Распределение питательных веществ

Летнее и зимнее распределения и фосфатов, и нитратов очень сильно различаются; это хорошо видно на разрезах, изображенных на рис. 8.6.

Согласно данным январского рейса 1968 г., зимой изолиния 2 мкмоль/кг концентрации фосфатов идет относительно ровно на протяжении всего разреза (165 миль); глубина изолинии изменяется в небольших пределах — от 115 до 135 м. Напротив, в июле глубина той же изолинии существенно варьирует на разрезе: от 200 м на станции NH-165 до 0 на станции NH-5! Ряд других июльских изолиний тоже выходит на поверхность: летом поверхностные воды в 15-мильной зоне у берега столь же богаты фосфатами, что и вода на глубине 100 м в 165 милях от берега.

Изолинии концентрации нитратов меняются по характеру от зимы к лету таким же образом. Июльские изолинии. 10 и 20 мкмоль/кг выходят на поверхность в 15-мильной зоне у берега. Одно важное различие между распределением фосфатов и нитратов состоит в том, что, начиная со станции NH-45, в верхнем слое толщиной около 60 м нитраты практически отсутствуют (на станции NH-45, где начинается этот слой, его нижняя граница лежит на глубине 30 м); ниже мы вернемся к этому явлению. Заметим, что зимняя изолиния 20 мкмоль/кг концентрации нитратов идет так же квазигоризонтально, как и изолиния 2 мкмоль/кг концентрации фосфатов.

Складывается представление, что изменения в распределении фосфатов и нитратов от зимы к лету происходят в 85-мильной полосе у берега, причем наиболее резкие изменения отмечаются в пределах 35 миль. Мористее станции NH-85 изолинии идут почти горизонтально вплоть до станции NH-165 и зимой, и летом. Условия на станции NH-165 можно рассматривать как типичные для открытого океана. Чтобы подтвердить это, на рис. 8.6 приведены две точки, относящиеся к станции NH-565, которая, располагаясь в 565 милях от Ньюпорта, явно дает условия открытого океана. Концентрация фосфатов 1 мкмоль/кг на станции NH-565 обнаружена лишь на 12 м глубже, чем на профиле NH-165, хотя сама эта станция расположена в 400 милях от NH-165; изолиния 10 мкмоль/кг концентрации нитратов на станциях NH-565, NH-165 лежит примерно на одной и той же глубине.

Рис. 8.6. Поперечные разрезы для концентраций питательных веществ по данным ныопорт-ского гидрологического разреза. Сплошные линии относятся к летним условиям (9 июля 1968 г.), пунктирные, проведенные для сравнения,— к зимним (4 января 1968 г.). Их пересечения обозначены кружками. Данные по станции NH-565 были добавлены для того, чтобы показать, что в открытом океане изолинии концентрации фосфатов и нитратов идут почти горизонтально. Из этого следует, что «отклонение» вверх изолиний у берега является результатом прибрежного апвеллинга [1].

У читателя может возникнуть естественный вопрос: каким образом летние изолинии концентраций питательных веществ могут подняться к поверхности с глубины 100 м, если I) поверхностный слой всегда обеднен питательными веществами и 2) стратификация океана по плотности всегда устойчива, т. е. более легкая вода располагается вверху,

летние изолинии концентраций питательных веществ могут подняться к поверхности с глубины 100 м, если I) поверхностный слой всегда обеднен питательными веществами и 2) стратификация океана по плотности всегда устойчива, т. е. более легкая вода располагается вверху, а более тяжелая — внизу? Разве не должны богатые питательными веществами более глубокие воды лежать под «спудом» менее плотных верхних слоев? Оказывается, если приложить достаточное усилие, плотностной «барьер» можно преодолеть. У берега ветры могут быть столь сильны, что «искривляют» поле плотности. На рис. 8.6 изображено не что иное, как «моментальный снимок» происходящего в океане апвеллинга — подъема глубинных вод.

Сезонные изменения в распределении питательных веществ — предмет острого интереса биологов и рыбаков. Летом в прибрежной зоне, богатой питательными веществами, первичная продукция очень велика, а отсюда следует, что и в остальных звеньях пищевой цепи должно вырабатываться много продукции (обратитесь еще раз к данным по рыбным запасам для районов апвеллинга и открытого океана, приведенным в гл. 1). Специалисты по физике океана исследуют апвеллинг со стороны его физических характеристик, анализируя действующие силы, течения, временные масштабы генерации апвеллинга ветром и т. д.

В 1970-е годы проводились работы в рамках крупного проекта под названием CUEA (Coastal Upwelling Ecosystem Analysis — «Анализ экосистем прибрежного апвеллинга».) В них участвовали ученые всех специальностей; измерения велись в районах прибрежного апвеллинга у берегов штатов Орегон и Калифорния, у северо-западного побережья Африки и северо-западного побережья Перу. (Чтобы понять, почему для исследования в рамках одного проекта были выбраны столь удаленные друг от друга районы, см. рис. 15.13.)

Распределение плотности

Какой физический процесс ответствен за явление апвеллинга? Мы сможем кое-что сказать на этот счет, если построим в том же масштабе разрез в поле плотности морской воды (рис. 8.7,в).

Обратимся к табл. 8.1 и возьмем данные по плотности из графы а_г Эта удобная «условная единица» выбрана океанологами для того, чтобы избежать полной десятичной записи значения плотности. Посмотрим на первый ряд измеренных величин для января 1968 г.: при температуре 9,13 °С и солености 32,399 %о плотность морской воды равна 1,02509 г/см³ (метод расчета плотности по температуре и солености описан в гл. 9). В разделе интерполированных величин находим графу а₍ и в ней значение 25,09. На рис. 8.7, о изолиния плотности, помеченная числом 25, — это линия постоянной плотности со значением 1,02500 г/см³, или постоянной условной плотности о, = 25.

Особенности разрезов в поле плотности. В целом изолинии плотности на рис. 8.7, о очень похожи на изолинии концентрации питательных веществ. Сезонные изменения также происходят в 85-мильной полосе у берега, а изолиния о, = 26 зимой также идет приблизительно горизонтально. Летом изолиния о, = 26, которая вдали от берега располагается примерно на такой же глубине, что и изолинии 1,5 мкмоль/кг фосфатов и 10 мкмоль/кг нитратов, выходит на поверхность в той же 15-мильной зоне от берега, что и соответствующие изолинии концентрации питательных веществ.

Однако между распределением характеристик двух указанных типов есть и одно важное различие. Между станциями NH-45 и NH-105 располагается линза воды пониженной плотности, нижняя граница которой лежит на глубине 15 — 20 м. Линза соответствует шлейфу вод реки Колумбия; следы той же распресненной морской воды мы находим и на вертикальных профилях отдельных характеристик.

Анализируя разрезы в поле плотности, можно увидеть, что квазигоризонтальное движение морской воды происходит вдоль поверхностей постоянной плотности (изопнкниче-ских поверхностей). Иными словами, через границу раздела слоев с разной плотностью не осуществляется перемешивание. Ниже это соображение будет представлено в виде теоремы.

Теорема перемешивания океанских вод: вода движется вдоль поверхностей постоянной плотности

Рис. 8.7. Механизм прибрежного апвеллинга, генерируемого ветром.

Из гл. 6 мы узнали, что вертикальная конвекция возникает в том случае, когда устойчивое распределение плотности в водном столбе нарушается в результате охлаждения с поверхности. Как ведет себя вода, когда к ней приложена сила, не нарушающая стратификацию? Оказывается, вода движется вдоль изопикнических поверхностей; если внешнее воздействие достаточно сильно, вода будет заглубляться или подниматься в той мере, в какой это необходимо для того, чтобы оставаться в том же плотностном слое.

Эта теорема горизонтального движения, которую трудно доказать математически, наглядно иллюстрируется рис. 8.7, а — для этого достаточно обратить внимание на значения консервативных характеристик вдоль изолинии плотности (изопикны). Если температура и соленость не изменяются на выбранной изопикне, мы можем исключить вертикальное перемешивание из числа процессов, благодаря которым изопикны, изображенные на рис. 8.7, в, поднимаются к поверхности. Такой подъем можно объяснить лишь тем, что поверхностная вода, которая первоначально находилась вблизи берега, отошла от него, а более глубокая вода поднялась, чтобы восполнить потерю. На рис. 8.7, о значения температуры и солености на поднимающейся к поверхности изопикне, = 26 в летний период примерно постоянны от станции NH-165, где изопикна лежит на глубине 115 м, до станции NH-5, где она выходит на поверхность. Поднимающаяся глубинная вода выносит с собой на поверхность в больших количествах нитраты и фосфаты — это и есть апвеллинг.

Чтобы завершить вывод теоремы, необходимо показать, что апвеллинг является непрерывным процессом. За возникновение апвеллинга отвечает сила трения между ветром и верхним слоем воды (этот механизм описан в гл. 10). Поверхностная вода будет двигаться от берега до тех пор, пока существует ветер определенного направления. Таким образом, поднимающаяся с глубины вода непрерывно уходит от берега, давая место новой воде с глубины и т. д. У побережья шт. Орегон ветры, благоприятствующие апвеллингу, начинают дуть в апреле, поэтому в июле апвеллинг уже устанавливается, как и показывают наши поперечные разрезы.

Мне бы хотелось завершить этот раздел рассуждением о том, насколько широкую полосу захватывает апвеллинг. К сожалению, специалисты пока не пришли в этом вопросе к единому мнению, и, для того чтобы до конца прояснить ситуацию, необходимы дальнейшие исследования. Одно обстоятельство, однако, может послужить некоторой подсказ

кой. Устье реки Колумбии находится в 150 милях к северу от Ньюпорта, но к тому времени, когда шлейф речных вод пересекает ньюпортский гидрологический разрез, его западный край находится у станции NH-105 (рис. 8.7,6.) Ясно, что именно ветры отгоняют шлейф от берега. Можем ли мы принять границу шлейфа в качестве границы зоны апвеллинга? Мне кажется, основания для этого можно найти на рис. 8.7,6, где изображена также зона почти полного отсутствия нитратов, упоминавшаяся нами при анализе рис. 8.6. Обратите внимание, как близко подходят обедненные нитратами воды к шлейфу речных вод. В шлейф питательные вещества попадают из двух источников — это собственно вынос из реки и вышедшие на поверхность в результате апвеллинга глубинные воды, с которыми воды шлейфа перемешиваются по мере того, как ветер отгоняет их от берега; соответственно вода в шлейфе еше не обеднена биогенными веществами. В поверхностные воды к западу от шлейфа (и под ним) питательные вещества уже не поступают, и поэтому по мере потребления нитратов их количество уменьшается и первичная продукция падает.

Заключение

Мы можем сказать, что побывали в настоящей океанологической экспедиции и вернулись домой, получив реальные данные. Последние обрабатываются и представляются в виде, пригодном для использования другими исследователями: большая их часть представлена в виде значений, привязанных к стандартным горизонтам. При химическом анализе проб воды нужно быть очень внимательными; по мере возможности мы используем «нормальную» воду (международный стандарт морской волы) для периодической проверки в рейсе правильности работы аппаратуры и ее калибровки.

Как правило, вначале мы строим вертикальные профили каждой характеристики, ища в них такие особенности, которые объясняли бы поведение океанологических полей и морских форм жизни. Среди этих особенностей — глубина верхнего перемешанного слоя как мера многих процессов (от первичной продукции до геохимических процессов), а также минимум в распределении кислорода и максимум в распределении питательных вешеств, указывающие на поведение глубинных вод.

Обычно судно движется перпендикулярно берегу, для того чтобы получить данные по «разрезу» в направлении от берега. Многое из того, что мы изучаем, связано с переме-щением волы или каких-то объектов от суши в море или наоборот, поэтому такие разрезы дают наилучшую информацию. Почти классическим примером, почерпнутым из данных нашего рейса, служит разрез, на котором видна линза воды из реки Колумбия, обнаруживаемая у северо-западного побережья США в июле. Поперечные разрезы позволяют оценить скорость установления режима апвеллинга, возможное влияние его на миграцию рыб и т. д. При анализе наших разрезов особое внимание было обращено на прибрежный апвеллинг — характерное явление для северовосточной части Тихого океана, оказывающее большое влияние на местную экономику. Июльский рейс дал нам подробные сведения о хорошо развитом апвеллинге. Теперь мы знаем, что локальные ветры деформируют поле плотности и поля других характеристик, в результате чего в прибрежную зону попадают богатые питательными веществами воды с глубины 100 — 200 м.

Сравнивая поперечные разрезы питательных веществ и плотности, мы приходим к теореме перемешивания: вода в стратифицированном океане стремится двигаться вдоль поверхностей постоянной плотности.

Контрольные вопросы

Рис. 8.2 показывает, что водные столбы, из которых брались пробы на ньюпортском гидрологическом разрезе, далеко не вертикальны. В чем причина этого и какие меры принимает капитан судна, чтобы свести такое искривление к минимуму?

Почему при отборе проб батометр Нансена должен перевернуться?

До изобретения опрокидывающихся термометров измерение температуры в толще воды было поистине трудным делом. В одном из применявшихся тогда измерителей использовался обычный стеклянный термометр, в котором бульбочка с ртутью была заключена в восковой шар. Для чего это было сделано? Применялся и другой прибор: это был термометр со специальной второй «стрелкой», которая «запоминала» максимальное отклонение основного указателя температуры при погружении до определенной глубины. Можете ли вы сказать, в чем были недостатки такого устройства?

По мере того как наши знания об океанской воде пополнялись, все более необходимым становилось отбирать пробы воды как можно ближе ко дну. Насколько трудна эта задача? Придумайте устройство, которое позволяло бы ученым, находясь на борту судна, определять расстояние ото дна, на котором взята проба.

Какова точность, с которой мы можем измерять температуру воды in situ! Какова точность измерений солености? Почему океанологи стремятся к столь высокой точности этих измерений?

Почему горизонты, на которых берутся пробы (и которые определяются расстояниями между батометрами на тросе), в общем располагаются не с равными интервалами по вертикали?

Измерив на каждой станции температуру, соленость, концентрации ионов химических элементов и другие характеристики, ученые приступают к анализу. Как правило, начинают с того, что строят вертикальные профили измеренных переменных для каждой станции. Как вы думаете, почему — с точки зрения проверки правильности данных — поступают именно таким образом? Как объяснить это с позиции специалиста по физике моря? Биолога? Химика?

Вблизи поверхности концентрация кислорода максимальна. Количество кислорода в поверхностном слое больше зимой, чем летом. Уровни насыщения для большинства газов, растворенных в морской воде, изменяются с изменением температуры, причем более холодная вода удерживает больше кислорода.

а) Почему в таком случае глубинные воды океана содержат в целом меньше кислорода, чем поверхностные воды?

б) Если биологическое потребление кислорода (БПК) приводит к уменьшению его содержания в глубинных водах, почему придонная вода часто содержит больше кислорода, чем вода на промежуточных глубинах? Не связано ли это с тем, что на разной глубине вода имеет разный «возраст»? Не следует ли из этого, что придонная вода может быть на самом деле «моложе», чем вода на промежуточных глубинах. Если так, то какой физический смысл может иметь эта гипотеза?

9. Объясните, как можно было бы определить глубину, ниже которой океан «не чувствует» сезонные колебания климата, происходящие на поверхности?

Можете ли вы объяснить, почему концентрации питательных веществ NOt"h РО3,- (рис. 8.4) имеют максимумы примерно на той же глубине, где располагается минимум кислорода?

Вертикальные профили содержания нитратов показывают, что на глубине 400 м концентрация нитратов в июле примерно на 7 мкмоль/кг меньше, чем в январе. Объясняется ли это тем, что фитопланктон потребляет нитраты летом на такой глубине? Если нет, то в чем причина?

Исследовав вертикальные профили как носители тех изменений, которые претерпевают океанологические поля, мы приступаем к построению разрезов в поле каждой переменной. Для этого мы наносим на сетку (как на рис. 8.5) измеренные значения соответствующей величины для каждой станции; данные берутся из таблицы (типа табл. 8.1). Затем проводим изолинии, т. е. линии равных значений данной характеристики (как на рис. 8.6 для NOJ" и РО3,-).

а) Для района апвеллинга типична «гигантская» разница между летней и зимней картинами распределения питательных веществ в поперечном сечении. Реальна ли эта разница?

б) Теперь, когда вы сформулировали определенное мнение на этот счет, скажите мне, в чем состоит эта гигантская разница?

в) Как утверждает специалист по физике моря, относительное постоянство температуры и солености на изопикнической поверхности о, = 26 (рис. 8.7, а) свидетельствует о том, что вода в океане движется вдоль поверхностей постоянной плотности, а не пересекает их. Согласны ли вы с этим утверждением? Характерно ли это только для зоны апвеллинга или для всего океана?

Дата добавления: 2014-01-07