговоротов необходимо проведение расчетов по такой сетке, которая позволила бы получить горизонтальные и вертикальные составляющие по всей акватории. Только таким образом можно выяснить, в каких котловинах происходит циклоническое или антициклоническое вращение вод и соответственно их подъем или опускание в центральных частях глубоководных впадин и по склонам хребтов.

На приводимом разрезе можно проследить лишь некоторые элементы этих сложных процессов, в силу чего мы отказались от построения схемы циркуляций вод, которые были даны для других океанов (В. Н. Степанов, 1969).