Поверхностные течения Мирового океана - Физико-географическая характеристика Мирового океана - Биогеография бентали Мирового океана

В глобальном масштабе наиболее существенным фактором, влияющим на распределение жизни на Земле в целом, является температура.

Основной источник тепла на Земле — Солнце, с удалением от экватора количество света и тепла, поступающего от Солнца на единицу горизонтальной поверхности (инсоляция) падает. Из-за наклона оси вращения Земли большее количество солнечной энергии попеременно получает то Северное, то Южное полушария (Рис. 5.2). Вода поглощает тепло значительно эффективнее суши. Океан поглощает на 25—50% больше тепла, чем расположенная на той же широте суша. Теплоёмкость всей атмосферы в 4 раза меньше теплоёмкости десятиметрового слоя Мирового океана. Однако, в отличие от поверхности суши, солнечное излучение редко или вовсе не попадает на большую часть поверхности морского дна, поскольку его поглощает сравнительно тонкий поверхностный слой воды.

Рис. 5.2. Распределение инсоляции на поверхности Земли.

Из-за сферической поверхности приэкваториальные районы получают больше солнечной энергии на единицу площади, чем приполярные, поскольку то же количество энергии распределяется на большую площадь. Наклон оси вращения Земли к плоскости орбиты приводит к появлению сезонов и полярных дней и ночей.

Неравномерное в пространстве и времени поступление солнечной энергии приводит к возникновению разности температуры на различных участках Земли и компенсирующей её циркуляции атмосферы и воды. Поэтому распределение температуры в гидросфере и систему водной циркуляции целесообразно рассмотреть вместе. Циркуляция воды влияет и на многие другие факторы внешней среды. От неё также зависит распределение растворённых газов (кислорода, углекислого газа и др.), минеральных солей, пищи (детрита, фитопланктона и т. п.). Более того, скорость течения сама по себе является одним из основных факторов, влияющих на распределение морских СС.

Изотермы воды на поверхности имеют в первом приближении широтное простирание (Рис. 5.3). Более детальный анализ показывает, что в средних широтах у восточных берегов материков вода холоднее, чем у западных. Отклонение изотерм от широтного обусловлено в первую очередь существующей системой течений. Меньшее значение имеют атмосферная циркуляция, рельеф и альбедо (отражающая способность) поверхности Земли в данном месте и другие факторы.

Рис. 5.3. Средние годовые изотермы поверхности Мирового океана. По В.Н. Степанову (1974).

Поверхностные течения Мирового океана

Существующую систему современных течений, вод и водных масс* легче понять, разобравшись в причинах их возникновения. Воздух нагревается на экваторе сильнее, чем в других районах. Из-за нагревания воздуха уменьшается его удельный вес, и он поднимается вверх. По мере удаления от поверхности Земли температура поднимающегося воздуха снижается, содержащаяся в нём влага конденсируется и выпадает дождём. Поднявшийся воздух двигается по направлению к полюсам. На его место приходит воздух из более высоких широт. В результате в каждом полушарии образуется конвекционная ячейка в меридиональной плоскости, действующая круглый год. Казалось бы, результатом действия этой пары конвекционных ячеек должно быть выравнивание температуры на экваторе и полюсах. Однако из-за вращения Земли на любое движущееся тело действует сила Кориолиса. Причина возникновения этой силы — вращение Земли. Она стремится повернуть объект направо по отношению к его движению в Северном полушарии и налево — в Южном. Результатом действия силы Кориолиса является возникновение в атмосфере Земли двух конвекционных ячеек Гадлея** вместо одной (Рис. 5.4). Первая от экватора ячейка расположена в каждом полушарии примерно между экватором и 30° широты. Дующие здесь ветра — пассаты — весьма постоянны, поэтому по-английски их называют trade winds, т. к. их постоянство англичане использовали в торговых плаваниях.

Рис. 5.4. Схема циркуляции атмосферы Земли.

В — области высокого давления (антициклоны); Н — области низкого давления (циклоны); стрелки — преобладающее направление ветра, серым показаны переходные области. Показана ситуация во время весеннего или осеннего равноденствия (солнце в зените над экватором. По Габауэру из Вальтера, 1968).

В субтропиках воздух опускается. Из-за возрастания давления он нагревается. При этом, хотя содержание воды в воздухе остаётся постоянным, его относительная влажность падает, поскольку с ростом температуры его влагоёмкость возрастает, а взяться влаге неоткуда. Поэтому там, где опускающийся воздух достигает поверхности Земли количество осадков понижено. Вся эта система смещается в течение года на 5—15° широты к северу или югу от экватора вслед за перемещением Солнца, поэтому довольно широкий пояс в разные сезоны года попадает то под влияние перемещающегося пояса тропических дождей, то сухих пассатов. Меняющееся во времени и пространстве количество осадков приводит не только к общеизвестным явлениям: образованию сухого субтропического и влажного тропического поясов, но и к сезонной динамике солёности в океане.

Опускающийся около 30° широты воздух только частично двигается к экватору, частично же — к полюсам. Ветер этот не столь силён и постоянен, как пассаты, но, в общем, имеет направление с запада на восток. У примерно 60° широты он встречается с ветром, дующим от полюса и имеющим преимущественно направление с востока на запад. Из-за наличия сезонов схема циркуляции зимой и летом различается: ветер от полюса преобладает зимой, от тропика — летом. Средние многолетние направление и скорость ветра на поверхности Мирового океана показаны на Рис. 5.5.

Рис. 5.5. Средние многолетние векторы касательного напряжения ветра на поверхности Мирового океана. По В.А. Буркову (1980).

1 — 0—25; 2 — 25—100; 3 — >100 дин/см².

Ветер, дующий у поверхности моря, передаёт воде часть своей энергии, создавая волны и течения. Однако из- за действия силы Кориолиса направление движения воды отличается от направления ветра. Самый верхний слой воды движется под 45° к направлению ветра. Каждый более глубокий слой воды отклоняется далее направо (в Северном полушарии, в Южном — налево). Но, поскольку с увеличением глубины сила, с которой действует верхний слой на нижний из-за потерь на трение уменьшается, вектор движения более глубоких слоёв меньше, чем вышележащих. В результате образуется спираль Экмана*** (Рис. 5.6). А результирующее направление движения воды направлено под прямым углом к направлению ветра. Наиболее выраженными и постоянными являются дующие с запада на восток в поясе 40—60° широты и с востока на запад вдоль экватора пассаты. Поэтому основными поверхностными течениями Мирового океана являются широтные. Меридиональные течения возникают как замыкающие звенья при расчленении широтных течений материками. В результате образуются глобальные антициклонические (=антициклональные) субтропические круговороты****. В настоящее время их пять. У экватора широтные тече ния южного и северного круговорота соединяются в одно экваториальное пассатное течение. Высота нагонов у западных берегов океанов достигает метра (Рис. 5.7). Экваториальные течения в каждом океане распространяются на глубину 50—100 м, ниже их в обратном направлении идут противотечения. Западные меридиональные течения уже и быстрее, поэтому они более известны (например, Гольфстрим и Куросио). Их средние скорости достигают 1 м/сек (3,6 км/час). Гольфстрим, Куросио и аналогичные течения в южном полушарии переносят тёплую воду от экватора в высокие широты. Северная ветвь Гольфстрима является “печкой” Европы, отсюда в Европу поступает 1/4 тепла. Таким образом, к пассатной циркуляции добавляется циркуляция вод, выравнивающая температуры низких и высоких широт. Это выравнивающее действие особенно сказывается в Европе, где средняя температура значительно выше, чем в Азии на тех же широтах (Рис. 5.8). Восточные меридиональные течения шире и медленнее. С увеличением глубины скорость течения постепенно уменьшается, но поверхностные течения прослеживаются примерно до глубины 1000—1500 м. На ход течения оказывает существенное влияние и подводный рельеф, причём не только в пределах шельфа. Так, отклонение Циркумантарктического течения от правильного круга связано с подводными горами на глубинах до 4000 м. Уровень океана в центре антициклонических круговоротов поднимается и достигает 2090 дин. см. Общая схема поверхностной циркуляции показана на Рис. 5.9 и Рис. 5.10.

Рис. 5.6. Спираль Экмана.

Показана ситуация для Северного полушария. 1 — вектор силы вышележащего слоя; 2 — итоговый вектор течения для данного слоя; 3 — сила Кориолиса. Объяснения в тексте.

Рис. 5.7. Средняя многолетняя годовая динамическая топография поверхности Мирового океана. По В.А. Буркову (1980).

1—3 — динамические горизонтали, кратные: 1 — 50 дин. см., 2 — 10 дин. см, 3 — 5 дин. см; 4 — дивергенции: АД — антарктическая, ЮТД — южная тропическая, СТД — северная тропическая, СПД — субполярная; 5 — конвергенции: ЮСТК — южная субтропическая, СТК — северная тропическая, ССТК — северная субтропическая. На врезке — график для определения скорости геострофического течения.

Рис. 5.8. Отклонения температуры воздуха (изоаномалы) от средней для данной широты в январе. По А.С. Монину, Ю.А. Шишкову (1979).

Рис. 5.9. Основные поверхностные течения и апвеллинги Мирового океана.

I — циклонические тропические, II — антициклонические субтропические, III — циклонические высокоширотные; 1 — Прибрежное антарктическое, 2 — Антарктическое циркумполярное, 2а — его южная ветвь; Атлантический океан: 3 — Фолклендское. 4 — Южно-Атлантическое, 5 — Игольное, 6 — Бразильское, 7 — Бенгельское, 8 — Южное пассатное, 9 — Ангольское, 10 — Гвианское, 11 — Экваториальное противотечение Ломоносова; 12 — Гвинейское, 13 — Зеленого мыса, 14 — Антильское, 15 — Северное пассатное, 16 — Канарское, 17 — Гольфстрим, 18 — Северо-Атлантическое, 19 — Лабрадорское, 20 — Ирмингера, 21 — Баффиново, 22 — Западно-Гренландское; Индийский океан: 3 — Южноиндоокеанское, 4 — Мадагаскарское, 5 — Западно-Австралийское, 6 — Южное пассатное, 7 — Сомалийское. 8 — Экваториальное противотечение Тареева, 9 — Западно-Аравийское, 10 — Восточно-Аравийское, 11 — Западно-Бенгальское, 12 — Восточно-Бенгальское; Тихий океан: 3 — Западно-Новозеландское, 4 — Восточно-Новозеландское, 5 — Восточно-Австралийское, 6 — Южно-Тихоокеанское, 7 — Перуанское, 8 — Южное пассатное; 9 — Перуано-Чилийское, 10 — Экваториальное противотечение Кромвела, 11 — Минданао, 12 — Северное пассатное, 13 — Мексиканское, 14 — Калифорнийское, 15 — Куросио, 16 — Северо-Тихоокеанское, 17 — Ойясио, 18 — Алеутское, 19 — Аляскинское, 20 — Восточно-Беринговоморское; Северный Ледовитый океан: 1 — Норвежское, 2 — Нордкапское, 3 — Восточно-Гренландское, 4 — Западное арктическое, 5 — Тихоокеанское. По В.Н. Степанову (1974).

Апвеллинги: К — Калифорнийский, М — Марроканский, Н — Намибийский, П — Перуанский, С — Сомалийский, А — Австралийский, Э — экваториальные.

Основные зоны образования глубинных вод: Л — Лабрадорское, Г — Гренландское, А — Антарктические (по Gordon, 2001).

Рис. 5.10. Схема течений Мирового океана.

На юге круговороты объединяет Циркумантарктическое циклоническое течение. В высоких широтах Северного полушария циклонические круговороты расположены у Алеутских островов и в Скандском бассейне (Норвежское + Гренландское моря).

Как уже было сказано, теплоемкость всей атмосферы в 4 раза меньше теплоёмкости десятиметрового слоя Мирового океана. Поэтому выраженность градиента “экватор-полюс” зависит от существующей в данный момент системы течений. Основной двигатель течений на Земле — пассаты, они создают течения вдоль экватора с востока на запад. Меридиональные течения возникают только в том случае, если экваториальные течения встречают препятствия (ныне это — Панамский перешеек и Евразия). Сколь далеко к полюсам идут меридиональные течения определяют два фактора:

— ширина океана: океан может оказаться достаточно широким, чтобы меридиональное течение превратилось в широтное, как это ныне имеет место в Тихом океане (Куросио), но не в Атлантическом (Гольфстрим);

— наличие или отсутствие преград на его пути, причём преграды могут быть как в виде суши или подводных хребтов (например, Фареро-Исландский порог), так и в виде приполярных круговых течений (Циркумантарктическое течение).

Если формируются мощные меридиональные течения, не встречающие на своём пути преград, то они значительно выравнивают градиент “экватор-полюс”, снижая температуру низких широт и повышая температуру высоких.

В тех местах, где экваториальные течения отходят от восточных берегов океанов, образуется недостаток воды. Его компенсируют с одной стороны (сбоку) течения, идущие из более высоких широт, с другой (снизу) — подток глубинных вод. Такие районы называют апвеллинги (от англ. upwelling) Как приходящие вдоль берегов из высоких широт, так и глубинные воды обуславливают более низкую температуру воды районов апвеллингов, заметную на карте изотерм. Несколько отличны процессы, происходящие в Сомалийском апвеллинге: он расположен у западного берега океана и понижение температуры здесь не столь выражено. Его вызывает Сомалийское течение, которое в свою очередь вызывают муссоны Аравийского залива. Изменение направления муссона приводит к изменению Сомалийского течения за несколько недель на глубину до 1 км (Longhurst, 1998: 49). Поднимающиеся в апвеллингах воды сравнительно богаты биогенами. Это обуславливает их постоянно высокую первичную продукцию (Рис. Ц13). Апвеллинги — одни из наиболее продуктивных районов Мирового океана. Особенно известен Перуанский апвеллинг. Основные апвеллинги (Перуанский, Калифорнийский, Намибийский и Канарский) существуют постоянно, хотя их интенсивность колеблется. Наиболее известно ослабление Перуанского апвеллинга, так называемое Эль-Ниньо.

Кроме прибрежных апвеллингов, сила Кориолиса создаёт экваториальный апвеллинг, особенно хорошо выраженный в Тихом океане. Причина возникновения этого апвеллинга в том, что вектор силы Кориолиса меняется с правого на левый при пересечении экватора. Таким образом, Северное пассатное течение переносит воду направо (на север), а Южное пассатное — налево (на юг). В результате на самом экваторе вода на поверхности расходится в разные стороны и на её место поднимается вода из глубины (Рис. 5.11). Экваториальные апвеллинги не столь интенсивны, как прибрежные, но из-за их большой площади, значительно превышающей площадь прибрежных, они обеспечивают создание большого количества первичной продукции.

Рис. 5.11. Экваториальный апвеллинг.

Объяснения в тексте.

Положение основных апвеллингов показано на Рис. 5.9.

Высокая первичная продукция апвеллингов приводит к высокому потоку органического углерода на морское дно, вплоть до абиссальных глубин (Рис. Ц10).

Кроме упомянутых прибрежных и экваториальных апвеллингов имеется множество гораздо более мелких апвеллингов в разных районах Мирового океана

Не следует представлять апвеллинги как ламинарные восходящие потоки. В реальности — это сложная непрерывно меняющаяся система циклонических и антициклонических круговоротов и меандр. Также, поскольку берег всегда имеет мысы и бухты, апвеллинги, индуцируемые ветром, имеют центры, где интенсивность подъёма воды максимальна, между ними подъём менее интенсивен или вовсе отсутствует.