Океанология, 2023, T. 63, № 4, стр. 526-538

Собственные измерения

В ходе рейса АМК79 [19] в проливе было выполнено 13 станций, образующих три разреза – два продольных и один поперечный (табл. 1). Измерения проводись 3 и 13–14 февраля 2020 г. Работы велись с помощью зонда SBE 9plus опускаемого на кабель-тросе и измеряющего вертикальное распределение температуры, электрической проводимости и прозрачности морской воды от поверхности до дна. Зондирующий комплекс укомплектован высокоточным температурно скомпенсированным датчиком давления (Digiquartz pressure sensor 410K), имеющим точность 0.015% на полный диапазон измерения (0–69 Mpa), стабильность 0.018% в год от полной шкалы, постоянную времени 0.015 с., двумя дублирующими датчиками температуры (модели SBE 3plus), имеющими диапазон измерения от –5 до 35°С, первоначальную точность 0.001°С, среднюю стабильность 0.002°С/год, постоянную датчика по времени от 0.065 до 0.07 с, в зависимости от скорости погружения прибора, разрешение 0.0002°С, при частоте опроса 24 Гц. Два дублирующих датчика электропроводности (модели SBE 4С) конструктивно выполнены таким образом, чтобы работать синхронно в паре с температурными датчиками. Их основные характеристики – диапазон измерения от 0 до 7 сименс/м, первоначальная точность 0.0003 сименс/м, средняя стабильность 0.004 сименс/м год, разрешение 0.00004 сименс/м, постоянную датчика по времени 0.065 с.

В ходе рейса АМК87 [2, 3] в течение суток с 27 января по 28 января 2022 г. (табл. 1) в проливе Антарктика было выполнено 9 гидрофизических станций, образующих два разреза – продольный и поперечный. Работы велись с помощью зонда Idronaut OCEAN SEVEN 320Plus опускаемого на кабель-тросе и измеряющего вертикальное распределение температуры, электрической проводимости и прозрачности морской воды от поверхности до дна. Прибор представляет из себя особоточный зонд серии WOCE, снабженный парой совмещенных C/T датчиков (электрод для измерения температуры и ячейка для измерения электропроводности, расположенные в одном корпусе). Для обеспечения постоянного потока воды через эти датчики на приборе установлена помпа SBE 5T. Зондирующий комплекс укомплектован высокоточным температурно скомпенсированным датчиком давления (PA-10X), имеющим точность 0.01% и разрешение 0.002% на полный диапазон измерения (0–100 Mpa), двумя дублирующими датчиками температуры, имеющими диапазон измерения от –5 до 45°С, первоначальную точность 0.001°С, разрешение 0.0001°С. Два дублирующих датчика электропроводности имеют диапазон измерения от 0 до 7 сименс/м, первоначальная точность 0.0001 сименс/м, разрешение 0.00001 сименс/м.

Данные автономных датчиков

Наибольшее количество данных в изучаемом районе представлено базой MEOP. Датчики рассчитаны на глубины до 2000 м, имеют разрешение 0.005°C по температуре и 0.00004 сименс/м по электропроводности. Точность измерений составляет 0.02°C и 0.03 епс [26]. Измерение происходит при погружении животного на глубину больше 100 м, координаты погружения фиксируются при возвращении на поверхность, что дает погрешность до нескольких километров относительно реального местоположения измерений, что объясняет расположение некоторых измерений на суше. Такая система дает возможность получить серию измерений в ограниченном районе за короткий период времени, а также проследить за перемещениями отдельного или нескольких животных. Малое количество литературных данных не дает возможность проверить точность полученных измерений для исследуемого района, однако согласно [21] для южного сектора Индийского океана данные MEOP хорошо совпадают с данными судовых наблюдений.

Всего в данной работе было проанализировано 495 профилей, большинство из них приходится на март–август 2010 г., что дает возможность проследить за изменениями термохалинных характеристик вод в зимний период. Массив данных имеется и для 2014 г., но уже за летний период и преимущественно в южной части пролива. Многие профили располагаются на границе пролива Антарктика или даже за ней, но как будет показано далее их структура аналогична таковой в проливе, а большое количество измерений дает возможность проследить изменения на более продолжительном интервале времени. Распределение профилей по пространству и времени представлено на рис. 1 и 2.

Рис. 2.

Распределение профилей, содержащих значения температуры и солености по времени: (а) по годам; (б) по времени года. Желтые бары показывают данные WOD, синие бары – данные MEOP. Зимние данные почти полностью представлены только автономными наблюдениями MEOP; многолетние тренды температуры и солености наоборот, могут исследоваться только на основе CTD-данных WOD.

Открытые данные CTD-измерений

Дополнительно использованы открытые данные судовых из базы данных WOD. Точность измерений находится в пределах 0.001–0.0058°C для температуры и 0.003–0.02 епс для солености [5]. В базе данных WOD имеется 43 профиля в изучаемом районе, из них только 20 входят в полноценные разрезы – 10 в марте 1991 г. и 10 в феврале 1998 г. Распределение профилей по пространству и времени представлено на рис. 1 и 2.

Пространственное распределение гидрофизических параметров в проливе

Продольный разрез 2022 г. (рис. 3в, 3г) характеризовался пониженными значениями солености и потенциальной температуры в средней и – в большей степени – южной частях. Такое распределение отличалось от среднегодового баланса – как правило холодные и соленые воды моря Уэдделла находятся в глубоководной части пролива, а более теплые и пресные воды пролива Брансфилда – в мелководной части. Причина заключалась в активном таянии льда в южной части пролива Антарктика и прилежащем к нему районе моря Уэдделла. Наибольшее опреснение наблюдалось на крайней южной точке разреза: от 34.35–34.40 епс в верхнем слое до 34.50 епс на 150 м. Глубже изменение солености незначительно, потенциальная температура плавно понижалась от –0.60 до –1.20°С.

Рис. 3.

Распределение потенциальной температуры (а, в) и солености (б, г) на поперечном и продольном разрезах 2022 г. Номера станций указаны над рисунками, положения станций выделены серыми линиями. Шкалы потенциальной температуры и солености одинаковы для обоих разрезов. Рельеф дна показан в соответствии с базой данных GEBCO2021.

Поперечный разрез 2022 г. (рис. 3а, 3б) выявил более сложную структуру вод в проливе. У обоих берегов пролива Антарктика в верхнем стометровом слое наблюдалась пониженная соленость и повышенная потенциальная температура. Также линза опресненных и прогретых вод присутствовала в верхних 20 м на всем разрезе. Исходя из структуры и направления течений [16] можно предположить распространение данных вод с прибрежной западной части пролива в центральную. При этом в восточной части слой теплых вод был мощнее, доходил до глубин 300 м, и не был так сильно опреснен, что может быть связано с потоком из северо-западной части пролива. Распределение термохалинных характеристик глубже 300 м практически однородно, изменения в глубинных слоях от 300 м до дна составляли не более 0.40°С и 0.05 епс.

На продольном разрезе 2020 г. (рис. 4в, 4г) наблюдалась линза опресненных теплых вод, распространяющаяся вдоль всего пролива Антарктика. Наибольшее влияние талых вод отмечено в северной части: значения солености и потенциальной температуры на станции 6623 достигали 34.11 епс и –0.14°С соответственно. Значительные градиенты потенциальной температуры и солености (0.49°С и 0.16 епс на 100 м) прослеживались до дна в мелководной части пролива и до 250 м в глубоководной. Необходимо отметить станцию 6624, где в верхнем слое наблюдался подъем изохалин, что подтверждалось поперечным разрезом (рис. 4а, 4б). Здесь градиенты солености и потенциальной температуры были незначительно больше – 0.54°С и 0.20 епс на 100 м соответственно. Опреснение более равномерно и максимально на самой восточной точке разреза, где соленость минимальна в поверхностном слое со значением 34.16 епс. Изотермы поверхностного слоя имели небольшой наклон в сторону станции 6626, что говорит о большем влиянии талых вод у восточного берега пролива.

Рис. 4.

Распределение потенциальной температуры (а, в, д) и солености (б, г, е) на поперечном и двух продольных разрезах 2020 г. Первые два разреза выполнены в течение одних суток, последний на десять дней позже. Номера станций указаны над рисунками, положения станций выделены серыми линиями. Шкалы потенциальной температуры и солености одинаковы для всех разрезов. Рельеф дна показан в соответствии с базой данных GEBCO2021.

Дополнительный продольный разрез (рис. 4д, 4е) в целом повторял структуру первого, но давал больше информации благодаря станции 6649, которая располагалась на самом выходе из пролива Антарктика в море Уэдделла. На ней наблюдалось сильное поднятие изопикн относительно основной части пролива. Соответственно более плотные воды моря Уэдделла могут заполнять глубоководную часть пролива Антарктика, перетекая в слое 400–800 м.

Сезонная изменчивость гидрофизических параметров в проливе

Сезонная изменчивость термохалинной структуры вод в проливе исследовалась на примере 2010 и 2014 гг., поскольку именно в эти годы были получены подробные автономные измерения в рамках проекта MEOP. Осенне-зимний период 2010 г. (рис. 5а, 5б) характеризовался постепенным повышением солености на 0.30 епс, с 34.30 епс в конце марта до 34.60 епс в августе. При этом за счет мелководности северной части пролива распределение по вертикали было практически однородно. Изменение потенциальной температуры наблюдалось только в начале осеннего периода, достигая значений около –1.86°C в поверхностном слое в конце апреля, после этого не менялось. Указанная потенциальная температура была близка к температуре замерзания морской воды, которая для солености 34.50 епс и атмосферного давления составляет –1.87°C, согласно уравнению EOS80 [11]. Дальнейшее охлаждение идет на образование льдов, что и является основной причиной повышения солености в течение зимнего периода.

Рис. 5.

Распределение потенциальной температуры и солености в зимний период 2010 г. (а, б) и летний период 2014 г. (в, г). На временнóй шкале отмечены середины соответствующих месяцев. Шкалы потенциальной температуры и солености одинаковы для обоих разрезов. Данные взяты из базы MEOP, подробное пространственное и временнóе распределение станций показано на рис. 1, 2.

В свою очередь в весенне-летний период 2014 г. (рис. 5в, 5г) соленость понизилась с 34.60 епс в конце ноября до 34.50 епс в начале февраля. Распределение по вертикали было неоднородно, присутствовали многочисленные интрузии талой воды, все более мощные в январе; опреснение верхнего слоя достигало 34 епс. Схожая картина наблюдалась и в распределении потенциальной температуры – многочисленные струи вод от поверхности до глубин 300 м со значениями от –1 до –1.40°C.

Также необходимо отметить важные моменты времени в годовом ходе потенциальной температуры θ и солености S – период начала сильного охлаждения вод перед дальнейшим образованием льда и период летнего потепления и начала таяния льда. Для детального анализа построены θ,S-кривые по данным, полученным с датчика, установленного на одном животном, и дающее максимальное пространственное распределение по проливу за короткий промежуток времени. В апреле (рис. 6) верхний слой имел меньшую потенциальную температуру и соленость, при этом большинство профилей совпадали друг с другом. Прибрежные районы были больше подвержены влиянию охлаждения. Распределение термохалинных характеристик в декабре (рис. 6) в большей мере зависело от глубины: разница температур между верхним и нижним слоями достигала 1°C, изменения солености были не так значительны по причине постепенного таяния льдов. Однако совпадение кривых в разных точках пролива отличное, отклонения потенциальной температуры и солености не превышали 0.07°C и 0.03 епс и 0.24°C и 0.02 епс для апреля и декабря соответственно, что позволяет говорить об общей временнóй изменчивости структуры вод в переходные сезоны.

Рис. 6.

θ,S-кривые за апрель 2010 г. (левая часть диаграммы) и декабрь 2013 г. (правая часть диаграммы). Расположения станций показаны на соответствующих мини-картах в верхней части рисунка черными точками. Серыми линиями обозначена потенциальная плотность на поверхности моря.

Многолетняя изменчивость гидрофизических параметров в проливе

На рис. 7 представлены θ,S-кривые всех имеющихся гидрофизических профилей в проливе Антарктика за летний период времени. Несмотря на большой разрыв между годами измерений и разными источниками данных, вода в проливе имела схожую структуру. Подавляющее большинство точек расположено вдоль условной прямой от –0.50°C, 34.30 епс к –1.50°C, 34.50 епс. Вертикальная стратификация вод определялась изменениями как температуры, так и солености – поверхностный слой более теплый и опресненный, глубже потенциальная температура понижается, соленость растет. Необходимо отметить особенности структуры вод в 2014 г., когда наблюдалась пониженная температура со значениями ниже –1°C и повышенная соленость со значениями до 34.60 епс. Такое распределение связано как с аномально холодным летом, наблюдавшимся в районе Антарктического полуострова в 2014 г., что отмечено в [10], так и со сравнительно ранним (январь) периодом наблюдений. Также выделялся последний, 2022, год наблюдений (табл. 2). Здесь присутствовала уже отмеченная выше пространственная неоднородность – более соленая и теплая вода распределена по всей толще на северных точках, а на южных точках пролива находился охлажденный опресненный верхний слой. Таким образом на части станций наблюдалась врéменная трехслойная структура вод с промежуточным теплым слоем. Но главная особенность заключалась в значительном потеплении и осолонении вод пролива Антарктика – за исключением верхнего 100-метрового слоя соленость менялась лишь в промежутке 34.50–34.55 епс, а минимальные значения потенциальной температуры не достигали даже –1.25°C. Однако необходимо отметить, что схожих аномалий в прилегающих районах (пролив Брансфилда и море Уэдделла) не наблюдалось.

Рис. 7.

θ,S-диаграмма за разные годы наблюдений в летний период времени в проливе Антарктика. Серыми линиями обозначена потенциальная плотность на поверхности моря.