Мезомасштабные вихри над шельфом и материковым склоном и их влияние на формирование гидрохимической структуры Охотского моря
Известно, что фронтальные и вихревые образования играют важную роль в передаче энергии движения вод и изменчивости гидрофизических и гидрохимических полей по каскаду масштабов в океане (Федоров, 1983 Wood, 1980). Причем осознание того факта, что океанические вихри причинно-следственно взаимосвязаны с фронтогенезом, явилось серьезным шагом вперед в процессе понимания общих законов функционирования морских экосистем.
Мезомасштабный океанический вихрь, локализованный в основном термоклине, создает в этом зонально-неоднородном слое горизонтальную адвекцию вод с различной температурой, что в результате приводит к обострению температурных градиентов и формированию фронтов на периферии вихря (Федоров, 1983).
При современных исследованиях на фронтальных разделах все чаще удается обнаружить циклонические вихри небольшого масштаба (20 - 40 км). В частности, такие вихри наблюдали летом на шельфовых полигонах вокруг Европы (Pingree, 1978). Они возникают и разрушаются в течение 3-4 сут, перемещаясь за это время вдоль фронта со скоростью 2 см/с.
В 1992 и 1993 гг. на шельфе Сахалина проведены съемки, которые позволили на фоне крупномасштабных элементов циркуляции и гидрохимической структуры выявить их мезо- и микромасштабные особенности. Работы осуществлялись на научно-исследовательском судне "Академик Александр Несмеянов" в ходе комплексных исследований Охотского и Берингова морей. Схема станций, выполненных в этих рейсах, описание используемых приборов, методик и определяемых параметров представлены в информационном сообщении (Аникиев и др., 1993).
Данные, полученные в результате детальных съемок в районах Пильтунского и Луньского месторождений нефти и газа, позволили выявить систему сопряженных вихрей на шельфе и понять особенности биогидрохимических процессов, формирующих первичную продукцию в этой зоне. Представленные на рис.1 - 3 схема геострофических течений, карты распределения гидрохимических параметров и соответствующие разрезы построены на основании результатов съемки на Пильтунском полигоне 6 - 7 августа 1992 г.
Схема геострофических течений (см. рис.1.а) построена на основании расчетов динамическим методом относительно поверхности 200 дб. Известно, что динамический метод применительно к малым глубинам дает существенные погрешности. Тем не менее полученная качественная картина, за исключением прибрежной мелководной зоны, весьма детально характеризует основные черты мезомасштабной динамики вод на шельфе Сахалина.
В рассматриваемый период поверхностные воды прибрежного мелководья в 12-мильной зоне характеризуются пониженными температурами (2-3"С) и недонасыщением растворенным кислородом (95-98%; рис.1, б, в). Вместе с тем, они отличаются высоким содержанием фосфатов (1,4 -1,5 рM), нитратов (13 - 14 рM) и кремнекислоты (16-17 шM: см.рис.1, г-e). Мористее, на границе мелководной части шельфа (80 - 100 м), концентрации биогенных злементов заметно уменьшаются: нитратов в 6-7 раз, фосфатов и кремния в 4 раза и более. Одновременно в 1,7 раза увеличивается содержание органического азота и фосфора (с 13 до 22 и с 0,7 до 1,2 шM соответственно, см. рис.1, ж,з). При этом насыщение поверхностных вод растворенным кислородом возрастает до 140%. Все это свидетельствует о высокой продукционной активности в данном районе, обеспеченной поступлением питательных веществ из придонных слоев и достаточной инсоляцией.
Характер распределения биогенов в поверхностном слое зависит не только от гидродинамических особенностей водной толщи. Здесь в значительной степени сказываются биотические факторы и процессы термодинамического взаимодействия атмосферы и моря, Поэтому AHHIe H3мерений гидрохимических параметров в поверхностных горизонтах отображают более устойчивые крупномасштабные динамические структуры и только в отдельных случаях - мезомасштаб
В подповерхностных слоях основную роль играют особенности циркуляции водных масс, в том числе мезомасштабные. Подтверждением этому служат карты распределения кислорода и биогеновна горизонте 20 м (см. рис.2), где хорошо видно, что изменение их концентрации происходит неравномерно по мере удаления от берега. Характер этих изменений определяется системой мезомасштабных вихрей противоположного знака (см. рис.1,a). Циклонические вихри, в которых происходит подъем холодных, богатых биогенами вод распологались ближе к берегу, над глубинами 40 - 140 м, в свою очередь, антициклонический вихрь наблюдался над примыкающей к материковому склону более глубоководной зоной восточносахалинского шельфа (70 - 170 м). Воды, вовлекаемые в этот круговорот, характеризуются пониженным содержанием минеральных формазота, фосфора и кремния при более высоких концентрациях их органических форм и растворенного кислорода.
Размеры этих вихревых образований составляли 20 - 25 км, что полностью соответствует данным, представленным в работе Пингри (Pengree, 1978).
Вертикальное распределение гидрохимических параметров позволяет уточнить качественную схему циркуляции вод. На разрезе, расположенном перпендикулярно к берегу (см. рис.3, а-з), xoрошо видно, что в придонных слоях над шельфом происходит подъем холодных, недонасыщенных кислородом и обогащенных азотом, фосфором и кремнием вод холодного промежуточного слоя (ХПС). Поднявшиеся к поверхности воды под воздействием сгонных ветров и течений, в том числе вихревого характера, относятся от берега и прогреваются. По мере формирования термоклина и развития термохалинной стратификации начинает возрастать скорость фотосинтеза. Результаты этих процессов наиболее отчетливо прослеживаются в центре антициклонического круговорота, где аккумулируются и заглубляются воды из близлежащих областей. Здесь концентрации биогенов снижаются до минимальных значений, а содержание кислорода и органических веществ достигает относительного максимума. В более мористых и глубоководных зонах содержание биогенов и растворенного кислорода при тех же пространственных масштабах изменяется незначительно. Заметно лишь уменьшение концентраций органических форм азота и фосфора, связанное, по-видимому, с деструкционными процессами.
Следует отметить, что влияние циклонических вихрей прослеживается практически до дна, тогда как антициклонический вихрь выражен гораздо слабее. Однако, на наш взгляд, именно в антициклонических круговоротах продукционно-деструкционные процессы достигают максимальной интенсивности. Более того, эти динамические образования благодаря аккумулирующему эффекту ограничивают распространение водных масс из зон прибрежного апвеллинга воткрытое море; при этом линию, направленную вдоль линий тока на картах микромасштабной геострофической циркуляции и соединяющую мористые периферии соседних антициклонических вихрей, можно рассматривать как границу прибрежной зоны повышенной биологической продуктивности. И наконец, именно антициклонические круговороты, по крайней мере в летний период, служат своеобразным механизмом "закачки" веществ органического происхождения внижележащие слои, способствуя развитию гетеротрофов (бактерий, простейших) на детрите и созданию второго источника пищи для тонких фильтраторов.
Схема вертикальной циркуляции на шельфе в зоне действия вихревых образований, составленная на основе данного анализа, представлена на врезкe рис. 3, а
Следует обратить внимание на специфическую картину вертикального распределения аммония, а также органических соединений азота и фосфора. Непосредственно под термоклином в слое от 30-40 до 70-80 м наблюдается максимум аммонийного азота и минимум органических азота и фосфора. Описанная картина распределения этих веществ характерна как для слабого апвеллинга, так и для интенсивного подьема вод в прибрежной зоне (см. рис.3,4). Более того, анализ вертикального распределения гидрохимических параметров в глубоководных районах Охотского и Берингова морей в упомянутых выше рейсах (Аникиев и др. 1993; Сапожников, 1994) позволяет утверждать, что замеченная закономерность чередования экстремумов аммонийного азота, органического азота и органического фосфора является общим свойством океанских вод и скорее всего связана с последовательностью трансформации соединений азота и фосфора при разложении сестона (Рудяков, Сапожников, Агатова, 1984; Сапожников, Рудяков, Агатова, 1984), а также с суточными миграциями зоопланктона. Вместе с тем глубже слоя с минимальным содержанием органических форм азота и фосфора, на горизонтах более 100 м, наблюдается повышение концентраций этих веществ с образованием промежуточного слоя максимума. Этот слой в ряде случаев отчетливо прослеживается на протяжении до 200 км от берега и более. Причем наибольшие значения концентраций, зачастую соизмеримые с величинами в поверхностных слоях, отмечаются вблизи склоновой части шельфа. Трудно предположить, что столь значительный запас азота и фосфора органического происхождения формируется в заглубленных слоях только за счет конвективного перемешивания, тем более, что максимальные концентрации "тяготеют" к зонам активности прибрежных антициклонических вихрей. Можно полагать, что роль вихревых образований в перераспределении веществ чрезвычайно важна не только нашельфе, но и в прилегающих к нему районах.
Съемка, проведенная летом 1993 г., носила более крупномасштабный характер, чем в аналогичный сезон 1992 г. и поэтому отчетливо выраженные вихревые образования в прибрежной зоне не были выявлены, однако в распределении кислорода и биогенов наблюдалась сходная картина, У берега в поверхностном слое недонасыщенные кислородом воды практически не прослеживались, а концентрации нитратов (8,0 рM), фосфатов (1,0pIM) и кремнекислоты (5,0 ц.М.) были несколько ниже, чем в 1992 г. В результате над глубоководной частью шельфа пересыщение воды кислородом достигает лишь 120%, а концентрации органических форм азота и фосфора даже падают. В данном случае можно предположить, что интенсивность апвеллинга на прибрежном мел
наиболее благоприятные условия для развития основной массы фитопланктона. Тем не менее распределение гидрохимических характеристик на одном из разрезов в районе Луньского месторождения, выполненном с повышенной частотой расположения станций (рис.4), свидетельствует о качественнои идентичности процессов, протекающих на шельфе Сахалина в различные годы. Некоторые количественные отличия, очевидно, обусловлены совокупностью региональных и сезонных особенностей в период наблюдений.
Можно, например, предположить, что в периоды осенне-зимнего охлаждения, по крайней мередо момента разрушения сезонного термоклина интенсивность циклогенезабудет ослаблена благодаря конвекции, препятствующей подъему глубинных вод к поверхности. В то же время "мощность" антициклонов будет возрастать, оказывая существенное влияние на формирование ХПС с повышенным содержанием растворенного кислорода.
Для уточнения представленных результатов и высказанных предположений необходимы дополнительные тщательно спланированные исследования. Тем не менее важнейшая роль вихревых образований в формировании районов повышенной биологической продуктивности на шельфе не вызывает сомнений (Сапожников, 1993).
На основании полученных данных нами была предпринята попытка оценить интенсивность первичной продукции органического вещества фитопланктоном за счет потребления фосфатов, нитратов и кремния, а также по увеличению концентраций растворенного кислорода и органических форм азота и фосфора.
Применяя метод Вейхарта [Weichart, 1980], предложенный для Канарского апвеллинга, можно оценить скорость потребления биогенов, считая, что прогрев верхнего 10-метрового перемешанного слоя происходит со скоростью 0,2"C в сутки при разнице температуры воды (3°C) и воздуха (18°С), равной 15°C. В нашем случае от момента подъема воды в поверхностный слой и до ее опускания в зоне антициклонических круговоротов проходит 10 сут, так как температура воды на этом пространственно-временном отрезке повышается от 3 до 5"С. Одновременно происходит уменьшение содержания биогенов, сопровождающееся ростом концентраций кислорода и продуцируемых органических веществ. С учетом изложенного и был выполнен расчет интенсивности первичной продукции, результаты которого представлены в таблице.
Первичная продукция в слое 0-10 м на шельфе о.Сахалин летом 1992 г. рассчитанная по изменению концентраций растворенного кислорода (мл/л), мниеральных норганических веществ (цМ)
Весьма удовлетворительное совпадение полученных величин свидетельствует о правомерности использования данного подхода к оценке первичной продукции в море. Отличия, очевидно, обусловлены неучетом отдельных факторов.
На наш взгляд, значения, полученные по потреблению минеральных формазота и фосфора, в наибольшей степени соответствуют истинной величине продукции. В данном случае низкая температура воды и короткий срок потребления позволяют пренебречь учетом возврата биогенов в звфотический слой за счет регенерации.
Расчет по приросту содержания растворенного кислорода дал несколько меньшую величину, что вполне объяснимо, так как при пересыщении поверхностного слоя (120 - 140%) некоторая часть кислорода неизбежно "уходит" в атмосферу. В свою очередь, заниженная величина первичной продукции по потреблению кремния, вероятно, обусловлена сезонным фактором. В августеизменяется состав биоценоза, и диатомовые (основные потребители соединений кремния) уже не составляют столь значительную часть фитопланктона, как в период весеннего цветения, когда их содержание превышает 95% от суммарной биомассы.
Минимальные значения продукции, рассчитанные по увеличению содержания органических форм азота и фосфора, очевидно, связаны с изъятием этих веществ из короткого цикла регенерации на уровне первичного продуцирования и их вовлечением в многоступенчатый и длительный процесс перераспределения по различным звеньям трофической цепи - от фитопланктона до ихтиофауны и ее потребителей.
Полученные расчетные величины первичной продукции, 0,64—0,96 г C/(м2 - сут) весьма велики для климаксного состояния сообществ фитопланктона в августе и представляют собой так называемую new продукцию, которая практически целиком передается в высшие звенья пищевой цепи. Вместе с тем можно предположить, что часть биогенных элементов все-таки успевает регенерироваться, а, следовательно, реальные величины первичной продукции будут несколько BELL62,
А.К.Грузевич, Н.В.Аржанова, В.В.Сапожников
Смотрите также
