Тема 8. ВЕРТИКАЛЬНАЯ ГИДРОХИМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ОКЕАНА

Пространственные измене­ния гидрохимических характеристик вод, прослеживаемые в горизонтальном и вер­тикальном направлениях, тесно связаны с циркуляцией и гидрологической структурой вод Мирового океана. Эта связь находит выражение в том, что поверхностные, промежуточ­ные и глубинные воды, различаясь гидрологическими характе­ристиками, отличаются также (и иногда достаточно резко) со­держанием биогенных и других элементов, кислородным режимом, рН, щелочностью и другими гидрохимическими показателями. Использование гидрохимических данных при анализе происхождения и распределения различных типов вод, как известно, широко применяется в практике океанографических исследо­ваний.

Факторы, определяющие формирование гидрологической структуры океана в зависимости от широтных климатических зон, общей циркуляции вод и особенностей вертикального рас­пределения вод, одновременно являются и факторами, под действием которых создается гид­рохимическая структура океана. В то же время, надо учитывать, что в формирова­нии гидрохимической структуры большое значение принадле­жит биологическим процессам (например, развитие фитопланктона). Их воздействие, особенно в поверхностных слоях, усложняет зависимости гидрохимических характеристик от общих гидрологических усло­вий.

В вертикальной гидрохимической структуре вод океана, как и при гидрологическом подразделении обычно выде­ляются три зоны (или слоя): поверхностная, промежуточная и глубинная. Трехслойная вертикаль­ная гидрохимическая структура обусловловлена значительным изменением всех гидрохимических характеристик по вертикали и их однонаправленным ходом в каждой из зон. Обобщенно эти три зоны можно охарактеризовать:

1. Поверхностный слой - в его пределах находится фото­синтетическая зона и происходит образование ор­ганического вещества и наиболее интенсивные процессы минерализации. Выделяется пониженными и изменчивыми концентра­циями биогенных элементов, иногда и растворенного СО₂, высо­ким содержанием кислорода, максимальными значениями рН. Роль поверхностного слоя в формировании гидрохимических особенностей вод и, следовательно, гидрохимической структуры исключительно велика. Здесь закладывается основа гидрохимического состава, который, видоизменяясь в ходе процессов циркуляции, перемешивания, подъема и опускания вод, биохимических процессов, обусловливает многие типичные гидрохимические показатели вод разного проис­хождения.

2. Промежуточный слой, наоборот, характеризуется увеличением концентраций биогенных элементов и растворенной СО₂, сниже­нием содержания кислорода до минимума и понижением рН. Промежуточный слой важен тем, что в нем происходит перемещение отдельных типов вод, ко­торое приводит к перераспределению гидрохимических свойств вод океана, переносу биогенных элементов, кислорода и других компонентов химического состава. Воды промежуточного слоя способствуют обмену веществом в океане.

3. Глубинный слой - изменения всех гидрохимических характери­стик сравнительно невелики, несколько возрастает концентра­ция растворенного кислорода, содержание биогенных элементов меняется по-разному - азота и фосфора слегка снижается или остается неизменным, а кремния возрастает, увеличивается рН.

Вертикальная гидрохимическая структура, сохраняя свою принципиальную основу, по-разному проявляется в широтных зонах каждого из океанов. Во всех зонах отмечаются изменения количественного содержания и вертикального распределе­ния кислорода и биогенных элементов.

1. В субарктиче­ской зоне гидро­химические различия по слоям наиболее слабо выражены, здесь очень высокое содержание растворенного кислорода и минимальное биогенных элементов. Воды этой зоны, проникая к югу на глубинах, обогащают промежуточные и глубинные слои других зон кис­лородом.

2. В се­верной субтропической зоне более выражено распределение гидрологических показателей, в том числе растворенного кислорода и кремния по слоям.

3. В водах тропических и экваториальной зон прослеживается дальнейшее обострение границ между слоями, усложняется распределение растворенного кислорода в поверхностном слое, четко выде­ляется слой кислородного минимума. В промежуточ­ном слое заметно возрастает содержание кремния и фосфора.

Как уже от­мечалось, усложнение гидрохимической структуры вод связано с активизацией биологических и биохимических процессов в по­верхностном слое и проникновением водных масс с иными свой­ствами в промежуточном слое.

Региональные особенности вертикальной гидрохимической структуры вод

В Атлантическом океане сказываются следующие факторы:

а) Влияние апвеллинга (подъема вод) на распределение биогенных элементов и кислорода в поверхностном слое у Северо-Запад­ной и Юго-Западной Африки.

б) Внедрение промежуточных суб­арктических и субантарктических вод, что создает дополнительные слои минимума и максимума растворенного кислорода на раз­личных глубинах в тропических широтах.

в) Пониженная концен­трация кремния в промежуточном слое связана с проникнове­нием обедненных кремнием субарктических и средиземномор­ских вод.

г) Воды глубинного слоя Атлантического океана менее богаты биогенными элементами, чем в других океанах, по­скольку интенсивный горизонтальный и вертикальный обмен благоприятствует выравниванию их концентраций.

В Индийском океане гидрохимическая структура вод во мно­гом отличается от структуры вод Атлантического океана. Наи­более четко это проявляется в экваториальных, тропических и субтропических широтах.

а) На юге Индийского океана прослежи­ваются только некоторые количественные различия в концент­рациях биогеных элементов.

б) В муссонной области Индийского океана очень четко выражен поверхностный слой. Наблюдается резкое увеличение содержания фосфора во многом опреде­ляют высокую продуктивность в пределах верхних 50-100 м. Смена более мощного летнего на зимний муссон приводит к уменьшению содержания фосфора в фотосинтетической зоне. Изменения концентраций растворенного кислорода и биогенных элементов прослежи­ваются почти до 3000 м (иногда даже более), что определяет нижнюю границу промежуточного слоя. Осо­бенностью Индийского океана является также то, что воды промежуточного слоя богаты кремнием как в северных, так и в южных широтах.

В Тихом океане основные зональные особенности гидрохи­мической структуры выдерживаются в большинстве его райо­нов.

а) Наиболее значительные отклонения наблюдаются в восточных частях океана. Они связаны с про­никновением более холодных вод под действием восточных по­граничных течений в субтропические и тропические широты, с процессами прибрежного апвеллинга, приводящими к повы­шенным содержаниям биогенных элементов, и как следствие, формирова­нию весьма продуктивных районов. Здесь в поверхностном и частично в промежуточном слоях увеличиваются градиенты гидрохимических характеристик. На востоке экваториальной зоны система подповерхностных течений, поднимающихся на относительно небольшие глубины и усиливающих плотностное разделение вод, создает заметные различия в кислородном ре­жиме биогенных элементов уже в пределах верхнего 50-метро­вого слоя. Проникновение в этот район вод различного проис­хождения, в том числе и поднимающихся с глубины, приводит к высокому содержанию биогенных элементов, особенно фос­фора, концентрация которого на глубине 100 м может превы­шать 2 мкг-ат/л. С подъемом вод связано также и уменьшение мощности поверхностного слоя по направлению к берегу до 75-100 м. В удалении от берега она может превышать 150 м.

б) Субантарк­тическая зона ограничивается положением зон субтропической и экваториальной конвергенции. Опускание вод в зонах конвер­генции создает определенные различия в распределении плотностных и гидрохимических характеристик на севере и юге. На севере это опускание проникает до глубин 400-700 м, на юге - свыше 1000-1200 м.

в) Можно выделить различия между субантарктической и антарктической зонами. Если в субантарктической зоне про­межуточный слой гидрохимической структуры выражен доста­точно отчетливо и характеризуется, пожалуй, даже большей из­менчивостью концентраций растворенного кислорода и биоген­ных элементов, чем поверхностный, то в антарктической зоне промежуточный слой выделяется крайне малыми изменениями концентраций и почти не отличается от глубинного.

Широтная зональность гидрохимической структуры Миро­вого океана вместе с тем не исключает значительных различий в распределении гидрохимических характеристик между цент­ральными и периферическими областями океана, отражающими циркумконтинентальную зональность. Эти различия в наиболь­шей степени проявляются в поверхностном слое и сказываются как на абсолютных значениях гидрохимических характеристик, так и на их временной изменчивости.

Суточная изменчивость гидрохимических характеристик, на которую влияют биологические процессы, охватывает поверхностный слой фотосинтеза. В малопродуктивных рай­онах сожержание кислорода и биогенных элементов может изменяться на порядок. Воздействие изменений синоптического масштаба (прохождение циклонов и антицик­лонов) оценивается в 20% измеряемых гидрохимических ха­рактеристик.

Сезонная изменчивость прослеживается не только во всем поверхностном слое, но и в верхней части (а иногда и глубже) промежуточного слоя. Она наиболее выражена в зо­нах интенсивного конвективного перемешивания (воды поляр­ных и умеренных широт), в муссонных областях, в восточно-экваториальной зоне Тихого океана. Для условий обитания организмов и биопродукционного процесса роль сезонных изменений гидрохимических характеристик в по­верхностном слое особенно велика. Отчетливо прослеживается связь этих изменений с широтными особенностями гидрохимиче­ской структуры в океане. В умеренных и высоких широтах се­зонные изменения освещенности биогенных элементов, темпе­ратуры и динамики вод ограничивают по времени развитие фитопланктона. Вегетационный период здесь продолжается от 1 до 7 месяцев. Основная масса фитопланктона в этот период обитает и продуцирует в относительно тонком верхнем слое воды (до 50-75 м), ограниченном снизу сезонным слоем скачка плотности, возникающем в результате прогрева поверх­ностных вод. В результате жизнедеятельности фитопланктона содержание биогенных элементов значительно снижается по сравнению с предвегетационным периодом. В отдельных райо­нах оно становится настолько малым, что почти полностью лимитирует развитие фитопланктона. Однако в результате осенне-зимнего охлаждения поверхностных вод сезонный слой скачка разрушается, конвективное перемешивание захватывает более глубокие по сравнению с теплыми периодами года слои воды - до 200-500 м, характеризующиеся высоким содержа­нием биогенных элементов. Это обусловливает выравнивание концентраций биогенных элементов в пределах 200-260-метро­вого слоя и, следовательно, повышение их содержания в фотическом слое. К началу следующего вегетационного периода фи­топланктон вновь оказывается достаточно хорошо снабженным питательными веществами. Так, в высокопродуктивном районе о. Ю. Георгия в море Скотия количество фосфора и кремния во время вегетационного периода в слое летнего прогрева (~50 м) составляет в среднем 1,4 и 2-3 мкг-ат/л соответ­ственно. Низкое содержание кремния уже в первой половине вегетационного периода лимитирует развитие фитопланктона. Осенью и зимой конвективное перемешивание захватывает вод­ную толщу примерно до 200 м, увеличивая содержание фосфора до 2,2, а кремния до 20 мкг-ат/л в верхнем слое. В глубо­ководной части Берингова моря, например, содержание биоген­ных элементов в фотическом слое за счет осенне-зимнего кон­вективного перемешивания увеличивается с 0,5 до 2,6 мкг-ат Р/л и с 7,14 до 35 мкг-ат Si/л.

В отличие от областей умеренных и высоких широт, в эква­ториально-тропических областях в связи с отсутствием четко выраженной смены сезонов вертикальная структура вод в пре­делах поверхностного слоя сохраняет основные свои черты в течение всего года. Динамические и световые условия здесь благоприятны для развития фитопланктона круглый год, веге­тационный период охватывает 12 месяцев. Происходит посто­янное потребление биогенных элементов, которое не компен­сируется их регенерацией, хотя и достаточно быстрой. Такой же мощный фактор доставки биогенных элементов, как конвек­тивное перемешивание, здесь отсутствует. Фотический слой ока­зывается обедненным питательными веществами; новообразо­вание органического вещества резко ослабевает. Например, в западной части тропической зоны Атлантического океана к югу от экватора концентрация азота, фосфора и кремния остается на очень низком уровне в течение всего года - в сред­нем соответственно 0,5; 0,2 и 2,6 мкг-ат/л. И лишь в зонах при­брежного апвеллинга, частично экваториальной дивергенции, подъем поверхностных вод приводит к форми­рованию районов, богатых биогенными веществами и, как следствие, высокопродуктивных.

Межгодовая изменчивость гидрохимических характеристик может дости­гать 10-20 и даже 50 % значений гидрохимических характе­ристик и связана с общим изменением режима океана под действием крупномасштабных колебаний океана и атмосферы.