Этот неизвестный океан. Как работают приливы, рождаются шторма и живут невидимые создания в морских глубинах - Александр Осадчиев

Слоеный пирог океана

До настоящего момента мы в основном говорили о горизонтальной циркуляции в океане. Теперь настало время разобраться с вертикальными движениями воды. Если посмотреть на океан в разрезе, от поверхности до дна, то мы обнаружим, что он состоит из множества разных слоев. Толщина слоев варьируется от нескольких десятков метров до нескольких километров. Вода внутри каждого отдельного слоя имеет относительно однородную температуру и соленость, а вот между разными слоями температура и соленость сильно меняются. Значения температуры и солености воды в слое определяют плотность этого слоя, фактически – насколько он более тяжелый или легкий по сравнению с другими слоями. Самые легкие воды в океане находятся на поверхности, далее идут слои вод с более высокой плотностью, а у дна расположены самые плотные и тяжелые воды.

Итак, океан – это слоеный пирог из вод разной плотности, и каждый слой занимает в этом пироге свой уровень. Если в каком-то месте в этот слоеный пирог откуда-то со стороны притечет новая водная масса, то она будет опускаться вниз или подниматься вверх, вплоть до глубины, где ниже будет лежать вода с большей плотностью, а выше – с меньшей плотностью. Вот такая происходит сортировка слоев воды сверху вниз по возрастанию плотности.

Но если все слои в океане занимают свое стабильное место, то что должно произойти, чтобы морская вода в каком-то слое стала двигаться по вертикали вверх или вниз, то есть всплывать или тонуть? Для этого должна измениться ее температура или соленость. Нагревание воды уменьшает ее плотность, а охлаждение, наоборот, увеличивает. Так же и с соленостью: опреснение воды уменьшает ее плотность, а осолонение – увеличивает. Конвекция, то есть вертикальное движение воды, вызванное изменением ее плотности в результате изменения температуры или солености, происходит во многих местах в Мировом океане. В основном конвекция приводит к опусканию вод, так как почти всегда изменение температуры и солености океана происходит в поверхностном слое – в результате воздействия солнечных лучей, атмосферы, стока рек, морских льдов. На больших глубинах практически нет процессов, которые могли бы изменить температуру и соленость больших объемов морских вод. Процессы нагрева или опреснения поверхностных вод уменьшают их плотность, но эти воды и так были наверху, и им некуда больше подниматься. А вот охлаждение и осолонение вод может приводить к очень значительному опусканию морских вод. В полярных районах охлаждение поверхностных вод приводит к их опусканию на сотни метров и даже несколько километров вниз.

Кроме изменения температуры и солености морских вод, то есть изменения их физических свойств, вертикальные движения воды могут быть вызваны и динамическим внешним воздействием. Эти вертикальные движения воды называются апвеллингом (подъемом вод с глубины на поверхность) и даунвеллингом (опускание вод с поверхности на глубину). Наиболее простой и наглядный пример такого процесса – ветровой прибрежный апвеллинг. Когда ветер дует вдоль берега, что типично для многих прибрежных районов океана, он приводит в движение прибрежные морские воды. Из-за эффекта Кориолиса течение вод отклоняется от направления ветра; это может происходить как в направлении берега, так и в направлении открытого моря. Если поверхностный слой воды отгоняется от берега, то в более глубоком слое возникает компенсационное течение: непосредственно у берега глубинные воды начинают подниматься на поверхность, замещая ушедшие поверхностные воды. Этот процесс называется ветровым прибрежным апвеллингом. Если ветер дует в противоположную сторону и формируется нагон поверхностных вод на берег, то происходит обратный процесс, даунвеллинг. В этом случае, когда поверхностные воды достигают берега, они начинают заглубляться и опускаются на глубину. Воды в океане могут опускаться с поверхности на глубину и подниматься из глубин на поверхность и в результате других динамических процессов, не связанных с ветром, – например, в центрах вихрей, в результате действия приливов и при обтекании подводных хребтов глубинными течениями.

Рис. 15. Апвеллинг и даунвеллинг

Для биологических процессов в Мировом океане особенно важен процесс апвеллинга, подъема вод. Для того чтобы в поверхностном слое океана бурлила биологическая активность – развивался фитопланктон, затем его поедал зоопланктон, рыба и далее вверх по пищевой цепочке, – необходимо сочетание ряда факторов. Во-первых, для биологической активности важно поступление солнечного света, который является основной энергией для живых организмов. Из-за этого высокая биологическая продуктивность (за редким исключением) возможна только в верхнем слое моря, до глубин в 100–200 метров, куда поступает большое количество солнечного света. Второй очень важный фактор развития жизни в океане – наличие растворенных в воде биогенных веществ (углерода, азота, фосфора, кремния, железа и других), из которых фитопланктон и строит свои тела в процессе фотосинтеза, используя солнечную энергию. Если в поверхностный слой нет постоянного притока биогенных веществ, то они постепенно выводятся из этого слоя. Часть умерших организмов опускается в глубинные воды и разлагается там, то есть за пределами верхнего слоя океана. Таким образом, без постоянной подпитки концентрация биогенных веществ со временем снижается, что понижает и биологическую продуктивность. Из-за этого значительная часть поверхности океана имеет достаточно низкую продуктивность. Подпитка биогенными веществами поверхностного слоя происходит в местах, куда впадают реки (чьи воды насыщаются биогенными веществами из почвы) или где происходит апвеллинг. Глубинные воды океана, наоборот, почти везде богаты биогенными веществами, так как их там никто не потребляет: нет солнечной энергии и невозможен фотосинтез. Поэтому в результате апвеллинга в поверхностный слой поступают богатые биогенными веществами глубинные воды. В число наиболее продуктивных акваторий в Мировом океане входят районы частых прибрежных апвеллингов, например, побережья Перу, Намибии, Мавритании и Калифорнии. В этих водах живет огромное количество рыбы, и ведут промысел рыбаки многих стран мира.

Рис. 16.Глобальный океанический конвейер

В Мировом океане есть несколько акваторий в полярных широтах, где происходит активное опускание воды в результате конвекции и переход воды из поверхностного слоя в глубинный или придонный. Также есть несколько мест, где воды из глубинных слоев интенсивно поднимаются на поверхность в результате апвеллингов. Оказалось, что эти вертикальные движения связаны между собой горизонтальными течениями. Вода, которая опускается с поверхности на дно океана в Северной Атлантике, распространяется по дну на юг, огибает Африку, достигает Индийского и Тихого океанов, где возвращается на поверхность. В поверхностном слое эта вода распространяется назад – через Тихий и Индийский океан в Северную Атлантику, – и круг замыкается. Весь этот цикл, называемый глобальным океаническим конвейером,