Почему и чем полярные океаны отличаются от других океанов

Океаны высоких широт сильно отличаются от океанов умеренных и низких широт с точки зрения как физики, так и биологии. Сначала мы рассмотрим физические аспекты, а затем — вопросы биологии и экосистемы.

Географические и геологические отличия. Если не считать географической уникальности полярных океанов, заключающейся в том, что один из них (Северный Ледовитый) расположен вокруг полюса, а другой — вокруг полярного континента (Южный океан), в форме и батиметрии полярных океанских бассейнов нет почти ничего особенного. Для Северного Ледовитого океана (рис. 20.2) характерны обширные шельфы, континентальные склоны и подножия, а также обычные абиссальные равнины. Бассейн Южного океана тоже имеет обычное строение, но есть одно важное исключение. Шельфы на окраинах Антарктиды уходят на значительно большую глубину, чем большинство шельфов в других местах: средние глубины на перегибах шельфа Антарктиды составляют 600 м, тогда как средняя для Мирового океана глубина кромки шельфа равна 135 м.

Это различие объясняют по-разному. Согласно одной гипотезе, в течение тех эпох, когда уровень моря был намного ниже (рис. 4.12, г), айсберги соскоблили с шельфа много материала; по другой гипотезе весь континент, включая шельфовые окраины, опустился под тяжестью льда.

Отличия в характере влияния температуры на плотность морской воды. Поверхностные воды полярных океанов круглый год находятся при температуре, близкой к точке замерзания, частично из-за незначительного сезонного прогрева солнечными лучами, а частично из-за обширного развития паковых льдов. Поскольку коэффициент теплового расширения воды при низких температурах очень мал (см. приложение 2), плотность холодной воды совершенно нечувствительна к изменениям температуры.

Графическое объяснение этого явления приведено на рис. 9.1. Посмотрите на два разных типа воды, обозначенные точками А (типичные арктические поверхностные воды) и В (типичные субтропические поверхностные воды). Температура воды типа А равна -0,6 °С, а соленость 30,7%о. Вблизи точки А изолинии плотности почти вертикальны, а значит, плотность мало меняется с температурой. Например, около точки А изменению температуры на 3,8 °С вдоль жирной вертикальной линии соответствует изменение условной плотности на 0,2 σ, вокруг точки В такое изменение плотности происходит при изменении температуры всего на 0,8 °С.

Таким образом, изменение плотности воды в полярных океанах представляет собой функцию солености. Кроме того, как видно на рис. 9.1, изменение плотности воды в зависимости от солености в точках А и В почти одинаково, отсюда мы делаем вывод, что существует почти прямая зависимость плотности воды от концентрации растворенных в ней солей (в приложении 2 эта зависимость описана функцией β), не связанная с тем, холодная это вода или теплая.

Отличия в плотностном расслоении океана в зависимости от притока пресной воды. Как говорилось в предыдущих главах, соленость поверхностных вод в низких и средних широтах определяется притоком пресной воды через поверхность раздела вода — воздух, т. е. разностью между испарением воды Е и выпадением осадков Р. Однако в полярных океанах такой зависимости нет, особенно в Северном Ледовитом океане. Это соображение играет ключевую роль в нашей главе о полярных океанах.

Сначала рассмотрим глобальное распределение притока пресной воды из атмосферы на поверхность Земли — в океаны и на сушу. На рис. 20.4, а построены кривые изменения величины Р — Е (выпадение осадков минус испарение) для всего земного шара, разделенного на широтные полосы шириной по 5°.

Большое превышение дождевых осадков над испарением отмечено в полосе 5—10° с.ш.; сравните это с описанием Внутритропической зоны конвергенции, которая показана на приведенной ранее карте (рис. 7.4) солености поверхностного слоя воды в океанах земного шара. Полосы сильного превышения испарения наблюдаются на широтах 20—30° в Северном и Южном полушариях — это зоны так называемых Центральных вод с высокой соленостью поверхностного слоя.

Затем вблизи Северного и Южного полярного круга, примерно в районе 50—60° северной и южной широты, в водном балансе снова доминирует выпадение осадков. Между этими зонами преобладающего выпадения осадков и преобладающего испарения должна находиться зона, где выпадение осадков равно испарению, т. е. Р — Е = 0. Такая зона нулевого обмена водой между морем и атмосферой располагается на широте около 40° как в Северном, так и в Южном полушарии.

Далее, сравним приведенное только что распределение параметра Р — Е с графиком изменения солености по всей планете (рис. 20.4, б) вдоль профиля, идущего от Северного полюса через Северный Ледовитый океан, вдоль осевой зоны Северной и Южной Атлантики до Антарктиды. В зоне между Северным и Южным полярным кругом соленость обратно пропорциональна разности Р — Е: там, где преобладает выпадение осадков, соленость поверхностного слоя воды ниже, и наоборот. Важные исключения из правила обратной зависимости составляют области, расположенные в направлении полюсов от полярных кругов. В пределах Северного Ледовитого океана соленость поверхностных вод почти совсем не зависит от величины Р — Е.

Одна из причин того, что параметр Р — £ не контролирует соленость поверхностных вод в полярных океанах, заключается просто в том, что здесь выпадает очень мало осадков! Обе полярные зоны представляют собой пустыни, дождя и снега вместе здесь выпадает в среднем не больше 100 мм/год, т. е. столько же, сколько во время одного послеполуденного ливня в Коста-Рике!

Тогда почему же соленость поверхностных вод в Северном Ледовитом океане столь низка? Существуют две причины: во-первых, большой приток речных вод Сибири и Канады и, во-вторых, очень слабая связь бассейна Северного Ледовитого океана с другими океанами. Только между Гренландией и Шпицбергеном имеется глубокий пролив (рис. 20.1), который соединяет Северный Ледовитый океан с Северной Атлантикой. Таким образом, поскольку воды Северного Ледовитого океана только в ограниченной мере могут смешиваться с водными массами других океанов, соленость поверхностного слоя благодаря высокой интенсивности речного стока может оставаться весьма низкой.

Следовательно, существует большая разность плотностей между более легким и менее соленым слоем поверхностных вод и более солеными глубинными водами, поступающими в этот бассейн из Северной Атлантики. Это плотностное расслоение определяет системы течений в Северном Ледовитом океане и контролирует мощность сплошных паковых льдов, в значит, и альбедо и поглощение солнечной энергии, т. е. определяет роль Северного Ледовитого океана в изменении климата Земли. Подробнее об этом будет сказано позже.

Перемешивающее действие Антарктического циркумполярного течения. В противоположность Северному Ледовитому океану соленость поверхностных вод Южного океана довольно постоянна (рис. 20.4, б), даже несмотря на то, что общее выпадение осадков в пределах Южного полярного круга примерно вдвое больше. Более того, сток пресной воды с Антарктиды почти так же велик, как речной сток в Северный Ледовитый океан. Тот факт, что эта пресная вода поступает в виде шельфовых льдов и айсбергов, не играет роли, поскольку лед в конце концов тает на поверхности воды. Почему же тогда соленость поверхностных вод Южного океана не становится низкой и, значит, толща океанских вод не так резко стратифицирована, как в Северном Ледовитом океане? Дело в значительно большем перемешивании, которое происходит между Южным океаном и окружающими его водными массами.

Один из механизмов, посредством которого осуществляется перемешивание, — Антарктическое циркумполярное течение. Вызываемое сильными западными ветрами в полосе от 45 до 60° ю.ш., это «кругосветное» течение пересекает все крупные океаны: Атлантический, Тихий и Индийский (рис. 11.1). Это течение не только приносит воды в Южный океан и выносит их из него по горизонтали, но и перемешивает воду на всех уровнях от поверхности до самого дна. На рис. 11.3 показано, что это течение проходит как на глубине, так и вблизи поверхности и, следовательно, должно являться механизмом, обеспечивающим взаимодействие поверхностной и глубинной систем циркуляции. На рис. 9.4 видно, что Антарктическая циркумполярная вода представляет собой некий «центр», с которым связаны крупные водные массы во всех океанах. То, что мы называем его «великим связующим течением», — не пустая метафора.

Удаление соли из кристаллизующейся морской воды: «Гигантская антарктическая ледовая машина перемешивания». Самый удивительный из механизмов перемешивания обусловлен замерзанием морской воды. Лед — это вода в кристаллической форме. Лед, образовавшийся из пресной воды, бывает прозрачным, почти как стекло, чуть голубоватогоцвета. Но из морской воды образуется совсем другой лед: масса пластинок и мелких кристаллов, беспорядочно соединенных вместе, с карманами, содержащими, как в ловушке, жидкую фазу, соленость которой гораздо выше, чем у материнской морской воды, — это почти рассол. С течением времени карманы с рассолом перемещаются вниз внутри массы льда и в конце концов выходят из слоя льда через его подошву, оставляя за собой значительно более однородную кристаллическую структуру. Фактически при таянии однолетнего морского льда образуется вода, вполне пригодная для питья, но недавно замерзший морской лед еще сохраняет около 5%о морских солей. Однако здесь нас больше интересует судьба других 25—30%с солей, которые сразу же удаляются из вновь образующегося льда.

В серии схем, изображенных на рис. 20.5, показано, что может происходить.

Сначала полярный океан отдает тепло в атмосферу и на его поверхности образуется перемешанный слой с температурой, близкой к точке замерзания (рис. 20.5, а). Следовательно, дальнейшая потеря тепла вызовет формирование льда (рис. 20.5, б) и заставит выделившийся рассол перемещаться в процессе конвекции вниз в виде множества мелких струй, которые смешиваются с оставшимся поверхностным слоем жидкости; по мере того, как при образовании нового льда добавляется все больше соли, плотность этой жидкости увеличивается.

В конце концов (рис. 20.5, в) сохранившаяся поверхностная жидкость может стать достаточно плотной, чтобы прорваться через стабилизирующий слой в более глубокие слои воды. Именно это и происходит в окружающих Антарктиду морях во время формирования Антарктической придонной воды. Эта водная масса создает течение, направленное к северу.

Далее, условие неразрывности требует, чтобы жидкость, уходящая из Антарктического региона в виде придонной воды, замешалась другой (рис. 20.5, г). Компенсационное течение проходит на средних глубинах и образуется за счет нисходящих потоков (даунвеллинга) у берегов Гренландии; эти водные массы текут на юг в виде Северо-Атлантической глубинной воды (рис. 9.6) и через сотни лет всплывают на поверхность в Южном океане, создавая богатый питательными веществами апвеллинг. Именно этот апвеллинг обусловливает огромную биологическую продуктивность Южного океана.

Однако существует еще один эффект. Когда морской лед (рис. 20.5, д) на следующее лето тает, поверхностный слой воды разбавляется, точно так же как и в результате выпадения осадков или речного стока. Эта менее плотная холодная вода также вытесняется из Антарктики на север. Условие неразрывности требует, чтобы это удаление воды было восполнено за счет притока — опять же на средних глубинах, т. е. за счет Северо-Атлантической глубинной воды. Таким образом, под влиянием морского льда возникает апвеллинг как зимой, когда лед образуется, так и летом, когда он тает.

Только что приведенное описание процессов замерзания и таяния льда является основанием для использования термина антарктическая ледовая машина перемешивания, но почему ее называют «гигантской»? Ответ таков: ежегодное образование и таяние морского льда захватывает огромные области земного шара. Проиллюстрируем это картами, приведенными на рис. 20.6.

Представлены полярные стереографические проекции, на которых показано распространение покрова морских льдов в Южном океане летом (23 февраля 1984 г.) и зимой (23 августа 1984 г.). Цифры в разных местах на этих картах обозначают, в какой степени паковый лед «сомкнут», т. е. какая часть площади покрыта льдом. Например, цифры 5—7 означают, что паковым льдом покрыто от 50 до 70% данной площади. Зимой почти все море на 90—100% занято паковым льдом, т. е. лед почти полностью покрывает море. Летом кромка льда отступает к полюсу, море становится «открытым».

Выразим изменение площади распространения морского льда летом и зимой в других цифрах: зимой покров пакового льда в Южном полушарии занимает около 8% общей площади, а летом он сокращается примерно до 1%. В абсолютных значениях площадь изменяется на очень большую величину — примерно 18 млн.км2. Для сравнения представьте себе площадь Северной Атлантики между Американским континентом и Европой и Африкой: от южного окончания Флориды около 25° с.ш. до оконечности острова Нью-Фаундленд в районе 45° с.ш.

Такая площадь зимой эпизодически покрывается льдом толщиной 1 м, но совершенно свободна ото льда летом. Ясно, что потенциальное влияние этой особенности Северной Атлантики на зимы Северного полушария должно быть огромным. Не менее важна она и для погоды и климата Южного полушария и также оказывает «гигантское» влияние на крупномасштабную циркуляцию океанских вод, описанную раньше. Отсюда метафора — «гигантская ледовая машина перемешивания».

Создает ли морской лед Северного Ледовитого океана подобные движущие силы? Вообще говоря, да, но этот ответ необходимо пояснить. Во-первых, годовое изменение покрытой льдом поверхности намного — возможно, в четыре раза — меньше, чем в антарктических морях. Во-вторых, лед постоянно покрывает центральные воды Северного Ледовитого океана. На рис. 20.7 показано и то и другое.

В-третьих, сезонное образование и таяние льда происходят главным образом на мелководье.