Океанология, 2022, T. 62, № 1, стр. 32-40

ВВЕДЕНИЕ

По программе исследования энергоактивных зон Мирового океана Морским гидрофизическим институтом РАН в 1980-е годы были проведены исследования океанологических характеристик в северной тропической зоне Атлантического океана. Основные исследования выполнялись на крупномасштабном полигоне с координатами: 1° ю.ш.–12° с.ш.; 16°–60° з.д. В настоящей работе приводятся результаты исследования в восточной части полигона летом 1986 года.

Данные об оптических характеристиках вод в этом районе океана приводились ранее в работах [1, 6–10, 16, 17]. В настоящей работе, кроме оптических характеристик, приводятся данные о содержании хлорофилла в водах этого района океана. Целью работы являлось исследование связи оптических характеристик и концентрации хлорофилла с динамикой вод.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследования выполнены в 47-м рейсе НИС “Михаил Ломоносов” (июль–сентябрь 1986 г.) на полигоне с координатами: 1° ю.ш.–12° с.ш.; 16°–32.5° з.д. Гидрологические станции на меридиональных разрезах полигона располагались с интервалом 0.5° по широте, разрезы выполнялись через 1.5° по долготе.

Показатель ослабления света (ε, м^–1) измерялся лабораторным прозрачномером [5]. Величина ε определялась в 8-ми участках спектра на длинах волн (λ): 426, 449, 478, 506, 527, 547, 579, 612 нм.

Глубина видимости белого диска (Z_б, м) определялась по методике [11].

Концентрация хлорофилла (С_хл, мг м^–3) определялась фотометрическим методом [18].

Пробы воды для измерений показателя ослабления и концентрации хлорофилла отбирались с глубины 3 м.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1–3 показано распределение на полигоне показателя ослабления света, глубины видимости белого диска и концентрации хлорофилла.

Рис. 1.

Распределение показателя ослабления ε(426) × 10³, м^–1 на глубине 3 м.

Рис. 2.

Распределение глубины видимости белого диска Z_б, м.

Рис. 3.

Распределение концентрации хлорофилла С_хл, мг м^–3 на глубине 3 м.

Карта распределения показателя ослабления построена для длины волны 426 нм. Такая длина волны выбрана исходя из того, что в крайней синей части спектра на изменчивость показателя ослабления наибольшее влияние оказывает растворенное органическое вещество. С увеличением длины волны его влияние на показатель ослабления быстро убывает по экспоненциальному закону.

Оптические и биологические характеристики на полигоне характеризуются большой пространственной изменчивостью. Минимальные и максимальные величины составили:

ε(426) = 0.104…0.653 (м^–1) для показателя ослабления света;

Z_б = 14…39 (м) для глубины видимости белого диска;

С_хл = 0.02…0.58 (мг м^–3) для концентрации хлорофилла.

В распределении всех биооптических характеристик есть общая закономерность, хорошо наблюдаемая на примере распределения показателя ослабления света (рис. 1). В приэкваториальном и восточном районах наблюдались более высокие показатели ослабления. В центральном, северо-западном и, частично, в западных районах полигона находились воды с низкими величинами показателя ослабления.

Рассмотрим, как распределение биооптических характеристик на полигоне связано с динамикой вод. На рис. 4 показана карта-схема течений на полигоне, составленная начальником отряда гидрологии в 47-м рейсе НИС “Михаил Ломоносов” П.Д. Ломакиным. Так как динамический метод в экваториальной зоне не работает, карта-схема течений на полигоне была построена штурманским методом – по наблюдениям за сносом судна течениями. Она полностью согласуется с картой течений в части полигона без экваториальной зоны, построенной по расчетам динамическим методом [2]. Представленная на рис. 4 схема крупномасштабных течений является типичной для летнего периода в тропических водах Атлантического океана [14], и в многолетнем плане она устойчива (рис. 5). Например, такая схема течений наблюдалась и летом 1988 г. в работе [1]. На рис. 5 показана среднемноголетняя схема крупномасштабных течений по данным [12].

Рис. 4.

Схема течений на полигоне. СПТ – Северное пассатное течение, ЮПТ – Южное пассатное течение, МПТ – Межпассатное противотечение, ТЛ – течение Ломоносова. ⊕ – подъем вод, ⊖ – опускание вод.

Рис. 5.

Скорость (цветовая шкала, м/с) и направление геострофических течений (август месяц). Осредненные расчетные значения по данным спутниковых альтиметрических измерений за 1993–2015 гг. [12]

Согласно рис. 4, северная часть полигона находилась под действием Северного пассатного течения (CПТ). В районе 28°–31° западной долготы в СПТ образовался антициклонический вихрь. В южной части полигона проходило Южное пассатное течение (ЮПТ). На экваторе в ЮПТ наблюдалась дивергенция его потоков, обусловленная изменением направления действия силы Кориолиса, отклоняющим течения вправо в Северном полушарии и влево – в Южном.

В полосе 6°–9° с.ш. через полигон проходило Межпассатное противотечение (МПТ). В районе 25° з.д. в МПТ наблюдалась его конвергенция, восточнее 23° з.д. – его дивергенция: оно разделялось на три ветви, уходящие в северном, северо-восточном и юго-восточном направлениях. Около 32° з.д. от МПТ отходила небольшая южная ветвь.

В центральной части полигона между течениями МПТ и ЮПТ в полосе ≈2°–6° с.ш. образовался антициклонический круговорот. В юго-западной части полигона в районе экватора на поверхность выходило подповерхностное течение Ломоносова (ТЛ) [13].

Главным фактором в динамике вод, влияющим на их оптические и биологические характеристики, является их вертикальное движение – подъемы и опускания. В районах подъема вод происходит вынос из глубинных слоев в поверхностную эвфотическую зону биогенных веществ, способствующих развитию фитопланктона и увеличению его численности. В районах опускания вод в поверхностных слоях содержание биогенных элементов незначительно и развитие фитопланктона затруднено, численность его мала. Соответственно с численностью фитопланктона в районах подъема и опускания вод изменяются концентрации хлорофилла и показатели прозрачности воды – показатель ослабления света ε и глубина видимости белого диска Z_б. Подъем вод происходит при циклоническом характере течений и в районах их дивергенции, опускание вод – в антициклонических течениях и в районах их конвергенции.

Характер течений на полигоне (рис. 4) показывает наличие на нем районов подъема и опускания вод. Районы подъема вод: дивергенция Южного пассатного течения на экваторе, дивергенция Межпассатного противотечения в его восточной части. Районы опускания вод: антициклонический круговорот в центральной части полигона, конвергенция вод в Межпассатном противотечении в районе 25° з.д., антициклоническая завихренность в Северном пассатном течении в районе 28°–31° з.д., конвергенция южной ветви Межпассатного противотечения с северной ветвью Южного пассатного течения в районе 31° з.д.

Сопоставление распределений биоооптических характеристик с картой течений показывает, что в указанных районах подъема и опускания вод наблюдаются их соответствующие изменения: в районах подъема величины ε, С_хл возрастают, а Z_б уменьшается, и наоборот, в районах опускания величины ε, С_хл уменьшаются, а Z_б возрастает.

В табл. 1 приведены наблюдаемые на полигоне биооптические характеристики в районах подъема и опускания, а также в районах с нейтральной вертикальной динамикой вод.

Оценка трофности вод на полигоне была выполнена по распределению концентрации хлорофилла (рис. 3). Использовалась таблица из работы [15], в которой мезотрофные воды были разбиты нами на два типа: мезотрофные 1 и мезотрофные 2 (табл. 2). Трофность вод разного типа на полигоне составила: 84% – мезотрофные воды 1-го типа, 1% – мезотрофные воды 2-го типа (на экваторе), 15% – олиготрофные воды. Эвтрофных вод на полигоне не наблюдалось.

В табл. 3 и на рис. 6 приведены спектральные распределения показателя ослабления света в водах разных динамических структур полигона, указанных в табл. 1. Для сравнения на рисунке представлено спектральное распределение показателя ослабления света для чистой морской воды [4].

Рис. 6.

Спектральное распределение показателя ослабления света в районах полигона с разной динамикой вод. Номер спектра соответствует номеру района в табл. 3.

В работе [3] приведены данные о концентрации хлорофилла в субтропических и тропических водах Атлантического океана в период октябрь– ноябрь 2002 г. В районе полигона наблюдения были выполнены на разрезе по 20° з.д. в трех точках: 10°, 5°, 1° с.ш. На рис. 7 показаны концентрации хлорофилла на 20° з.д. по данным [3]. Для сравнения на том же рисунке показано распределение концентрации хлорофилла на разрезе по 20.5° з.д., который был выполнен в 47-м рейсе НИС “Михаил Ломоносов” в июле 1986 г.

Рис. 7.

Распределение биооптических характеристик: на разрезе по 20° з.д. осенью 2002 г. – концентрация хлорофилла С_хл × 100, мг м^–3 (красные квадраты); на разрезе по 20.5° з.д. летом 1986 г. – концентрация хлорофилла С_хл × 100, мг м^–3 (черные круги) и глубина видимости белого диска Z_б, м (зеленые треугольники).

В 2002 г. на 20° з.д. концентрация хлорофилла изменялась в пределах 0.14…0.20 мг м^–3, что соответствует водам мезотрофного уровня 1-го типа (табл. 3). По данным наблюдений в 1986 г., на разрезе по 20.5° з.д. концентрация хлорофилла изменялась в пределах 0.02…0.37 мг м^–3. То есть кроме мезотрофных вод имелись и олиготрофные воды.

Следует сказать, что, как видно из рис. 7, пространственные размеры олиготрофных вод, наблюдавшихся в 1986 г., составляют 2°–3° по широте, и при расстояниях на разрезе между станциями в 4° и 5° в 2002 г. такие воды могли быть не зафиксированы. Поэтому приводимые данные о временнóй изменчивости С_хл в данном районе тропического полигона могут быть приняты только как ориентировочные.

С 1997 г. доступны данные дистанционного зондирования оптического сканера SeaWiFS, а с 2003 г. – сканера MODIS-Aqua. Сопоставление со спутниковыми данными MODIS-Aqua за июль– сентябрь 2003 г. (рис. 8) показывает, что на исследуемом полигоне в летне-осенний период в среднем также преобладают воды мезотрофного уровня 1-го типа (табл. 3). Олиготрофные воды наблюдаются на незначительной части полигона. Концентрация хлорофилла изменяется в пределах 0.08…0.50 мг м^–3. Повышенные значения в распределении концентрации хлорофилла (рис. 8) наблюдаются в тех же районах, что и на рис. 3 для натурных данных, и соответствуют областям подъема вод. Аналогичная биооптическая ситуация на исследуемом полигоне наблюдается по спутниковым данным в летне-осенний период и в другие годы.

Рис. 8.

Концентрация хлорофилла (мг м^–3), осредненная по данным сканера MODIS-Aqua за июль– сентябрь 2003 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Установлена связь пространственного распределения биооптических характеристик вод на крупномасштабном полигоне в восточной части северной тропической зоны Атлантического океана летом 1986 г. с динамикой вод. Получены данные о биооптических характеристиках вод в основных динамических структурах на полигоне: районах подъема вод, опускания вод и в районах с нейтральной вертикальной динамикой. По продуктивности 85% вод полигона относились к мезотрофному типу и 15% – к олиготрофному. Приведены сравнительные оценки продуктивности вод в восточной части полигона по наблюдениям летом 1986 г., осенью 2002 г. и летом–осенью 2003 г. по данным дистанционного зондирования.

Источник финансирования. Работа выполнена в рамках государственного задания по темам № 0555-2021-0003 “Оперативная океанология”, № 0555-2021-0005 “Прибрежные исследования”.