Горизонтальная циркуляция. Океанические течения вызываются и поддерживаются атмосферной циркуляцией (ветрами), существованием градиентов плотности, которые обусловлены температурно-соленостными параметрами вод, и силами Кориолиса. На циркуляцию до некоторой степени влияют топография дна, географическая широта, определяющая температуру воды, а также расположение континентов.
Ветровая циркуляция осуществляется в основном в результате действия сил трения на поверхности раздела вода — воздух. Под действием сил трения перемещающиеся массы воздуха вовлекают поверхностные водные массы в движение в том же направлении, что приводит к образованию поверхностных течений. Этот тип циркуляции вызывается системой преобладающих ветров, а не отдельными штормовыми ветрами. На рис. 3.10 приведена схема глобальной атмосферной циркуляции. Эта модель, называемая иногда трехкамерной, имеет шесть тороидальных областей, окружающих земной шар: три в северном полушарии, три — в южном. В области экватора в результате нагревания происходит подъем воздуха. Эти воздушные массы частично перемещаются к северу. На 30° с. ш. воздух опускается. Вблизи 60° с. ш. расположена вторая область подъема воздуха; часть его затем перемещается на север, часть на юг, где образуется вторая область циркуляции. Движущиеся на север воздушные массы, опускаясь у полюса, образуют третью область циркуляции. Три аналогичные области циркуляции существуют в южном полушарии.
Силы Кориолиса вызывают горизонтальное перемещение воздуха вблизи поверхности Земли и отклонение его в верхних слоях атмосферы вправо в северном полушарии и влево в южном. Под действием сил Кориолиса направление ветра образует угол с оськ> тороидальной области воздушной циркуляции. Результирующие ветры у поверхности Земли схематически изображены на рис. 3.10. Между экватором и 30° с. ш. ветры дуют с северо-востока и называются северо-восточными пассатами. Для области вблизи 30° с. ш., где в основном происходит опускание воздушных масс, характерны слабые приповерхностные ветры переменного направления. Эта область известна под названием «конских широт». Между 30 и 60° с. ш. дуют в основном западные ветры, возникающие также в результате действия сил Кориолиса на циркуляцию внутри тороидальной области. Между 60 и 90° с. ш. преобладают восточные полярные ветры. Аналогичная картина наблюдается и в южном полушарии.
Вблизи экватора, а также 60° ю. ш. и 60° с. ш. происходит подъем воздушных масс, в процессе которого воздух охлаждается. Поскольку влагосодержание холодного воздуха меньше, чем теплого, в этих районах выпадает много осадков. На 30° с. ш. и 30° ю. ш. воздух опускается. При этом он нагревается и его относительное влагосодержание снижается. Эти области циркуляции характеризуются довольно высокими скоростями испарения, поскольку сухой воздух входит в них по вертикали, а выходит по горизонтали.
В экваториальной области приповерхностные ветры дуют в направлении экватора, несколько отклоняясь к западу (см. рис. 3.10). Под действием сил трения на поверхности раздела вода—воздух эти ветры увлекают океаническую воду вдоль экватора в западном направлении. Такое направленное к западу экваториальное движение поверхностных вод существует во всех океанах. Континенты, встречающиеся на пути перемещения водных масс на запад, отклоняют экваториальные течения. Под действием силы Кориолиса течения отклоняются на север в северном полушарии и на юг в южном.
Гольфстрим — широко известное ветровое поверхностное течение в северной Атлантике. Это течение хорошо изучено у мыса Хаттерас (штат Северная Каролина), где оно имеет ширину 48 км, поверхностную скорость на границе 0,3 км/ч и максимальную поверхностную скорость в центральной части 8 км/ч. Скорость монотонно убывает с глубиной от максимального значения на поверхности до 0,03—0,3 км/ч на глубине 1525—2000 м (Brahtz, 1968). Из изложенного очевидно, что термин «поверхностное течение» нельзя понимать буквально.
Гольфстрим — лишь одно из океанических течений. В каждом океане существуют круговые циркуляции; всего существует пять круговых циркуляций (рис. 3.11). Направления потоков определяются системой ветров, вызывающих циркуляцию, силой Кориолиса и условием неразрывности.
Кроме описанных основных круговых циркуляций, в океане есть множество других течений. Некоторые из них хорошо изучены, другие обнаружены лишь недавно. Вероятно, существуют еще необнаруженные течения.
Еще одно поверхностное океаническое явление имеет большое значение для рыболовства. Когда западные ветры встречают на своем пути препятствия, например в виде гор, расположенных на западной границе Северной и Южной Америки, сила Кориолиса вызывает изменение направления ветров. В результате происходит сгон поверхностных вод, сопровождающийся уравниванием давлений и подъемом на поверхность вод из более глубоких слоев. Это явление называют апвеллингом. Воды более глубоких слоев океана богаче неорганическими питательными веществами, чем поверхностные воды, поэтому, несмотря на относительно низкую температуру вод апвеллинга, в них происходит бурное развитие планктона. Продуктивность районов апвеллинга и численность промысловых рыб в них очень высоки. В районах апвеллинга у побережья Перу осуществляется промысел анчоуса, много рыбы добывается также у западного побережья Африки.
Важное значение для рыболовства имеет горизонтальная циркуляция. Основные течения образуют гигантские круговороты и имеют довольно постоянное положение в океане. В этих районах наблюдается относительно высокая продуктивность. В центре круговых циркуляций существуют обширные области, где значительные поверхностные течения отсутствуют. В этих областях концентрация питательных веществ и продуктивность низки, а скопления рыб слишком незначительны для ведения эффективного промысла. Таким образом, эти области бесполезны с точки зрения) рыбного промысла; их можно сравнить с районами пустынь на суше. Типичным примером такой области в Северной Атлантике является Саргассово море.
Вертикальная циркуляция. Кроме горизонтальной циркуляции в океанах существует вертикальная циркуляция, возникающая в результате образования градиентов температуры и плотности. Как уже отмечалось в главе 2, плотность морской воды в отлитие от пресной с понижением температуры возрастает непрерывно до точки замерзания, поэтому в океанах отсутствует полное сезонное вертикальное перемешивание. Полное перемешивание происходит в океане медленно — за 750—1000 лет в Атлантическом и за 1500—2000 лет в Тихом океане (Williams, 1962).
В океанах между 50—60° с. ш. и 50—60° ю. ш. существует ярко выраженный термоклин. В более высоких широтах температуры поверхностных и придонных вод близки между собой в результате вертикального перемешивания и низкой температуры воздуха. На рис. 3.12 приведены вертикальные профили температур для тропических, полярных океанов и океанов умеренных широт. В тропическом океане для довольно заглубленного термоклина характерно резкое снижение температуры с глубиной. В средних широтах термоклин начинается на малых глубинах, но температура снижается медленнее, в результате чего в умеренных широтах термоклин распространяется на большие глубины, чем в тропических океанах. В полярных океанах термоклин отсутствует,, поскольку температуры поверхностных и придонных вод почти одинаковы. Существуют доказательства, что термоклин является граничным слоем, отделяющим направляющиеся к полюсам поверхностные потоки теплой воды от глубинных потоков холодной воды, направленных к экватору (Encyclopedia of Oceanography, 1966).
В тропических океанах глубина расположения термоклина и скорости изменения температуры с глубиной почти не изменяются по сезонам. В умеренных широтах, верхняя граница термоклина заглублена летом больше, чем зимой, величина уменьшения температуры на 1 м глубины летом также возрастает. Днем вблизи поверхности могут возникать небольшие локальные термоклины, исчезающие в ночное время, глубина их обычно не превышает 1 м.
Основная вертикальная циркуляция в океанах возникает в результате нагревания тропических вод и последующего их переноса поверхностными течениями в полярные районы. Здесь теплая вода охлаждается и опускается, поскольку ее плотность возрастает. Вблизи Антарктиды в. результате замерзания части воды соленость остальной воды увеличивается. Возрастание плотности этой относительно соленой и холодной воды (34,6‰,—1,9°С) приводит к ее опусканию. Вода смешивается с циркумполярными водами и в придонном слое образует Антарктические придонные воды, которые перемещаются на север и образуют основную часть придонных вод океанов до 35° с. ш. (Williams, 1962).
Между 50 и 60° ю. ш. находится другая область опускания вод — Антарктическая конвергенция. Опускающиеся, так называемые промежуточные, антарктические воды распространяются на север над антарктическими придонными водами. Эти воды имеют соленость 33,8‰ и температуру около 2,2°С (Williams, 1962).
Еще одна область опускания воды — субтропическая конвергенция;— находится между 30 и 40° ю. ш. Эта конвергенция не столь четко очерчена, как Антарктическая конвергенция, но. она питает центральные водные массы южных океанов.
Северный Ледовитый океан окружен сравнительно невысокими порогами, которые препятствуют проникновению придонных .вод, сформировавшихся в Северном Ледовитом океане, в Атлантический и Тихий океаны, поэтому формирование придонных вод северных районов океанов происходит в субантарктических областях. Придонные североатлантические водные массы формируются на северо-западе Лабрадорского бассейна и у северо-восточного побережья Гренландии. Здесь конвергенции образуются при опускании вод соленостью 34,9—34,96‰ и температурами 3,8—3,3°С (Williams, 1962). Поскольку объем этих вод ограничен и плотность меньше, чем у Антарктических придонных вод, понятно, почему большая часть придонных вод океанов формируется в Антарктике.
В северной зоне Атлантического океана на 45° с. ш. теплые соленые воды Гольфстрима смешиваются с холодными менее солеными водами Лабрадорского течения. Зимой эти воды охлаждаются, в результате увеличения плотности опускаются и образуют Арктическую конвергенцию. Таким образом происходит опускание субарктических вод. Субтропическая конвергенция, локализованная в районе 40° с. ш., 60° з. д. и в пределах направленного на восток течения Гольфстрим, порождает Арктические промежуточные воды. В Атлантический океан через порог Гибралтарского пролива поступают также воды Средиземного моря соленостью 36,5‰ и температурой около 12°С.
Субарктические придонные воды северной части Тихого океана формируются в Охотском море, к северу от Японии на широте около 55° с. ш. (Williams, 1962). Охлаждающиеся поверхностные воды в этом районе опускаются и перемещаются на юг Тихого океана. Объем образованных таким образом субарктических вод относительно невелик.
Промежуточные воды северной части Тихого океана образуются в зимний период в районе 40° с. ш., 160° в. д. при слиянии холодных вод направленного на юг течения Ойясио и перемещающихся на северо-восток теплых вод Куросио. Промежуточные воды северной части Тихого океана отличаются от вод северной части Атлантического океана тем, что в Тихом океане при опускании промежуточных вод их место занимают большие массы обедненных кислородом подповерхностных вод. В связи с этим промежуточные воды северной части Тихого океана бедны кислородом. Этот фактор очень важен для развития морских организмов и объясняет несколько пониженную продуктивность значительных районов Тихого океана по сравнению с аналогичными районами Атлантического океана.
Центральные воды северной части Тихого океана формируются в зоне субтропической конвергенции внутри течения Куросио в области 30—40° с. ш., 150—160° з. д. (Williams, 1962).
Вертикальная циркуляция океанов обеспечивает относительно высокое содержание кислорода в глубоководных слоях. Без такого круговорота протекание биологических процессов привело бы к исчезновению кислорода в нижних слоях океана и, следовательно, к прекращению любых форм жизни во всех слоях океана, за исключением тонкого поверхностного слоя. Вертикальная и горизонтальная циркуляции действуют как огромный насос для перекачивания энергии из тропических областей в полярные. Эти циркуляционные системы обеспечивают также перенос кислорода и двуокиси углерода из полярных районов в тропические. В результате вертикальной циркуляции, как бы медленно она ни протекала, поддерживается баланс концентрации кислорода, двуокиси углерода и других газов в глубинных слоях океанов.
Условия природной среды океанов, особенно ниже слоя термоклина, исключительно стабильны. Градиенты солености в 1— 2‰ наблюдаются довольно редко, изменение температуры на больших площадях в океане часто не превышает нескольких градусов. В этих условиях происходит адаптация морских организмов к ограниченному числу факторов природной среды. Однако большая часть промысловых рыб не имеет такого преимущества, поскольку вынуждена приспосабливаться к изменяющимся поверхностным условиям. Многие рыбы обладают способностью различать градиенты температур менее 1°С. В этом рыбы конкурируют с самыми чувствительными приборами для измерения температур, созданными человеком. Океаническая циркуляция обеспечивает также стабильность значений pH и других факторов окружающей среды.