Океанология, 2023, T. 63, № 4, стр. 576-589

2.1. CTD/LADCP-зондирования

CTD-зондирования выполнялись с помощью зонда SBE 19 plus SEACAT фирмы SeaBird, предназначенного для работы на глубинах до 6800 м. Прибор позволяет получить вертикальный профиль температуры и электропроводности. На основе этих физических величин рассчитываются глубина, потенциальная температура, соленость, потенциальная плотность и другие необходимые параметры. SBE 19 plus работал непрерывно, со скоростью четыре сканирования в секунду (4 Hz).

Параллельно с CTD-зондом для измерения вертикального профиля скоростей использовался погружной акустический доплеровский профилограф течений LADCP модели Workhorse Sentinel 300 kHz. Прибор работал в погружном режиме (lowered), в режимах “bottom track” и “water track”. В режиме “water track” прибор измеряет скорость движения воды относительно прибора по сигналу, испускаемому на рабочей частоте с некоторой дискретностью по времени. В режиме “bottom track” измеритель автоматически определяет положение прибора относительно дна на расстоянии до 300 м по дополнительному импульсу, испускаемому на вдвое меньшей частоте и с большей дискретностью по времени. CTD/LADCP-зонды монтировались на один комплекс SBE 32 Carousel Water Sampler (розетту). Профили температуры, солености и скорости течения получаются параллельно за одно зондирование.

2.2. Автономные буйковые заякоренные станции

Буйковые заякоренные станции были оснащены измерителями течений и серией датчиков температуры на тросе, натянутом между якорем на дне и глубоководной плавучестью. Измерения течений велись автономно с интервалом от 10 мин до 2 ч. Так как это долговременные станции, то полученные данные дают возможность анализировать изменения, происходившие в водных массах за все время работы станций.

Оба способа измерений имеют свои преимущества и недостатки. В целом, отдельные зондирования позволяют относительно быстро получать информацию о пространственной структуре придонного потока в определенном районе. Автономные заякоренные станции позволяют исследовать временнýю изменчивость течений. При анализе данных, полученных этими методами, важно понимать ограничения обоих методик. В частности, заякоренные станции отражают изменчивость скорости потока только в отдельно выбранной точке, и таких точек мало. Выбор координат постановки автономных заякоренных станций становится особенно важным в относительно широких проходах, где меандрирование потока может быть трактовано как ослабление или усиление придонного потока. Самая быстрая струя может проходить мимо измерителя течений. Разрез LADCP лучше покрывает пространство, но не дает изменчивости потока во времени. В таких случаях совместное использование данных CTD/LADCP-зондирований и данных автономных станций становится особенно актуальным.

2.3. Используемые данные

В работе используются данные, полученные по пяти CTD/LADCP-зондированиям, выполненным в канале Вима в 2005 г., по пяти CTD/ LADCP-зондированиям, выполненным в 2006 г., и по двум заякоренным станциям, которые работали в этот период в районе выполнения разрезов. Разрезы имеют четкое зональное направление и располагаются перпендикулярно направлению движения потока, поэтому основное значение имеет меридиональная составляющая скорости.

В разломе Романш используются данные с одиночных погружных станций, выполненных в 2013 и в 2014 гг., и с заякоренной станции, координаты которой совпадают с координатами зондирований. Разлом Романш ориентирован с запада на восток. Однако исследуемая седловина находится в районе затока антарктических вод в разлом в его западной части. Поток ААДВ в придонном слое здесь ориентирован меридионально, с юга на север. Следовательно, в данной работе мы будем анализировать меридиональную компоненту измеренной скорости.

В проходе Кейн используются данные погружных и заякоренной станции за 2010 и 2011 гг. Канал имеет направление 330°. Разрезы выполнены перпендикулярно потоку. Для сравнительного анализа измерений были взяты данные с автономных буйковых заякоренных станций и ближайших CTD/LADCP-зондирований.

Для определения потенциальной температуры на буйковых станциях были взяты значения солености, полученные с помощью интерполяции данных CTD-зондирований в точки, соответствующие местоположению датчиков заякоренных станций. Координаты и время проведения измерений представлены в табл. 1, расположения станций показаны на рис. 1. Измерения с судов проводились от поверхности до дна. Схемы буйковых станций показаны на рис. 2.

Рис. 2.

Схемы, координаты, время работы буйковых заякоренных станций в канале Вима, разломе Романш, проходе Кейн. Серыми кругами обозначены элементы плавучести. Цифрой 1 обозначена автономная станция у западного склона канала Вима, цифрой 2 – у восточного. Черными прямоугольниками показаны датчики температуры и акустические профилографы скорости течений, цифрами справа от них указаны горизонты их постановки. Внизу схемы обозначены глубины постановки автономных буйковых станций. Под схемами даны координаты постановки буйковых станций.

3.1. Канал Вима

В канале Вима в 2005 и 2006 гг. были выполнены зональные разрезы по 31°12′ ю.ш. поперек абиссального потока. Распределения потенциальной температуры и меридиональной составляющей скорости течения представлены на рис. 3.

Рис. 3.

Зональные разрезы в канале Вима, выполненные в 2005 (а, в) и 2006 (б, г) гг. На рисунках (а) и (б) показаны распределения потенциальной температуры в °С, на рисунках (в) и (г) – меридиональная составляющая скорости в см/c для 2005 и 2006 гг. соответственно. Жирными горизонтальными черными линиями показаны изотермы 2 и 0.2°С, определяющие слои ААДВ и глубинных вод моря Уэдделла соответственно. Зеленые кружки показывают горизонты, на которых были установлены датчики температуры и измерители скорости течений на заякоренных буйковых станциях (жирные вертикальные линии). Положительные значения меридиональной компоненты соответствуют направлению на север.

На рис. 3а и 3б можно отметить, что наиболее холодные воды, имеющие потенциальную температуру ниже –0.1°С, проходят по дну канала и смещаются к восточному склону канала. Это явление хорошо известно и объясняется влиянием экмановского трения, которое в Южном полушарии смещает воду в придонном слое вправо от основного потока [14, 19 ]. У восточной стенки канала поток холодной воды поднимается до 4250–4300 м в оба года. Однако есть разница в ее распределении в западной части канала. В 2005 г. изотерма –0.1°С доходит до подножия западного склона на глубине 4550 м. В 2006 г. она поднимается выше, примерно до середины западной стенки канала на глубину 4350 м. При этом и в 2005, и в 2006 гг. изотерма, характеризующая границу глубинных вод моря Уэдделла (θ = 0.2°С), располагается у восточной стенки канала Вима на глубине 4200–4250 м и свободно проходит над его западным склоном на глубине 4000 м. Следовательно, объемный перенос этих вод в оба года практически одинаковый, но в 2006 г. средняя потенциальная температура придонного слоя ниже. Изотерма 2°С, которая принята для определения границы ААДВ, проходит, в среднем, на глубине 3500 м. При рассмотрении меридиональной составляющей скорости потока (рис. 3в и 3г) видно, что внутри стенок канала поток движется на север. В 2005 г. есть два ядра скорости: одно находится у западного склона в 50–350 м от дна и распространяется до середины канала, второе ядро, меньших размеров, мощностью 150 м – у восточного склона. Максимальные скорости в этих потоках – 26–27 см/с. В 2006 г. наблюдается только одно ядро скорости, оно начинается у западного склона и охватывает больше половины ширины канала. Ядро приподнято на 100 м от дна, охватывает слой толщиной до 400 м и имеет максимальное значение скорости 34 см/с. На глубинах более 3000 м также видны противотечения, которые частично захватывают ААДВ. В 2005 г. изменение направления движения потока происходит на глубине 3900 м. В 2006 г. изменение направления потока располагается на глубине 3700 м над центральной и восточной частями канала. Максимальные значения скорости в этих потоках располагаются выше изотермы 2°С. В 2005 г. 10–11 см/с – на глубине 3200 м, а в 2006 г. 25 см/с на – глубине 3000 м.

Для определения изменчивости температуры и меридиональной компоненты скорости были построены временны́е ряды измерений на автономных станциях (рис. 4).

Рис. 4.

Временнáя изменчивость температуры (а) и меридиональной компоненты скорости (б). Данные взяты с датчиков автономной заякоренной станции, находящейся у восточного склона канала Вима. Рассматривается период с 01:00 25 октября 2005 г. по 23:00 26 октября 2005 г.; в этот же период проходили измерения на поперечном CTD/LADCP-разрезе. Положительные значения меридиональной компоненты соответствуют направлению на север.

На заякоренной станции измерения выполнялись каждые два часа. Датчики на горизонтах 3077, 3679, 3922 (датчики 6, 5, 4) находятся выше стенок канала. На самом глубоком горизонте (4513 м) за весь рассматриваемый период не было зафиксировано изменений температуры. Возможно, это произошло из-за технического сбоя прибора, или изменения температуры были меньше погрешности прибора. На глубине 4479 м амплитуда колебаний температуры составляла 0.004°С. Самые большие колебания температуры наблюдались на третьем от дна датчике, на глубине 4255 м (верхняя граница канала), и на пятом датчике на глубине 3679 м, в диапазонах 0.135 и 0.137°С соответственно. На горизонте 3922 м (четвертый датчик) амплитуда колебаний достигала 0.072°С, в то время как на самом верхнем горизонте (3077 м) – 0.056°С.

На рис. 4б положительные значения меридиональной компоненты соответствуют направлению на север. Верхние датчики, находящиеся над каналом, показывают направление потока на юг, внутри канала – на север. На горизонтах 4513 и 4479 (самые глубокие датчики) зафиксирована максимальная амплитуда значений V-компоненты в 4 см/с. Третий и пятый датчик показали самые большие амплитуды, 8 и 7 см/с соответственно. На горизонте 3922 – 3 см/с, а на самом верхнем горизонте – 6 см/с.

Можно сделать вывод, что в придонном слое наблюдаются наименьшие колебания как по температуре, так и по скорости. Большие колебания этих значений наблюдаются в зоне высоких градиентов на верхней границе канала и над каналом. По всей видимости, низкие вариации исследуемых характеристик в канале объясняются слабой вертикальной стратификацией вод, а также относительной стабильностью потока ААДВ по сравнению с потоками над каналом.

Сравнение измерений, полученных в ходе CTD/ LADCP-зондирований, с измерениями на заякоренных станциях в 2005 г. в канале Вима показало, что измерения температуры с CTD-зонда практически на всех рассматриваемых горизонтах дают завышение значений (табл. 2).

Наилучшая сходимость значений зафиксирована для придонных измерений у восточного склона на горизонте 4479 м (ΔT = 0.000°С). С уменьшением глубины расхождения в измерениях увеличиваются. На глубине 4255 м расхождения составляют тысячные доли градуса (ΔT = 0.006°С), выше глубины 3900 м и до верхней границы ААДВ они становятся близки к 0.1°С. В точке, находящейся выше изотермы 2°С, над восточным склоном на горизонте 3077 м, разница между данными CTD-зонда и датчика с заякоренной станции уменьшается до 0.06°С. Измерения, проведенные у западного склона, показывают, что в слое ААДВ лучшее схождение данных – у придонных измерений на горизонте 4367 м, но даже тут разница составляет –0.021°С. Это единственное измерение, в котором значения с CTD-зонда меньше по сравнению с датчиком заякоренной станции. Различие на горизонте 4033 м, который также находится в слое Антарктической донной воды, уже равно 0.144°С. На глубине 3255 м (выше изотермы 2°С) расхождения в значениях ΔT становятся меньше и составляют 0.014°С.

Канал Вима имеет меридиональное направление, поэтому V-компонента скорости является основной и должна быть значительно больше U-компоненты. Измерения показали, что это условие практически всегда выполняется, кроме горизонтов 3679 и 3922 м у восточного склона, где U-компонента в 2 раза и более превышает V-компоненту. Это может быть связано с тем, что измерения попали в слой перемешивания двух противоположно направленных потоков. Наибольшие значения меридиональной компоненты скорости зафиксированы на самых близких ко дну горизонтах; это показывают и LADCP, и измерители скорости на заякоренных станциях. Разница между данными скоростей, полученных разными методами, в слое ААДВ увеличивается с уменьшением глубины: от –4 до 6.7 см/с для U-компоненты и от –4.9 до 6 см/с для V-компоненты скорости у восточного склона; от –4.7 до 5.5 см/с и 7.7 до ‒9.5 см/с для U- и V-компонент, соответственно, у западного склона. В точках, находящихся выше 3500 м, т.е. выше слоя ААДВ, разница между значениями компонент скорости уменьшается. Над восточной стенкой канала она принимает значения –4.2 и 4.4 см/с для U- и V-компонент соответственно, над западной стенкой становится равной –2.9 см/с для обеих компонент.

Сравнение данных по температуре, полученных в 2006 г., так же, как и в 2005 г., показывают частое завышение значений с CTD-зондов (табл. 3).

Измерения температуры в восточной и западной частях канала Вима имеют наименьшую разность измеряемых параметров на горизонтах, которые находятся ближе всего ко дну. У восточного склона на горизонте 4255 м разница температур составляет ΔT = –0.029°С. У западного склона на горизонте 4367 м эта разность меньше и составляет ΔT = –0.010°С. В слое ААДВ с уменьшением глубины разница в показаниях приборов увеличивается. У восточного склона, на горизонте 3922 м, она составляет ΔT = 0.044°С, на горизонте 3679 м – уже ΔT = 0.142°С. У западного склона на горизонте 4033 м ΔT = 0.132°С. На горизонтах выше изотермы 2°С расхождения в измерениях уменьшаются и принимают значения ΔT = 0.052°С над восточным склоном (глубина 3077 м) и ΔT = = 0.005°С над западным (глубина 3255 м).

При сравнении компонент скорости видно, что в самых глубоких точках наибольшие расхождения наблюдаются у меридиональной компоненты скорости. В восточной части канала на горизонте 4255 м расхождение составляет –12.1 см/с, в западной части – –7 см/с. С уменьшением глубины эта разница становится меньше. Над восточным склоном на горизонтах 3922 и 3679 м различия составляют –2.3 и 2.3 см/с соответственно. Над западным склоном на глубине 4033 м разница также невелика, ΔV = –2.5 см/с. Зональные компоненты, в отличие от меридиональных, в самых глубоких точках имеют меньшие расхождения в 3.4 см/с у восточной стенки канала и ‒5 см/с у западной. С уменьшением глубины разница в измерениях LADCP и буйковых станций становится в несколько раз больше. В восточной части канала на горизонтах 3922 м ΔU = 19.5 см/с, на 3679 м ΔU = 17.7 см/с. Именно в этих точках по измерениям LADCP и профилографов автономных станций зафиксировано превышение в несколько раз величины меридиональной компоненты скорости над зональной. В западной части на горизонте 4033 м ΔU = –10.1 см/с. Сравнение данных в точках с глубинами меньше 3500 м (выше потока ААДВ) показывает минимальное расхождение примерно в 1 см/с.

В канале Вима в 2005 г. наименьшие абсолютные ошибки температуры и U, V-компонент скорости наблюдаются внутри канала и выше слоя ААДВ. В 2006 г. различия температуры и зональной компоненты скорости распределяются так же, как в 2005 г. Расхождение у меридиональной компоненты скорости минимально над каналом внутри слоя ААДВ.

3.2. Разлом Романш

В разломе Романш в 2013 и 2014 гг. были сделаны серии измерений. В этой работе анализируются данные, полученные с CTD/LADCP на станциях 2513 (2013 г.) и 2537 (2014 г.), выполненных на седловине в западной части разлома. Измерения на этих станциях выполнялись при постановке и поднятии заякоренной буйковой станции. Профили потенциальной температуры, U- и V‑составляющих скорости показаны на рис. 5.

Рис. 5.

Профили потенциальной температуры, полученные с CTD-зондирований на станциях 2513 (красная линия) и 2537 (синяя линия) (а). Сплошными черными линиями отмечены горизонты, на которых были поставлены датчики на заякоренной станции, подписаны их глубины; пунктирной линией ― изотерма потенциальной температуры 2°С. Графики зональной (зеленые линии) и меридиональной (розовые линии) компонент скорости потока и оценки ошибок, выполненные алгоритмом обработки LADCP-данных LDEO (области, выделенные светло-зеленым и светло-розовым цветом), показаны по данным погружного LADCP на станциях 2513 (б) и 2537 (в), выполненных в разломе Романш в 2013 и 2014 гг. соответственно. Положительные значения зональной компоненты соответствуют направлению на восток, положительные значения меридиональной компоненты ― направлению на север.

По профилям потенциальной температуры видно, что ААДВ (θ < 2°С) распространяется в слое от дна до глубины 3750 м, минимальные значения потенциальной температуры у дна составляют 0.52°С. Глубинные воды моря Уэдделла (θ < < 0.2°С) в разлом не доходят (рис. 5а). Этот процесс объясняется перемешиванием донных вод по ходу их распространения на север и наличием орографических барьеров на этом пути.

В верхних слоях разлома Романш антарктические воды движутся медленнее и могут менять направление. Максимальные скорости потока ААДВ наблюдаются в придонном слое, не превышающем 200 м. Происходит резкое увеличение скорости с глубины 4400 до 4600 м. Ниже 4600 м скорости быстро уменьшаются при приближении ко дну (рис. 5б, 5в). Данные, полученные в 2013 г., показали изменения направления меридиональной составляющей скорости на глубине 4350 м с южного на северное. Максимальное значение V-компоненты скорости составляет 39 см/с. В 2014 г. меридиональная составляющая скорости в потоке ААДВ направлена на север и имеет максимальное значение 48 см/с. Зональные составляющие скорости имеют малые значения не только в верхних слоях ААДВ, но и в придонном слое (рис. 5б, 5в).

Для сравнения измерений, полученных в процессе CTD/LADCP-зондирований, и измерений на заякоренных станциях в разломе Романш рассматриваются два горизонта внутри канала (4422 и 4611 м). Оба горизонта находятся в слое ААДВ. Выполнение CTD/LADCP-зондирований совпадало по времени с моментами постановки и поднятия автономной заякоренной станции. На придонном горизонте 4611 м ΔT = 0.03°С, на горизонте 4422 м ΔT = –0.037°С (табл. 4). В 2014 г. на придонном горизонте (4611 м) разница в измерениях составляет 0.015°С, но на горизонте 4422 м она резко увеличивается до 0.183°С.

Самые большие значения компонент скорости и в 2013 и в 2014 гг. зафиксированы на наиболее глубоком горизонте (4611 м). В 2013 г. несоответствия между двумя методами измерения скорости увеличиваются с уменьшением глубины. На горизонте 4611 м ΔU = 3.3 см/с и ΔV = –9.8 см/с, к глубине 4422 м эти значения увеличиваются до ΔU = 17.7 см/с и ΔV = –10.2 см/с. В 2014 г. эти несоответствия становятся существенно меньшими. На придонном горизонте ΔV = 0.9 см/с, а на горизонте 4422 м ΔV = –2.8 см/с. Расхождения в измерениях зональной компоненты становятся меньше с увеличением расстояния от дна (от –6.9 до –3.1 см/с).

3.3. Проход Кейн

В проходе Кейн в 2010 и 2011 гг. были проведены прямые измерения термохалинной структуры вод и скоростей течений (рис. 6).

Рис. 6.

Разрезы в проходе Кейн, выполненные в 2010 (а, в) и 2011 (б, г) гг. На рисунках (а) и (б) показано распределение потенциальной температуры в °С, на рисунках (в) и (г) – скорости потока в см/c для 2010 и 2011 гг. соответственно. Положительные скорости имеют направления вдоль прохода (330°). Обозначения на рисунке аналогичны рис. 3.

Распределение потенциальной температуры в проходе Кейн говорит о том, что слой ААДВ в этом районе имеет толщину более 500 м, изотерма 2°С находится на глубине 4000 м в 2010 г. и на глубине 3800–3900 м в 2011 г. При анализе скорости движения потока водной массы в проходе Кейн видно, что в разные годы она имеет противоположные направления. В 2010 г. наблюдались два ядра скорости, направленные в сторону котловины Зеленого мыса. У западного склона ядро имеет максимальную скорость 12 см/с, у восточного склона – 10 см/с. Максимальные значения скоростей наблюдаются в придонном слое. Между этими потоками находится струя, которая имеет противоположное направление. Изменение направления потока происходит на глубине 4300 м, а максимальные скорости зафиксированы на глубине 4000 м, что соответствует верхней границе ААДВ. В 2011 г. наблюдается совсем небольшая струя, направленная в сторону котловины Зеленого мыса у восточного склона; ее вертикальный размер составляет около 100 м, максимальные скорости – 5 см/с. Основная водная масса имеет противоположное направление. Этот поток неоднороден по скорости, значения в нем меняются от 0 до 10 см/с.

В проходе Кейн заякоренная станция стояла в 2010–2011 гг. При ее постановке и снятии выполнялись CTD/LADCP-зондирования (табл. 1). Несоответствия в измерениях датчиков температуры на горизонте 4352 м в оба года составляли около 0.01°С. На более глубоком горизонте (4477 м) в 2011 г. расхождение в показаниях датчиков увеличилось до ΔT = –0.023°С (табл. 5).

В 2010 г. на горизонте 4352 м разница в измерениях меридиональной компоненты скорости составляла 8.1 см/с, а зональной – –7.6 см/с. По данным 2011 г. можно сказать, что с уменьшением глубины ΔU и ΔV увеличиваются. ΔU изменяется с –0.7 до 8.9 см/с, ΔV – с 7 до 9.3 см/с.