Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 494, № 1, стр. 76-81

ВВЕДЕНИЕ

Вопрос об основном пути переноса Антарктических донных вод (ААДВ) в восточную часть Атлантики долгое время оставался не до конца выясненным. Если в западной части распространение ААДВ происходит практически беспрепятственно, то проникновение этих вод в восточную часть происходит через трансформные разломы Вима, Романш и Чейн Срединно-Атлантического хребта в его экваториальной части [2].

Прямые измерения скоростей серией измерителей течений в разломах Романш и Чейн, приведенные в работе [6], выявили соизмеримый перенос ААДВ, равный 0.66 и 0.56 Св (1 Св = 10⁶ м³/c). Большинство предшествующих работ [1, 7, 9] свидетельствует о переносах в разломе Вима 0.5–2 Св, что сопоставимо с этими величинами.

Рис. 1.

Основные пути распространения Антарктической донной воды в экваториальной части Атлантики. Прямоугольником отмечен район расположения измерений экспедиции 2019 г. в районе главной седловины разлома Вима.

В последнее время появились оценки потока ААДВ, в том числе через разлом Вима, в моделях циркуляции океана [3, 11]. В отличие от эпизодических контактных измерений, моделирование позволяет оценить изменения переноса в течение длительного времени (до 20–30 лет) с помощью создания ретроспективных массивов модельных данных – реанализов. К недостаткам этого метода следует отнести недостаточное разрешение по пространству и глубине (1–3 горизонта глубже 4000 м). Тем не менее совместное использование данных наблюдений и реанализов позволяет более корректно оценить перенос ААДВ и даже воссоздать ход параметров в периоды, когда натурные измерения отсутствовали.

Цель настоящей работы – определить перенос ААДВ через разлом Вима по данным собственных натурных измерений в 2019 г. и океанских реанализов, а также оценить возможные изменения этой величины.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Инструментальные измерения течений и основных гидрологических характеристик были выполнены в ноябре 2019 г. во время 45-го рейса НИС “Академик Николай Страхов” (организатор ИО РАН) с помощью акустического доплеровского измерителя течений Nortek Aquadopp 6000 и CTD-зонда SBE19plus.

В восточной части разлома Вима было выполнено 8 станций (рис. 2). На ст. 34, расположенной на главной седловине разлома, выполнялось определение суточной изменчивости параметров, для чего в слое ниже 3700 м последовательно выполнено 20 зондирований с интервалом около 50 мин.

Рис. 2.

Схема расположения станций в разломе Вима. Стрелками показаны придонные скорости по реанализу Glorys12v1.

Для сравнения с натурными данными 2019 г. мы использовали ежемесячные модельные оценки интегральных переносов, рассчитанные на основе океанических реанализов Glorys12v1, Mercatorpsy4v3 (в дальнейшем обозначим как G12 и Merc, взят только за дату измерений), Glorys2v4, GREP-V2, Armor-3d с 1993 по 2015–2018 гг. [12]. У этих реанализов высокое разрешение – от 1/4° с 30–75 вертикальными уровнями до 1/12° (около 8 км) и 50 уровнями в G12 и Merc. В разломе Вима последний горизонт реанализов расположен на глубине 4000–4300 м, что значительно выше фактических глубин у дна. Также использовались данные о рельефе [10] с пространственным разрешением около 100 м.

СТРУКТУРА ГЛУБИННЫХ ВОД И ГРАНИЦА АНТАРКТИЧЕСКИХ ДОННЫХ ВОД

В разломе Вима, ниже глубины 1200 м, находятся Северо-Атлантические глубинные воды (САГВ), характеризующиеся локальным максимумом солености и содержания кислорода. САГВ состоит из трех компонентов, называемых верхними, средними и нижними (ВСАГВ, ССАГВ и НСАГВ) [13], хотя по другой классификации [9] компонентов четыре. ССАГВ и НСАГВ выделяются по собственным локальным максимумам концентрации кислорода [13] и фреонов. По [9], ССАГВ, в свою очередь, делятся еще на два слоя, с максимумом и минимумом содержания этих характеристик. Придонное положение в разломе занимает Антарктическая донная водная масса (ААДВ) с минимумом потенциальной температуры (θ).

Для оценки переноса донных вод критически важно определение границы между НСАГВ и ААДВ. Начиная с работы [13], верхней границей ААДВ предложено считать изотерму θ = 2°С, но авторы [9] указывают, что эта граница плохо соответствует гидрологической структуре, так как включает ядро и большую часть слоя НСАГВ с максимумами содержания кислорода и фреонов. Слишком высокое положение границы приводит к завышению суммарного переноса ААДВ в 2–3 раза [9].

Варианты положения верхней границы ААДВ хорошо видны на рис. 3. Исходя из анализа содержания растворенного кислорода, верхней границей ААДВ правильнее считать изотерму θ = 1.7°С, примерно соответствующую глубине 4100 м, что близко к значениям из работы [9]. По измерениям скоростей течений в районе 4400 м (θ = 1.5°С) в экспедиции 2019 г. на ряде станций фиксируется локальный минимум значений зональной скорости течения, отделяющий самую холодную часть слоя ААДВ.

Рис. 3.

Потенциальная температура, скорость течения и аномалии содержания растворенного кислорода на станции 34 в 2019 г. Слева: вертикальное распределение осредненных за сутки значений: зональная компонента скорости по реанализу Merc (1) и по измерениям (2); потенциальная температура °С (3); аномалии содержания растворенного кислорода (4). Справа: аномалии содержания растворенного кислорода (мл/л, максимум показан затемнением) и изотермы θ (°С, изолинии) на станции 34 за 20 последовательных зондирований в 2019 г. Тонкими линиями показана глубина положения зонда со временем.

Интересная особенность потока в глубинном слое в районе главной седловины разлома Вима – при едином направлении распространения НСАГВ и ААДВ ядро ААДВ прижато к северному склону Центрального канала, что подтверждается минимальными значениями температуры. При этом ядро НСАГВ прижато, наоборот, к южному склону, именно там наблюдается повышенное содержание растворенного кислорода.

ИЗМЕНЧИВОСТЬ ТЕМПЕРАТУРЫ В РАЗЛОМЕ

Косвенным показателем, отражающим изменения переноса ААДВ, могут служить значения температуры. Данные прямых измерений температуры в разломе Вима крайне эпизодичны и, в отсутствие заякоренных измерителей течений, единственным инструментом с достаточной дискретностью для характеристики многолетней и сезонной изменчивости могут быть только океанские реанализы. Недостатки реанализов – большое расстояние между узлами у дна и их фактическое осреднение по значительному слою. Именно по этим причинам измеренные значения придонной температуры существенно ниже аналогичных в реанализах (табл. 1). Среди недостатков всех рассмотренных реанализов можно также отметить “эффект баротропизации”, приводящий к синхронным изменениям температуры и переносов со временем для разных глубинных слоев и водных масс.

Первое зондирование в районе главной седловины описано в работе [9] и в дальнейшем многократно повторено в российских экспедициях [7, 8]. До 2015 г. здесь отмечалась тенденция роста температуры, затем сменившаяся ее падением. С другой стороны, измерения θ на суточной станции в 2019 г. (ст. 34) показали изменения в интервале 1.36–1.41°С. Этот интервал практически перекрывает весь диапазон значений предыдущих лет.

Температура тесно связана с величиной переноса, понижение температуры соответствует усилению потока, что видно на рис. 4. Тенденция роста температуры, аналогичная табл. 1, прослеживается на придонном горизонте G12 в 2012–2014 гг., а позднее произошло некоторое понижение. В целом же за весь период для G12 наблюдаются тенденции роста переноса и увеличения температуры.

Рис. 4.

Изменение переноса ААДВ (зеленым) и придонной температуры (красным) по реанализу G12. Точками показаны результаты расчетов переноса и значения придонной температуры по натурным измерениям [8].

Изотермы, близкие к дну (например, θ = = 1.45°С), в течение суток могут смещаться до 300 м по глубине, а изотерма θ = 2°С смещается на 150 м. Все это свидетельствует о сложности однозначной интерпретации факта о прохождении ААДВ через другие экваториальные разломы по единичным измерениям.

Таким образом, помимо неопределенности задания границы ААДВ, фактор суточной изменчивости, а возможно изменчивости и бóльших периодов, создает проблемы при интерпретации факта проникновения ААДВ по единичным измерениям.

ПЕРЕНОС ГЛУБИННЫХ И ДОННЫХ ВОД

Перенос ААДВ сильно зависит от метода определения их границы и, как видно из табл. 2, может различаться в разы. Хотя разница положения границ θ = 1.7 и 2°С составляет около 200 м, разница площадей изотерм в плоскости поперек канала составляет 38%.

Как видно из табл. 2, лучше других перенос ААДВ воспроизводит реанализ G12. Остальные рассмотренные реанализы дают результаты в 2–4 раза меньше и слой с θ < 1.5°C в них вообще отсутствует. Поэтому в дальнейшем реанализы, кроме G12, не рассматривались.

Полученные нами переносы сравнивались со среднемноголетними значениями реанализа. Перенос по реанализу оказался ниже наших натурных оценок на 20–30%, а максимальные значения переносов по G12 за весь период наблюдений, в свою очередь, на 15% выше. Примечательно, что перенос ААДВ по G12 может быть направлен и в западном (обратном) направлении, хотя инструментально такая ситуация ни разу не фиксировалась. Реанализ Merc, единственный, совпадающий по дате с измерениями, показал близкие результаты переноса.

Как показано в работе [8], в районе главной седловины, помимо основной части разлома, называемой Центральным каналом, существует параллельный ему Южный канал, отделенный медианным хребтом (рис. 2), и проход в “северной стене” разлома, называемом авторами “Северным каналом”, с переносом 0.05–0.2 Св. По оценкам [8], на Центральный канал приходится 70–74% суммарного расхода, тогда как на Южный канал 10–22%. По результатам измерений 2019 г. можно судить о более значимом вкладе потока через Южный канал, приблизительно вдвое меньше, чем через Центральный. По осредненным значениям реанализа G12 в этом месте поток через “северную стену” направлен на юг, т.е. в противоположную сторону по сравнению с потоком из работ [3, 8]. Кроме этого района, перенос ААДВ через “северную стену” возможен в районе станции 39, западнее главной седловины, где зафиксирована придонная θ = 1.59°С, при этом перенос ААДВ направлен в южном направлении.

Перенос вод в слое с локальным максимумом содержания кислорода 3700–4100 м (нижней части НСАГВ или OLNADW по классификации [9]) в районе главной седловины составляет 1 Св по оценке [9]. По реанализу G12 получены переносы вод этого слоя 0.8 Св на восток.

Окончательно за общую оценку переноса ААДВ (с границей θ = 1.7°С) можно принять 0.9 Св, если прибавить к измеренным в 2019 г. значениям перенос ~0.1 Св через “северную стену” [8]. Суточные изменения переносов за 20 последовательных зондирований составляют до 20% от этого значения.

В целом реанализ G12 показал хорошее соответствие с прямыми измерениями. Перенос ААДВ в среднем за период 1993–2018 гг. по реанализу составляет 0.66 Св, за эти годы наблюдаются тенденции роста переноса и увеличения температуры.

При планировании последующих измерений переноса ААДВ в разломах необходимы определения содержания растворенного кислорода для локализации точного положения границы ААДВ, а также учет суточной изменчивости как положения границы ААДВ, так и величины переноса.