Волны и волновые движения мирового океана
Химический состав и соленость морской воды
В морской воде присутствуют практически все известные хим элементы:
Химические элементы (по массе)----
Элемент-Процентное содержание
Кислород 85,7
Водород 10,8
Кальций 0,04
Калий 0,0380
Натрий 1,05
Магний 0,1350 Углерод 0,0026
Среди этих веществ выделяют группу элементов, определяющих соленость воды. Соленость – важнейшая характеристика воды, обуславливающая многие физ св-ва воды: плотность, темп замерзания, скорость звука и т д. Её значение зависит от испарения, потока пресных вод, таяния льда, замерзания воды,…
В тропиках соленость максимальна по сравнении с другими широтами. Это связано с тем, что там испарение намного превышает осадки. Минимальная соленость – у экватора.
В среднем солёность Мирового океана составляет около 3,5 %. Это значит, что в каждом литре морской воды растворено 35 грамм солей (в основном это хлорид натрия). Солёность воды в океанах почти повсеместно близка к 3,5 %, однако вода в морях имеет неравномерно распределённую солёность. Наименее солёной является вода Финского залива и северной части Ботнического залива, входящих в акваторию Балтийского моря. Наиболее солёной является вода Красного моря. Солёные озёра, такие как Мёртвое море, могут иметь значительно больший уровень содержания солей.
Волны на воде различаются принципиальным механизмом колебания (капиллярный, гравитационный и т. д.), что приводит с различным законам дисперсии и, как следствие, к различному поведению этих волн.
Нижняя часть волны называется подошвой, верхняя - гребнем. Во время движения волны гребень уходит вперёд относительно подошвы, наклоняясь вниз, после чего, вследствие собственных веса и силы тяжести, гребень падает, волна разбивается, уровень высоты волны становится равным нулю.
Основные элементы волны:
Длина – кратчайшее расстояние между двумя соседними вершинами (гребнями/ложбинами)
Высота – разность уровней вершины и подошвы
Крутизна – отношение высоты волны к её длине
Волновой уровень – линия, делящая трохоиды пополам
Период – время, за которое волна проходит расстояние, равное своей длине
Частота – число колебаний в секунду
Направление волны измеряется как и направление ветра («в компас»)
Водные массы - объём воды, соизмеримый с площадью и глубиной водоёма и обладающий относительной однородностью физико-химических характеристик, формирующихся в конкретных физико-географических условиях. Основными факторами, формирующими Водные массы, являются тепловой и водный балансы данного района, температура и солёность
Характеристики Водной массы не остаются постоянными, они подвергаются в определённых пределах сезонным и многолетним колебаниям и изменяются в пространстве. По мере распространения из района формирования Водные массы трансформируются под влиянием изменений условий теплового и водного балансов и перемешиваются с окружающими водами.
По вертикали: поверхностные - до глубины 150-200 м;
Подповерхностные - на глубине от 150-200 м до 400-500 м;
Промежуточные - на глубине от 400-500 м до 1000-1500 м,
Глубинные - на глубине от 1000-1500 м до 2500-3000 м;
Придонные (вторичные) - ниже 3000 м.
По горизонтали: экваториальные, тропические, субтропические, субполярные и полярные.
Границами между Водными массами являются зоны фронтов Мирового океана, зоны раздела и зоны трансформации, которые прослеживаются по увеличивающимся горизонтальным и вертикальным градиентам основных показателей.
Водные массы Мирового океана могут быть разделены на типы, характеризующиеся определенными свойствами или определенным соотношением различных характеристик. Название каждой Водной массы отражает район формирования (источник) и пути ее перемещения. Например, антарктическая придонная вода образуется в различных районах вокруг Антарктического материка и обнаруживается у дна на больших участках океана. Водные массы образуются либо в результате термохалинных изменений, обусловленных взаимодействием моря и атмосферы, либо в результате перемешивания двух или более вод. После формирования Водная масса смещается на горизонт, определяемый ее плотностью, в зависимости от вертикального распределения плотности окружающей воды, и, постепенно перемешиваясь или взаимодействуя с атмосферой (если Водная масса распространяется у поверхности или на горизонтах, близких к поверхности), теряет характерную черту (или черты), которую она приобрела в районе формирования.
Основные Водные массы Мирового океана образуются в результате термохалинных изменений. Такие Водные массы имеют экстремум по одной или многим характеристикам. Слой, в котором наблюдается этот экстремум (глубина слоя определяется плотностью воды), называется срединным слоем. Этот слой может быть обнаружен при исследовании вертикального распределения типичных свойств В. м.
Наибольшую часть поверхностных и подповерхностных Водных масс составляют центральные Водные массы, которые обнаруживаются в умеренных широтах в обоих полушариях. Они характеризуются высокой соленостью и довольно высокими температурами и могут быть подразделены на такие подтипы, как западная и восточная центральные Водные массы. Это именно те Водные массы, которые являются источником срединного слоя с низким максимумом солености (субтропическое противотечение), формирующегося в результате опускания поверхностных вод в зонах субтропических конвергенции (35—40° с. и ю. ш.) в большинстве тропических районов океана. Между центральными Водными массами северного и южного полушарий находится экваториальная вода. Эта Водная масса хорошо развита в Тихом и Индийском океанах, но ее нет в Атлантическом океане.
В направлении к полюсам центральные Водные массы охлаждаются, что связано с таянием льда и температурным контрастом между водой и атмосферой. Между полярными поверхностными Водными массами и глубинными водами существуют воды промежуточной зоны — субарктическая и субантарктическая поверхностные воды. При стыке Водных масс промежуточной зоны происходит опускание вод вдоль зоны конвергенции. Эту зону, или полярный фронт, можно рассматривать как район образования промежуточных Водных масс Мирового океана. Они холодные, имеют низкую соленость и отделяют верхнюю теплую водную сферу от нижней холодной. В Атлантическом океане наиболее распространенной промежуточной Водной массой является антарктическая промежуточная вода, образующаяся в пределах южного полярного фронта; она может быть прослежена «методом ядра» до 20° с. ш. Севернее этой широты существует срединный слой с неярко выраженным минимумом солености.
Субарктическая промежуточная вода встречается в более северных широтах, но она гораздо менее ярко выражена и не распространяется так широко, как антарктическая промежуточная вода.
Из-за мелководности Берингова пролива циркуляция между Северным Ледовитым океаном и северной частью Тихого океана ограничена; поэтому субарктическая промежуточная вода в Тихом океане имеет малое распространение Однако у побережья России происходит опускание вод и формирование промежуточной Водной массы, очень похожей на субарктическую; так как эта Водная масса неарктического происхождения, она названа северотихоокеанской промежуточной водой.
Глубинные и придонные воды образуются в полярных районах, наиболее активно — вокруг Антарктического материка и в районах, прилегающих к Южной Гренландии. Влияние Арктического бассейна на глубоководную циркуляцию Мирового океана незначительно вследствие отчлененности глубин Арктического бассейна подводными хребтами — порогами. Предполагают, что источником большей части глубинных и придонных вод является атлантический сектор Южного океана (море Уэдделла). Сильная глубоководная циркуляция приводит к тому, что влияние Атлантического океана ощущается в большинстве районов Мирового океана. Тихий океан не имеет больших источников глубинной воды, и поэтому поток ниже 2000 м, вероятно, слаб. Индийский океан имеет сложную систему глубинных вод, которая зависит скорее от смешения многих других Водных масс чем от образования типов Водных масс в результате термохалинных изменений.
Характеристика водных масс
Водные массы классифицируются не только в зависимости от глубины, но и по происхождению. Относительно этого они бывают:
Экваториальные водные массы формируются в районе экватора, поэтому хорошо прогреваются Солнцем. Температура воды составляет +27, +28 градусов и по сезонам меняется только на 2 градуса. Обильные осадки и впадающие в океан реки сильно опресняют воду, поэтому соленость экваториальных вод ниже по сравнению с тропическими широтами.
Водные массы тропических широт тоже хорошо прогреты Солнцем, но их температура ниже и составляет +20, +25 градусов, а по сезонам она меняется уже на 4 градуса. Большое влияние на температуру вод оказывают течения. Теплые течения, идущие от экватора, характерны для западных частей океана, поэтому вода здесь будет теплее. В восточную часть океана приходят холодные течения и снижают температуру воды.
В тропических широтах господствуют нисходящие воздушные потоки, в результате чего устанавливается высокое атмосферное давление при маленьком количестве осадков. Рек здесь мало и опресняющее их влияние незначительно, поэтому соленость воды в этом районе высокая.
Севернее располагаются умеренные широты, где идет формирование умеренных водных масс. Здесь отчетливо проявляется сезонное распределение температур, и отличие составляет 10 градусов. Зимняя температура колеблется от 0 до 10 градусов, а в летний период изменение происходит от 10 до 20 градусов.
Соленость умеренных водных масс ниже тропических, т.к. атмосферные осадки, впадающие в океан реки и айсберги, заходящие в эти широты, оказывают большое опресняющее действие.
Западные и восточные части океанов в пределах умеренных широт тоже имеют температурные различия. Западные части океанов будут холодные, а восточные части согревают теплые течения.
В районе Арктики и у берегов Антарктиды формируются полярные водные массы, которые с помощью течений выносятся в умеренные широты, иногда они достигают и тропических широт. Особенностью полярных водных масс является наличие плавающего льда, который оказывает сильное опресняющее действие. Поэтому соленость полярных водных масс низкая.
Замечание 1
Между разными по происхождению водными массами четкие границы отсутствуют, есть только переходные зоны, которые отчетливее выражены в тех местах, где происходит соприкосновение теплых и холодных течений.
В зависимости от критериев выделяется различное количество водных масс.
Самая большая по объему в Мировом океане Антарктическая придонная водная масса, занимающая придонный слой вокруг материка. Она распространяется на север в Атлантическом океане до 40 параллели северной широты. Меридиональный разрез этой водной массы показывает более низкую температуру и соленость по сравнению с водами выше лежащими. Основное место её формирования – море Уэдделла и шельф вокруг Антарктиды, где сформировались благоприятные для этого условия. Соленость антарктической придонной водной массы 34,6 промилле, а температура -0,4 градуса. Из места своего формирования она медленно движется в Атлантику, участвуя в горизонтальной циркуляции вод океана;
Второй по объему в Мировом океане является глубинная и придонная Североатлантическая водная масса. Её формирование происходит в зимний период между Гренландией и Исландией. Здесь происходит смешивание теплой и соленой воды Северо-Атлантического течения с холодной и более пресной водой Восточно-Гренландского течения. Температура этой водной массы в районе формирования с глубиной меняется от 2,8 до 3,3 градусов, меняется и соленость от 34,90 до 34,96 промилле. Североатлантическая глубинная и придонная водная масса из района формирования растекается к югу на глубину 2000-4000 м поверх антарктической придонной воды. Перемещаться в северном направлении ей мешает поднятие дна океана;
Рисунок 1. Североатлантическая водная масса. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Замечание 2
Для формирования подобной водной массы в Тихом океане отсутствуют условия.
Поверхностную воду представляет собой Антарктическая промежуточная водная масса, которая в зоне конвергенции растекается к северу на глубину 1000-1500 м. В районе Атлантического океана она заметна до 15 градуса северной широты. Её соленость здесь минимальная и равна 33,8 промилле, температура понижена до 2,2 градуса;
Для стационарных субтропических максимумов атмосферного давления характерно формирование центральных водных масс. Их особенностью является максимальная соленость. На их перифериях развивается интенсивная конвекция в периоды охлаждения, в результате чего центральные массы увеличивают мощность в Тихом океане до 200-300 м, а в Саргассовом море Атлантического океана их мощность возрастает до 900 м;
В районе экватора формируются экваториальные водные массы 3-х океанов – Тихого, Индийского и Атлантического. Ввиду того, что в экваториальной области выпадает много осадков эти водные массы сильно распреснены по сравнению с центральными водными массами. Экваториальная водная масса менее выражена в Атлантическом океане, потому что здесь происходит перенос вод из Южного в Северное полушарие;
В формировании глубинных вод Атлантического океана довольно заметную роль играет Средиземноморская водная масса, температура которой 13,0-13,6 градуса, а соленость 38,4-38,7 промилле. Эта водная масса имеет высокую плотность, благодаря которой перелившись через Гибралтарский пролив, она опускается до глубины 1000 м и веером растекается на огромном пространстве Северной Атлантики;
В образовании антарктической циркумполярной водной массы принимает участие североатлантическая глубинная и придонная вода, поднимающаяся вблизи Антарктиды, к которой примешивается некоторое количество антарктической промежуточной и придонной воды.
Смесь, которая образовалась, поднимается как самостоятельная водная масса в верхний слой океана. Она занимает место между антарктическими прибрежными водами и антарктической конвергенцией.
Антарктическая циркумполярная вода в круговом переносе вод образует кольцо, которое опоясывает Антарктиду.
Для верхнего слоя антарктической циркумполярной воды характерна дивергенция зонального переноса, которая обуславливает подъем североатлантической глубинной и придонной воды в антарктической области.
Между антарктической конвергенцией и южной границей центральных водных масс располагается субантарктическая водная масса. Она образует замкнутое кольцо, в котором перемещается с запада на восток. Эта водная масса является результатом смешения центральных водных масс с антарктической промежуточной водой на их южных перифериях.
В Северном полушарии на большом пространстве Тихого океана, севернее 40 параллели, располагается субарктическая водная масса. Её образовали процессы охлаждения и распреснения вод в Беринговом и Охотском морях, а также в прилегающей части океана.
В Атлантике этот вид воды образуется в небольших количествах.
Четыре водные массы присутствуют в Северном Ледовитом океане, и вся толща воды имеет отрицательную температуру, с положительной температурой есть только тонкая прослойка воды.
Деятельный слой океана с распресненными водами и отрицательной температурой опускается до глубины 200-250 м – это поверхностная водная масса. В зимний период этот слой полностью охватывается конвекцией, и температура при этом понижается почти до точки замерзания – около -1,7 градуса.
В летний период температура чуть выше точки замерзания. Соленость на поверхности этой водной массы составляет 31,3-31,5 промилле.
Уникальным явлением в Мировом океане является теплая атлантическая прослойка, формирующаяся из теплого Западно-Шпицбергенского течения. Для того чтобы эта водная масса благодаря своей высокой плотности опустилась под поверхностный слой Северного Ледовитого океана при её солености до 34,75 промилле, достаточно, чтобы вода охладилась до 3-4 градусов.
Затем она растекается по всей акватории океана на глубине 200-500 м и даже у Берингова пролива она сохраняет высокую соленость и положительную температуру +0,4 градуса.
В Гренландском море формируются глубинные и придонные водные массы.
Замечание 3
Таким образом, водные массы, формирующиеся в определенных районах Мирового океана, хорошо отражают вертикальную и горизонтальную зональность, которая является основной географической закономерностью природы планеты.
Водные массы - это большие объемы воды, образующиеся в определенных частях океана и отличающиеся друг от друга температурой, соленостью, плотностью, прозрачностью, количеством кислорода и другими свойствами. В отличие от, в них большое значение имеет. В зависимости от глубины различают:
Поверхностные водные массы . Они формируются под воздействием атмосферных процессов и притока пресных вод с материка до глубины 200-250 м. Здесь часто меняются, соленость, а горизонтальный их перенос в виде океанических течений значительно сильнее переноса глубинного. В поверхностных водах самое большое содержание планктона и рыбы;
Промежуточные водные массы . Они имеют нижнюю границу в пределах 500-1000 м. В тропических широтах промежуточные водные массы формируются в условиях повышенного испарения и постоянного повышения. Именно этим объясняется тот факт, что промежуточные воды встречаются между 20° и 60° в Северном и Южном полушарии;
Глубинные водные массы . Они формируются в результате перемешивания поверхностных и промежуточных, полярных и тропических водных масс. Их нижняя граница 1200-5000 м. Вертикально эти водные массы движутся крайне медленно, а горизонтально они движутся со скоростью 0,2-0,8 см/с (28 м/ч);
Придонные водные массы . Они занимают зону ниже 5000 м и имеют постоянную соленость, очень большую плотность, а горизонтальное их перемещение более медленно, чем вертикальное.
В зависимости от происхождения различают следующие типы водных масс:
Тропические . Они формируются в тропических широтах. Температура воды здесь 20-25°. На температуру тропических водных масс оказывают большое влияние океанические течения. Более теплыми являются западные части океанов, куда приходят теплые течения (см.) от экватора. Восточные части океанов холоднее, так как сюда приходят холодные течения. По сезонам температура тропических водных масс меняется на 4°. Соленость этих водных масс значительно больше, чем экваториальных, так как в результате нисходящих воздушных потоков здесь устанавливается и выпадает мало осадков;
водные массы . В умеренных широтах Северного полушария холодными являются западные части океанов, где проходят холодные течения. Восточные области океанов согреваются теплыми течениями. Даже в зимние месяцы вода в них имеет температуру от 10°С до 0°С. Летом она изменяется от 10°С до 20°С. Таким образом, по сезонам температура умеренных водных масс различается на 10°С. Для них уже характерна смена времен года. Но наступает она позднее, чем на суше, и выражена не так резко. Соленость умеренных водных масс ниже, чем тропических, так как опресняющее действие оказывают не только реки и атмосферные осадки, которые здесь выпадают, но и, заходящие в эти широты;
Полярные водные массы . Формируются в и у берегов. Эти водные массы могут выноситься течениями в умеренные и даже тропические широты. В полярных областях обоих полушарий вода охлаждается до -2°С, но еще остается жидкой. Дальнейшее понижение приводит к образованию льда. Для полярных водных масс характерно обилие плавающего льда, а также льда, формирующего огромные ледяные пространства. В лед держится весь год и находится в постоянном дрейфе. В Южном полушарии в районах полярных водных масс заходят в умеренные широты много дальше, чем в Северном. Соленость полярных водных масс низка, так как лед оказывает сильное опресняющее влияние.Между перечисленными водными массами нет четких границ, а существуют переходные зоны - зоны взаимовлияния соседних водных масс. Наиболее отчетливо они выражены в местах соприкосновения теплых и холодных течений. Каждая водная масса более или менее однородна по своим свойствам, но в переходных зонах эти характеристики могут резко меняться.
Водные массы активно взаимодействуют с: отдают ей тепло и влагу, поглощают из нее углекислый, выделяют кислород.
ВОДНЫЕ МАССЫ, объём воды, соизмеримый с площадью и глубиной водоёма, обладающий относительной однородностью физических, химических и биологических характеристик, формирующихся в конкретных физико-географических условиях (обычно на поверхности океана, моря), отличающихся от окружающей водной толщи. Особенности водных масс, приобретённые в определённых районах океанов и морей, сохраняются за пределами области формирования. Смежные водных масс отделяются друг от друга зонами фронтов Мирового океана, зонами раздела и зонами трансформации, которые прослеживаются по увеличивающимся горизонтальным и вертикальным градиентам основных показателей водных масс. Главные факторы формирования водных масс - тепловой и водный балансы данного района, соответственно основные показатели водных масс - температура, солёность и зависящая от них плотность. Важнейшие географические закономерности - горизонтальная и вертикальная зональность - проявляются в океане в виде специфической структуры вод, состоящей из набора водных масс.
В вертикальной структуре Мирового океана выделяются водные массы: поверхностные - до глубины 150-200 м; подповерхностные - до 400-500 м; промежуточные - до 1000-1500 м, глубинные - до 2500-3500 м; придонные - ниже 3500 м. В каждом из океанов имеются характерные для них водные массы, поверхностные водные массы называются в соответствии с климатическим поясом, где сформировались (например, тихоокеанские субарктические, тихоокеанские тропические и так далее). Для нижележащих структурных зон океанов и морей название водных масс соответствует их географическому району (средиземноморская промежуточная водная масса, североатлантичная глубинная, глубинная Чёрного моря, антарктическая придонная и т.д.). Плотность воды и особенности атмосферной циркуляции определяют глубину, на которую водная масса погружается в районе своего образования. Часто при анализе водной массы учитываются также показатели содержания в ней растворённого кислорода, других элементов, концентрации ряда изотопов, которые дают возможность проследить распространение водной массы из района её формирования, степень смешения с окружающими водами, время нахождения вне контакта с атмосферой.
Характеристики водных масс не остаются постоянными, они подвергаются в определённых пределах сезонным (в верхнем слое) и многолетним колебаниям, изменяются в пространстве. По мере передвижения из района формирования водные массы трансформируются под воздействием изменившегося теплового и водного балансов, особенностей циркуляции атмосферы и океана, перемешиваются с окружающими водами. Вследствие чего различают первичные водные массы (формируются под непосредственным влиянием атмосферы, с наибольшими колебаниями характеристик) и вторичные водные массы (образуются при перемешивании первичных, отличаются наибольшей однородностью характеристик). В пределах водной массы выделяют ядро - слой с наименее трансформированными характеристиками, сохраняющий присущие конкретной водной массе отличительные признаки - минимумы или максимумы солёности и температуры, содержание ряда химических веществ.
При изучении водных масс применяется метод температурно-солёностных кривых (Т, S-кривых), метод ядра (исследование трансформации присущих водной массе экстремумов температуры или солёности), изопикнический метод (анализ характеристик на поверхностях равной плотности), статистический Т, S-анализ. Циркуляция водных масс играет важную роль в энергетическом и водном балансе климатической системы Земли, перераспределяя между широтами и разными океанами тепловую энергию и распреснённые (или осолонённые) воды.
Лит.: Sverdrup Н. U., Johnson М. W., Fleming R. Н. The oceans. N. Y., 1942; Зубов Н. Н. Динамическая океанология. М.; Л., 1947; Добровольский А. Д. Об определении водных масс // Океанология. 1961. Т. 1. Вып. 1; Степанов В. Н. Океаносфера. М., 1983; Мамаев О. И. Термохалинный анализ вод Мирового океана. Л., 1987; он же. Физическая океанография: Избр. труды. М., 2000; Михайлов В. Н., Добровольский А. Д., Добролюбов С. А. Гидрология. М., 2005.
Под влиянием определенных геофизических факторов. Водная масса характеризуется постоянным и непрерывным распределением физико-химических и биологических свойств в течение длительного времени. Все компоненты водной массы образуют некий единый комплекс, который может изменяться или двигаться как одно целое. В отличие от воздушных масс, для масс достаточно важную роль играет вертикальная зональность.
Главные характеристики водных масс:
Характеристики водных масс не остаются неизменными постоянно, они в определенных пределах колеблются по сезонам и многолетне. Между водными массами не существует четких границ, вместо того - переходные зоны взаимного влияния. Наиболее ярко это можно наблюдать на границе теплых и холодных морских течений.
Основными факторами формирования водных масс являются тепловой и водный балансы региона.
Водные массы довольно активно взаимодействуют с атмосферой. Они отдают ей тепло и влагу, биогенный и механический кислород, а из нее усваивают углекислый газ.
Различают первичные и вторичные водные массы. К первым относят те, характеристики которых формируются под воздействием земной атмосферы. Они характеризуются наибольшей амплитудой изменений своих свойств в определенном объеме водной толщи. К вторичных водных масс относят те, что формируются под влиянием перемешивания первичных. Они характеризуются наибольшей гомогенностью.
По глубине и физико-географическими свойствами выделяют следующие типы водных масс:
На протяжении всего года экваториальные воды сильно прогреваются солнцем, что находится в зените. Толщина слоя - 150-300 г. Горизонтальная скорость перемещения составляет от 60-70 до 120-130 см/сек. Вертикальное перемешивание происходит со скоростью 10 -2 10 -3 см/сек. Температура вод составляет 27°...+28°С, сезонная изменчивость небольшая 2 °C. Средняя соленость от 33-34 до 34-35 ‰, ниже, чем в тропических широтах, потому что многочисленные реки и сильные ежедневные ливни довольно сильно влияют, опресняя верхний слой воды. Условная плотность 22,0-23,0. Содержание кислорода 3,0-4,0 мл/л; фосфатов - 0,5-1,0 мкг-ат/л.
Толщина слоя - 300-400 г. Горизонтальная скорость перемещения составляет от 10-20 до 50-70 см/сек. Вертикальное перемешивание происходит со скоростью 10 -3 см/сек. Температура вод составляет от 18-20 до 25-27°С. Средняя соленость 34,5-35,5 ‰. Условная плотность 24,0-26,0. Содержание кислорода 2,0-4,0 мл/л; фосфатов - 1,0-2,0 мкг-ат/л.
Толщина слоя - 400-500 г. Горизонтальная скорость перемещения составляет от 20-30 до 80-100 см/сек. Вертикальное перемешивание происходит со скоростью 10 -3 см/сек. Температура вод составляет от 15-20 до 25-28°С. Средняя соленость от 35-36 до 36-37 ‰. Условная плотность от 23,0-24,0 до 25,0-26,0. Содержание кислорода 4,0-5,0 мл/л; фосфатов -
Толщина слоя - 300-400 г. Горизонтальная скорость перемещения составляет от 10-20 до 30-50 см/сек. Вертикальное перемешивание происходит со скоростью 10 -4 см/сек. Температура вод составляет от 15-20 до 5-10°С. Средняя соленость 34-35 ‰. Условная плотность 25,0-27,0. Содержание кислорода 4,0-6,0 мл/л; фосфатов - 0,5-1,5 мкг-ат/л.
Вся масса вод Мирового океана условно подразделяется на поверхностные и глубинные. Поверхностные воды – слой толщиной 200–300 м – по природным свойствам весьма разнородны; их можно назвать океанической тропосферой. Остальные воды – океаническая стратосфера, составляющая главную массу вод, однороднее.
Поверхностные воды – зона активного термического и динамического взаимодействия
океана и атмосферы. В соответствии с зональными климатическими изменениями они подразделяются на различные водные массы, прежде всего по термогалинным свойствам. Водные массы – это сравнительно большие объемы воды, формирующиеся в определенных зонах (очагах) океана и обладающие в течение длительного времени устойчивыми физико-химическими и биологическими свойствами.
Выделяют пять типов водных масс: экваториальные, тропические, субтропические, субполярные и полярные.
Экваториальные водные массы (0-5° с. ш.) образуют межпассатные противотечения. Они обладают постоянно высокими температурами (26-28 °С), четко выраженным слоем температурного скачка на глубине 20-50 м, пониженной плотностью и соленостью – 34 – 34,5‰, малым содержанием кислорода – 3-4 г/м 3 , небольшой насыщенностью жизненными формами. Преобладает подъем водных масс. В атмосфере над ними располагается пояс низкого давления и штилей.
Тропические водные массы (5– 35° с. ш. и 0–30° ю. ш.) распространены по экваториальным перифериям субтропических барических максимумов; они формируют пассатные течения. Температура летом достигает +26...+28°С, зимой опускается до +18... +20 °С, причем она различается у западных и восточных побережий из-за течений и прибрежных стационарных апвеллингов и даун-веллингов. Апвеллинг (англ, upwelling – всплывание) – восходящее движение воды с глубины 50–100 м, порождаемое сгонными ветрами у западных побережий материков в полосе 10–30 км. Обладая пониженной температурой и в связи с этим значительной насыщенностью кислородом, глубинные воды, богатые биогенными и минеральными веществами, входя в поверхностную освещенную зону, увеличивают продуктивность водной массы. Даунвеллинги – нисходящие потоки у восточных побережий материков за счет нагона воды; они заносят вниз тепло и кислород. Слой температурного скачка выражен весь год, соленость 35–35,5‰, содержание кислорода 2–4 г/м 3 .
Субтропические водные массы обладают наиболее характерными и устойчивыми свойствами в «ядре» – круговых акваториях, ограниченных большими кольцами течений. Температура в течение года изменяется от 28 до 15°С, есть слой температурного скачка. Соленость 36–37‰, содержание кислорода 4–5 г/м 3 . В центре круговоротов происходит опускание вод. В теплых течениях субтропические водные массы проникают в умеренные широты до 50° с. ш. и 40–45° ю. ш. Эти трансформированные субтропические водные массы занимают здесь практически полностью акватории Атлантического, Тихого и Индийского океанов. Охлаждаясь, субтропические воды отдают огромное количество тепла атмосфере, особенно зимой, играя весьма значительную роль в планетарном теплообмене между широтами. Границы субтропических и тропических вод весьма условны, поэтому некоторые океанологи объединяют их в один тип тропических вод.
Субполярные – субарктические (50 – 70° с. ш.) и субантарктические (45–60° ю. ш.) водные массы. Для них типично разнообразие характеристик и по сезонам года, и по полушариям. Температура летом 12–15°С, зимой 5–7 °С, уменьшаясь в сторону полюсов. Морских льдов практически не бывает, но есть айсберги. Слой температурного скачка выражен лишь летом. Соленость уменьшается от 35 до 33‰ по направлению к полюсам. Содержание кислорода 4 – 6 г/м 3 , поэтому воды богаты жизненными формами. Эти водные массы занимают север Атлантики и Тихого океана, проникая в холодных течениях вдоль восточных берегов материков в умеренные широты. В южном полушарии они образуют сплошную зону к югу от всех материков. В целом это западная циркуляция воздушных и водных масс, полоса штормов.
Полярные водные массы в Арктике и вокруг Антарктиды обладают низкой температурой: летом около 0°С, зимой –1,5...–1,7°С. Здесь постоянны солоноватые морские и пресные материковые льды и их обломки. Слоя температурного скачка нет. Соленость 32–33‰. В холодных водах растворено максимальное количество кислорода – 5–7 г/м 3 . На границе с субполярными водами наблюдается опускание плотных холодных вод, особенно зимой.
Каждая водная масса имеет свой очаг формирования. При встречах водных масс с разными свойствами образуются океанологические фронты, или зоны конвергенции (лат. converge – схожусь). Обычно они формируются на стыке теплых и холодных поверхностных течений и характеризуются опусканием водных масс. В Мировом океане несколько фронтальных зон, но основных – четыре, по две в северном и южном полушариях. В умеренных широтах они выражены у восточных берегов материков на границах субполярного циклонического и субтропического антициклонического круговоротов с их соответственно холодными и теплыми течениями: у Ньюфаундленда, Хоккайдо, Фолклендских островов и Новой Зеландии. В этих фронтальных зонах гидротермические характеристики (температура, соленость, плотность, скорости течения, сезонные колебания температуры, размеры ветровых волн, количество туманов, облачность и пр.) достигают экстремальных значений. К востоку из-за перемешивания вод фронтальные контрасты размываются. Именно в этих зонах зарождаются фронтальные циклоны внетропических широт. Две фронтальные зоны существуют и по обе стороны от термического экватора у западных берегов материков между тропическими относительно холодными водами и теплыми экваториальными водами межпассатных противотечений. Они тоже отличаются высокими значениями гидрометеорологических характеристик, большой динамической и биологической активностью, интенсивным взаимодействием океана и атмосферы. Это районы зарождения тропических циклонов.
Есть в океане и зоны дивергенции (лат. diuergento – отклоняюсь) – зоны расходимости поверхностных течений и подъема глубинных вод: у западных берегов материков умеренных широт и над термическим экватором у восточных берегов материков. Такие зоны богаты фито- и зоопланктоном, отличаются повышенной биологической продуктивностью и являются районами эффективного рыбного промысла.
Океаническую стратосферу по глубине делят на три слоя, различающиеся по температуре, освещенности и другим свойствам: промежуточные, глубинные и придонные воды. Промежуточные воды располагаются на глубинах от 300 – 500 до 1000–1200 м. Толщина их максимальна в полярных широтах и в центральных частях антициклонических круговоротов, где преобладает опускание вод. Их свойства несколько различны в зависимости от широты распространения. Общий перенос этих вод направлен от высоких широт к экватору.
Глубинные и особенно придонные воды (толщина слоя последних – 1000–1500 м над дном) отличаются большой однородностью (низкими температурами, богатством кислорода) и медленной скоростью перемещения в меридиональном направлении от полярных широт к экватору. Особенно широко распространены антарктические воды, «сползающие» с материкового склона Антарктиды. Они не только занимают все южное полушарие, но и доходят до 10–12° с. ш. в Тихом океане, до 40° с. ш. в Атлантике и до Аравийского моря в Индийском океане.
Из характеристики водных масс, особенно поверхностных, и течений ярко видно взаимодействие океана и атмосферы. Океан дает атмосфере основную массу тепла, преобразуя лучистую энергию Солнца в тепловую. Океан – огромный дистиллятор, снабжающий сушу посредством атмосферы пресной водой. Тепло, поступающее в атмосферу от океанов, обусловливает различное атмосферное давление. Из-за разницы в давлении возникает ветер. Он вызывает волнение и течения, которые переносят тепло в высокие широты или холод в низкие и т. д. Процессы взаимодействия двух оболочек Земли – атмосферы и океаносферы – сложны и многообразны.
В результате динамических процессов, протекающих в толще океанических вод, в ней устанавливается более или менее подвижная стратификация вод. Эта стратификация приводит к обособлению так называемых водных масс. Водные массы - это воды, отличающиеся присущими им консервативными свойствами. Причем эти свойства водные массы приобретают в определенных районах и сохраняют в пределах всего пространства их распространения.
По В.Н. Степанову (1974), различаются: поверхностные, промежуточные, глубинные и придонные водные массы. Основные типы водных масс могут, в свою очередь, подразделяться на разновидности.
Поверхностные водные массы характеризуются тем, что они формируются при непосредственном взаимодействии с атмосферой. В результате взаимодействия с атмосферой эти водные массы в наибольшей степени подвержены: перемешиванию волнением, изменениям свойств океанической воды (температуры, солености и других свойств).
Толщина поверхностных масс в среднем составляет 200-250 м. Они выделяются также максимальной интенсивностью переноса - в среднем порядка 15-20 см/с в горизонтальном направлении и 10 10-4 - 2 10-4 см/с по вертикали. Они подразделяются на экваториальные (Э), тропические (СТ и ЮТ), субарктические (СбАр), субантарктические (СбАн), антарктические (Ан) и арктические (Ар).
Промежуточные водные массы выделяются в полярных областях с повышенной температурой, в умеренных и тропических областях - с пониженной или повышенной соленостью. Верхняя их граница - это граница с поверхностными водными массами. Нижняя граница лежит на глубине от 1000 до 2000 м. Промежуточные водные массы подразделяются: на субантарктические (ПСбАн), субарктические (ПСбАр), северо-атлантические (ПСАт), северо-индоокеанские (ПСИ), антарктические (ПАн) и арктические (ПАр) массы.
Основная часть промежуточных субполярных водных масс формируется за счет опускания поверхностных вод в зонах субполярной конвергенции. Перенос этих водных масс направлен от субполярных областей к экватору. В Атлантическом океане субантарктические промежуточные водные массы проходят за экватор и распространены примерно до 20° с.ш., в Тихом - до экватора, в Индийском - примерно до 10° ю.ш. Субарктические промежуточные воды в Тихом океане также достигают экватора. В Атлантическом океане они быстро погружаются и теряются.
В северной части Атлантического и Индийского океанов промежуточные массы имеют иное происхождение. Они формируются еще на поверхности в областях высокого испарения. В результате чего образуются избыточно соленые воды. Эти соленые воды испытывают вследствие своей большой плотности медленное погружение. К ним добавляются плотные соленые воды из Средиземного моря (в северной Атлантике) и из Красного моря и Персидского и Оманского заливов (в Индийском океане). В Атлантическом океане промежуточные воды растекаются под поверхностным слоем на север и на юг от широты Гибралтарского пролива. Они распространяются между 20 и 60° с.ш. В Индийском океане распространение этих вод идет на юг и юго-восток до 5-10° ю.ш.
Картина циркуляции промежуточных вод была выявлена В.А. Бурковым и Р.П. Булатовым. Она отличается почти полным затуханием ветровых циркуляций в тропической и экваториальной зонах и небольшим сдвигом субтропических круговоротов в сторону полюсов. В связи с этим промежуточные воды от полярных фронтов распространяются в тропические и в субполярные районы. В эту же систему циркуляции входят подповерхностные экваториальные противотечения типа течения Ломоносова.
Глубинные водные массы образуются преимущественно в высоких широтах. Их образование связано с перемешиванием поверхностных и промежуточных водных масс. Они обычно образуются на шельфах. Охлаждаясь и соответственно приобретая большую плотность, эти массы постепенно сползают по материковому склону и растекаются в направлении к экватору. Нижняя граница глубинных вод располагается на глубине порядка 4000 м. Интенсивность циркуляции глубинных вод изучена В.А. Бурковым, Р.П. Булатовым и А.Д. Щербининым. Она ослабевает с глубиной. В горизонтальном перемещении этих водных масс главную роль играют: южные антициклональные круговороты; циркумполярное глубинное течение в Южном полушарии, которое обеспечивает обмен глубинных вод между океанами. Скорости горизонтального перемещения составляют примерно 0,2-0,8 см/с, а вертикальные 1 10-4 до 7 10О4 см/с.
Глубинные водные массы подразделяются на: циркумполярную глубинную водную массу Южного полушария (ГЦП), северо-атлантическую (ГСАт), северо-тихоокеанскую (ГСТ), северо-индоокеанскую (ГСИ) и арктическую (ГАр).Глубинные северо-атлантические воды отличаются повышенной соленостью (до 34,95%) и температурой (до 3°) и несколько повышенной скоростью перемещения. В их формировании участвуют: воды высоких широт, охлажденные на полярных шельфах и погружающиеся при перемешивании поверхностных и промежуточных вод, тяжелые соленые воды Средиземноморья, достаточно соленые воды Гольфстрима. Их погружение усиливается по мере продвижения в более высокие широты, где они испытывают постепенное охлаждение.
Циркумполярные глубинные воды формируются исключительно за счет охлаждения вод в приантарктических районах Мирового океана. Северные глубинные массы Индийского и Тихого океанов имеют местное происхождение. В Индийском океане за счет стока соленых вод из Красного моря и Персидского залива. В Тихом океане главным образом за счет охлаждения вод на шельфе Берингова моря.
Придонные водные массы отличаются наиболее низкими температурами и наибольшей плотностью. Они занимают всю остальную часть океана глубже 4000 м. Эти водные массы характеризуются очень медленным горизонтальным перемещением, главным образом в меридиональном направлении. Придонные водные массы отличаются несколько большими величинами вертикального перемещения, по сравнению с глубинными водными массами. Эти величины обусловлены притоком геотермического тепла от дна океана. Данные водные массы образуются за счет опускания вышележащих водных масс. Среди придонных водных масс наибольшим распространением пользуются придонные антарктические воды (ПрАн). Эти воды хорошо прослеживаются по наиболее низким температурам и относительно высокому содержанию кислорода. Центром их формирования являются приантарктические районы Мирового океана и в особенности шельф Антарктиды. Кроме того, выделяются северо-атлантическая и северо-тихоокеанская придонные водные массы (ПрСАт и ПрСТ).
Придонные водные массы также находятся в состоянии циркуляции. Они характеризуются преимущественно меридиональным переносом в северном направлении. Кроме того, в северо-западной части Атлантики четко выражено течение южного направления, получающее питание за счет холодных вод Норвежско-Гренландского бассейна. Скорость движения придонных масс несколько возрастает при приближении ко дну.
Общая характеристика водных масс
Определение 1
Водная масса – это большой объем воды, имеющей свою температуру, соленость, прозрачность, плотность, количество содержащегося в ней кислорода.
Отличительной особенностью водной массы от воздушной является вертикальная зональность.
Между водными массами есть зоны фронтов Мирового океана, зоны раздела и зоны трансформации, которые отделяют их друг от друга и прослеживаются по возрастающим вертикальным и горизонтальным градиентам основных показателей.
Характеристики водных масс не постоянны и подвергаются как сезонным, так и многолетним колебаниям.
Водные массы при перемещении из района формирования трансформируются и перемешиваются с окружающими водами, в силу изменения условий теплового и водного балансов.
Водные массы могут быть первичные и вторичные. Первичными являются те водные массы, признаки которых формируются непосредственно под влиянием атмосферы.
Вторичные водные массы формируются путем перемешивания первичных, поэтому имеют более однородные признаки.
Первичные водные массы являются поверхностными и в вертикальной структуре Мирового океана располагаются до глубины 150-200 м.
Глубина подповерхностных вод, образованных первичными и вторичными водными массами, располагается от 200 м до 400-500 м.
Водные массы промежуточные – это тоже первичные и вторичные водные массы в вертикальной структуре находятся на глубине от 400-500 м до 1000-1500 м.
Есть ещё глубинные водные массы, которые являются вторичными и находятся на глубине до 2500-3000 м.
Вторичные придонные водные массы в вертикальной структуре располагаются на глубине ниже 3000 м.
Для каждого океана есть водные массы, характерные только для них.
В целом специалисты выделяют пять типов водных масс, формирующихся в поверхностной структурной зоне:
Суммарная солнечная радиация является основным источником тепла, поступающего на поверхность Мирового океана.
Воды рек, «дыхание» материков, морские течения и господствующие ветры относятся к дополнительным источникам перераспределения тепла.
Поверхность Мирового океана, занимающего 71% поверхности Земли, представляет собой огромный аккумулятор тепла, поскольку вода является самым теплоемким телом, и он выполняет функции терморегулятора Земли.
В среднем температура поверхностных вод выше средней годовой температуры воздуха на 3 градуса.
Температура поверхностных вод Северного полушария тоже выше на 3 градуса по сравнению с Южным полушарием.
На глубину тепло передается очень мало, поскольку вода обладает малой теплопроводностью.
Замечание 1
Таким образом, Мировой океан является холодной сферой со средней температурой +4 градуса.
В связи с зональностью температура поверхностных вод меняется от экватора к полюсам планеты. Чем дальше от экватора, тем температура поверхностных вод становится ниже.
Самые высокие температуры поверхностных вод наблюдаются в экваториальной области планеты и составляют +26 градусов.
В умеренных и тропических широтах происходит нарушение зональной закономерности температуры.
В тропической полосе в западной части океанов проходят теплые течения, поэтому температура воды в этих районах будет на 5-7 градусов выше по сравнению с восточными районами, где проходят холодные течения.
В умеренных широтах происходит понижение температуры поверхностных вод в сторону полюсов. Причем опять эту закономерность в Северном полушарии нарушают течения.
Благодаря теплым течениям восточная часть океанов имеет весь год положительную температуру, в то время как холодные течения на западе океанов приводят к замерзанию воды – в Атлантическом океане вода замерзает севернее полуострова Новая Шотландия, а в Тихом океане – замерзание происходит севернее Корейского полуострова.
В холодных высоких широтах температура воды во время полярного дня доходит до 0 градусов, а в зимний период подо льдом она составляет -1,5…-1,7 градуса.
В весенний период прогревание воды замедляется, потому что много тепла расходуется на таяние льда. Температурные колебания воды в течение суток всюду незначительные и не превышают 1 градуса.
Все океаны имеют по вертикали два основных слоя, исключение составляют высокие широты – теплый поверхностный слой и простирающийся до дна мощный холодный слой.
Между этими слоями располагается главный термоклин, где происходит резкое понижение температуры на 10-12 градусов.
В поверхностном слое выравнивание температуры происходит благодаря конвекции.
В полярных и субполярных широтах температура по вертикали распределяется по-другому: до глубины 100 м располагается холодный верхний тонкий слой с температурой 0…-1,5 градуса. Этот опресненный слой образуется благодаря таянию материковых и речных льдов.
До глубины 500-800 м происходит повышение температуры в среднем на 2 градуса. Происходит это в результате притока более соленых и плотных вод из умеренных широт. Затем температура снова понижается и у дна достигает отрицательных значений.
В Арктическом бассейне, как отмечают специалисты, с глубины 800-1000 м формируется огромная водная масса, которая до дна имеет отрицательную температуру от -0,4 до -0,9 градуса.
Вертикальное изменение температуры воды сильно сказывается на ряде природных процессов и органической жизни обитателей океанов.
Из всех океанов планеты самый теплый – Тихий океан, со средней температурой поверхностных вод +19,1 градуса. Самый холодный – Северный Ледовитый океан, покрытый весь льдами, кроме Норвежского и частично Баренцева морей.
Живые организмы в Мировом океане существуют от поверхности до самого дна, концентрация живого вещества приурочена к водно-поверхностному и донному слоям.
В связи с благоприятными условиями в океане обитают самые разнообразные бактерии, три четверти животных и половина растительного мира планеты.
Обитатели океана, исходя из образа жизни, делятся на три группы – нектон, планктон, бентос.
Представителями нектона являются рыбы, ластоногие, киты, морские змеи, черепахи, дельфины, кальмары и др.
Фитопланктон и зоопланктон объединяются в группу планктон – это мелкие растения и животные, пассивно переносимые водой.
К фитопланктону относятся микроскопические водоросли верхнего освещенного слоя воды, являющиеся источником кислорода и важным звеном пищевой цепи.
Зоопланктон представляют черви, мелкие рачки, медузы, ракообразные и некоторые моллюски. Пищей для них является фитопланктон, а зоопланктон, в свою очередь, кормовая база для рыб и китообразных.
Группа бентос являются обитателями дна – одни из них кораллы, моллюски, иглокожие, водоросли, никогда от него не отделяются, а другие представители этой группы могут покидать дно – например, камбала, скаты.
Бентос населяет материковую отмель, потому что сюда поступает основная масса органических остатков.
Общая биомасса составляет 35 млрд. тонн – доля животных составляет 32,5 млрд. тонн, доля водорослей – 1,7 млрд. тонн.
