Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Калий и изменчивость отношения K/Cl в водах системы течений Куросио-Ойясио и экваториальных течениях Индийского океана

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Калий и изменчивость отношения K/Cl в водах системы течений Куросио-Ойясио и экваториальных течениях Индийского океана"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ПРЕЗИДИУМ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО ОТДЕЛЕНИЯ

п ; од

1 6' идя 1305

На правах рукописи

Савченко Виктор Константинович

КАЛИЙ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ ОТНОШЕНИЯ К/С1 В ВОДАХ СИСТЕМЫ ТЕЧЕНИЙ КУРОСИО-ОЙЯСИО И ЭКВАТОРИАЛЬНЫХ ТЕЧЕНИЯХ ИНДИЙСКОГО ОКЕАНА

Специальйость 11.00.08 - океанология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Владивосток - 1995

Работа выполнена в Тихоокеанской Океанологическом институте Дальневосточного отделения Российской академии наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,старо!

научный сотрудник, В.Н.Сойфер

Официальные оппоненты: доктор географических наук, старший

научный сотрудник, А.Д.Нелеэин кандидат химических наук, старший научный сотрудник, П.Я.Тищенко

Ведущая организация: Институт океанологии им.П.П.Ширшова РАН

Защита состоится и го ил 1995 г.

в ^ ® часов на заседании диссертационного совета ДО02.06.09 Президиума Дальневосточного отделения РАН по адресу: 690041 Владивосток, ул.Балтийская,43.

С диссертацией можно ознакомиться в центральной библиотеке Президиума ДВО РАН по адресу: 690022, Владивосток, проспект Столетия Владивостоку, д.159, ДВГИ ДВО РАН. .

Автореферат разослан "10" I1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кадидат географических наук В.Н.Новожилов

7

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акт^альность_проблемы. Калий, который является одним из главных компонентов солевого состава, до 70-х годов считался одним из малоизученных элементов. Это было связано как с аналитическими трудностями, так и невостребованностыэ его в океанологических исследованиях. И только в последние десятилетия, в связи с радиоактивным загрязнением вод океанов и морей и появлением проекта ДШАНД возрос интерес к калию. При изучении радиоактивного загрязнения и в проекте ДШАНД необходимо знание естественного радиоактивного фона, который обусловлен в основном изотопом К40. Концентрация К40 составляет 0,0119 % по весу от общей смеси калия в морской воде. Основные черты этого фона определяются уровнем и пространственно-временными особенностями поля калия в каждом конкретном районе. 3 связи с такими задачами становится очевидным, что для корректной оценки калиевого фона как при физических экспериментах (проект ДЕМАВД), так и при изучении радиоактивного загрязнения следует иметь прямые измерения концентрации калия в морской воде. С учетом этих обстоятельств примерно с этого периода измерения и изучение стабильного калия стало носить более интенсивный характер, что предоставило возможность более объективно и более детально подойти к изучению К/С1 отношения в морской воде, которая является частью фундаментальной общеокеанологической проблемы приблизительного постоянства солевого состава.

На основе первично накопленных знаний по основному составу вод океана (натрия, калия, магния, кальция, хлора, брома, сульфатов) возникло представление о постоянстве ионных отношений в морской воде. Однако современные исследования показали, что при повышении класса точности определений наблюдаются существенные отклонения от принципа постоянства'солевого состава. Связано ли это с процессами неполного перемешивания всей массы океана или с хи-

мическим взаимодействием между различными соединениями главных компонентов раствора с учетом их активности или же состояние раствора определяется совместным действием собственно химических и- гидро-термодинамических взаимодействий, остается пока ещ< не выявленными (Хорн, 1977; Баталии, 1975). Изучение ионного состава и их отношений является само по себе важной задачей в плане понимания химических процессов, происходящих в солевом составе морских и океанических вод. Актуальность такого рода исследований определяется также возрастающей необходимостью решения вопроса о пределах выполнимости закона постоянства солевого состава океана, являющегося одним из фундаментальных в современной химической океанологии. Вопросы эти периодически дис-ску тируются в специальной литературе и все еще далеки от разрешения. Без объективных представлений об основных элементах солевого состава невозможны правильная постановка и решение фундаментальной проблемы "постоянства" солевого состава.

Работы различных авторов по изучению K/CI отношений в основном отражали отдельные фрагменты изменчивости, обусловленные различными процессами: адсорбция калия на детритах, глинистых минералах, пузырьках воздуха, участием калия в биологическом цикле организмов и растений, атмосферные осадки и речной сток, таяние и образование льдов, вулканическая деятельность. Несмотря на чрезвычайно широкий фронт исследований, возникает при это актуальный вопрос: где и когда возможны вариации K/CI отношений в открытой части океанов, где многие выше перечисленные процессы незначительны по сравнению с их влиянием в прибрежных района: морей и океанов. Ответ на этот вопрос следует искать в основном свойстве океана - его динамике, движении вод. Исходя из основного свойства океана можно предположить, что именно циркуляция boj с ее сложными термо.гидродинамическими условиями может являться

связугацим звеном вышеперечисленных процессов, влияющих на концентрацию калия в морской воде. Исследования ионных отношений в экстремальных океанических условиях (течениях, фронтальных и вихревых образованиях) заметно отставали. Все это стало дополнительным стимулом для выбора темы настоящей диссертации.

Цель .работы и основные задачи исследования.. Целью настоящей диссертации является изучение формирования структуры поля калия и отношения К/С1 в условиях струйных течений на примере системы вод Куросио-Ойясио и Экваториальных течений Индийского океана.

Выбор районов системы вод Куросио-Ойясио" с ее сложной термо-халинной структурой, динамикой вод (меандрированием, фронтальными и вихревыми образованиями) наиболее подходит для выполнения поставленной цели. Район экваториальных течений Индийского океана, с его специфическими особенностями и с другой природой, и характером циркуляции, приводится в качестве сравнения с системой вод Куросио--Ойясио с целью выявления общих черт и особенностей структуры поля калия и изменчивости отношения К/С1. Осуществление намеченной цели достигалось решением следующих задач:

1. Модификация потенциометрического метода определения калия в морской воде.

2. Изучение структуры поля калия и отношения К/С1 в условиях взаимодействия вод Куросио-Ойясио в Субарктическом фронте северо-западной части Тихого океана.

3. Изучение структуры поля калия и отношения К/С1 при меанд-рировании и вихреобразовании системы вод Куросио.

4. Изучение структуры поля калия и отношения К/С1 в водах системы экваториальных течений Индийского океана.

Для решения поставленных задач использовались экспериментальные данные по калию (3000 проб), содености, температуре, полученные ав-

тором в экспедициях на НИС "Академик А.Несмеянов" и "Академик А.Виноградов" за период 1983 - 1992 г.г. Значительная часть экс^ периментального материала,привлекавшегося в работе, не представ лена впрямую в связи с ограничением объема диссертации. Приведе: ный материал отражает лишь малую долю фактического материала, и пользовавшегося для анализа и выводов,подученных в данной работ

На защиту выносятся следующие положения:

1. Судовая экспресс-методика определения калия в морской е

2. Изменчивость структуры поля калия и отношения К/С1 в Сз арктическом фронте северо-западной части Тихого океана.

3. Изменчивость структуры поля калия и отношения К/С1 при меандрировании начала Куросио и вихреобразовании к 'востоку от Тайваня.

4. Изменчивость структуры поля калия и отношения К/С1 в а теме экваториальных течений Индийского океана.

5. Общие закономерности и некоторые особенности изменчиво! структуры поля калия и отношения К/С1 в системе течений вод Куросио-Ойясио и экваториальных течениях Индийского океана.

Методы исследования. Калий в морской воде определялся с мощью судовой экспресс-методики, основанной на принципах потен циометрического метода анализа воды (Мидгли, 1980), модифииирс ванного автором диссертации совместно с А.А.Исаевой. Соленост! измерялась методом электропроводности с помощью солемера ГМ-6£ пробы отбирались батометрами БМ-48 и батометрами Нискина. Для выделения течений использовался опубликованный материал по те чениям (атласы, статьи, справочники), а также качественные пр наки, которые широко используются в океанологических исследованиях (термохалинные индексы, Т.й - кривые), для качественно

анализа вертикальных движений использовалась апроксимация Иванова и Неймана (1964). Также при анализе полученных экспериментальных данных использовался метод Т,$-анализа совместно с К,5-кризыми, позволяющий более точно выделять границы различных вод.

На^чная_новизна. Была усовершенствована методика потенцио-метрического определения калия в морской воде, позволяющая производить измерения калия непосредственно после отбора. Усовершенствование было достигнуто следующим образом: использованием прецизионного потенциометра Р-363-1, класса точности 0,001, который на порядок выше используемых в настоящее время в других методиках; системой термостатирования измеряемой пробы в пределах * 0,05°С проточной измерительной ячейки; рядом новшеств методического характера, позволяющих уменьшить погрешность измерений до 0,1 %.

Впервые были получены детальные вертикальные разрезы распределения калия и отношения К/С1 в динамически активных районах, какими являются системы вод Куросио-Ойясио и Экваториальные течения Индийского океана. На основании полученных новых данных о распределении калиевых характеристик по глубине были получены общие закономерности изменчивости калиевых характеристик в различных друг от друга районах. Они заключаются в следующем: наибольшие вариации отношения К/С1 приурочены к поверхностям раздела различных вод; скачкообразное изменение отношения К/С1 (нарушение симбатной зависимости концентрации калия в поле солености) обнаружено при взаимодействии вод различного происхождения; при взаимодействии вод, близких по происхождению, отмечается плавный переход изменчивости отношения К/С1 (сохранение симбатной зависимости концентрации калия от солености). Выявлена основополагающая роль динамических процессов в изменчивости калиевых характеристик.

- б -

Практическая_эначшость_2аботыл Результаты работы и сделанные в ней выводы, обобщения будут весьма полезны для уточнения структуры вод в океанологических исследованиях. Приведенные в работе общие закономерности и некоторые особенности изменчивости калиевых характеристик могут'служить основой для выявления механизма вариаций K/CI в частности и ионных отношений в целом. Изучение изменчивости отношения K/CI с учетом гидродинамической концепции может являться необходимым звеном при постро' ении теории изменчивости ионных отношений в будущем. Использова^ ние калиевых характеристик в океанологических исследованиях могут представлять не только теоретический интерес в плане разработки концепции модели водного раствора с вариациями ионных

4

отношений, но и практический интерес, например для изучения естественного радиоактивного фона, который необходим при изучении радиоактивного загрязнения вод морей и океанов. Изменчивость от' ношения K/CI приводит к дифференциации водной среды на активные периферийные зоны взаимодействия и сравнительно инертные внутренние области водных масс. Учитывание таких зон, по-видимому, мо гут представлять интерес для нужд практического рыболовства, по скольку в активных периферийных зонах активизируются биологичес кие процессы.

Личный_вклад_авто£а. Весь экспериментальный материал, на к тором основана диссертация, получен автором в экспедициях на судах ДВО РАН. Большая часть экспериментального материала была получена совместно с Исаевой A.A. Автором была сконструирована карданная подвеска для использования прецизионного потенциометр в судовых условиях, также система термостатирования пробы, что позволяет проводить измерения калия в пробах морской воды непосредственно сразу после отбора. Кроме того, автор участвовал в

отборе проб морской воды, измерениях калия, солености, обработке результатов измерений, оформлении графического материала. Подбор материалов, расчет и анализ изменчивости калиевых характеристик, течений в исследуемых районах, написание большей части статей и тезисов выполнены по инициативе автора и им лично.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на 1У Всесоюзной конференции "Мировой океан" (1983), на 3-м съезде Советских океанологов (1987), на Российско-Тайваньской конференции (Владивосток, 1993г.), а также на семинарах в научно-исследовательских экспедициях.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 статей и 3 тезисов. Из них две статьи в Докладах академии наук, одна в ВИНИ1И и две статьи в зарубежных журналах, 2 тезисов на Всесоюзных конференциях и одни тезисы доклада на 3-м съезде океанологов. Результаты исследований по калию и изменчивости К/С1 в Субарктическом фронте и Экваториальном районе Индийского океана вошли в результаты "Достижений года" за 1988 год по Академии наук от ДВО АН СССР.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 125 страницах машинописного текста, включает 23 рисунка, 2 таблицы и состоит из введения, четырех глав, выводов, списка цитируемой литературы, представленного 131 названием работ отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности теш, определена цель.и поставлены основные задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость работы, указаны результаты апробации работы.

ГЛАВА I. МЕТОда АНАЛИЗА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЛИН В МОРСКОЙ ВОДЕ

Рассмотрение вопросов стабильности солевого состава морской воды, естественной радиоактивности приводит к необходимости изучения распределения калия в водах морей и океанов. В последние десятилетия большое внимание уделяется развитию различных методов определения концентрации калия в морской воде.

В главе дан обзор методов, используемых для определения калия в морской воде (хлорплатинатного, спектрофотометрическо-го, тетрафенилборатного, радиохимического, гамма-спектрометрического, потенциометрического). На основании приведенного обзора

«

используемых методов делается вывод о целесообразности использования потенциометрического метода определения калия, имеющего преимущества перед другими методами с точки зрения экспресснос-ти, воспроизводимости результатов и применимости его в судовых услоьиях. Приведенные различные методики потенциометрического определения калия с погрешностью определения 1-2 % не позьоля-ют подметить малые вариации калиевых характеристик ( до 3 % ), их использование приводит к потере информации до 60 %. С целью повышения информативности измерений автором,совместно с А.А.Исаевой, была реализована возможность по уменьшению погрешности измерений потенциометрического определения калия в морской воде. Предлагаемая судовая экспресс-методика определения калия в морской воде компенсационного типа отличается от ранее опублико ванных использованием в судовых условиях прецизионного потенциометра класса точности 0.001, который на порядок выше используемых в других методиках, системой регулирования температуры про бы в проточной ячейке, использование^измерительного электрода собственного производства (сделанного по методике Никольского и др.,1974) и самой методикой измерений. Химическая сторона предл

гаемой методики вшолнена А.А.Исаевой.

Основной недостаток использования прецизионного потенциометра Р-363-1 состоит в том, что он не пригоден для проведения измерений в условиях качки. Входящий в потенциометр фотогальванический усилитель и автокомпенсатор должны находиться в горизонтальной плоскости. Для устранения этих недостатков автором была сконструирована карданная подвеска, которая позволила использовать данный потенциометр в судовых условиях. При углах крена до 35° карданная подвеска отрабатывает нуль-горизонт.

Существенную погрешность в потенциометрических измерениях вносит нестабильность температуры измеряемой пробы. Автором также была сконструирована и изготовлена система термостатиро-вания пробы 0,05°С), которая позволяет проводить измерения непосредственно после отбора проб морской воды. *

В главе также подробно изложена судовая экспресс-методика, позволяющая другим исследователям использовать ее для измерения калия в морской воде.

Для контроля правильности работы всей потенциометрической системы использовались три параметра: коэффициент корреляции калибровочных растворов, сходство между экспериментальным и теоретическим значением электродной функции и отклонение концентрации измеренной холостой пробы от заданной погрешности.

Для сравнения воспроизводимости результатов использовался критерий Фишера. Была проведена оценка различия между выборочным средним и средним генеральной совокупности измеренных холостых проб по коэффициенту Стьюдента. В результате проведенной оценки метрологических характеристик установлено, что погрешность измерений предлагаемой методики составила 0,1 % для внутрисерийных измерений и 0,16% для межсерийных измерений, что на порядок выше используемых ранее методик.

ГЛАВА П. ГЕОХИМИЯ ОСНОШЫХ ИСНОВ СОЛЕВОГО СОСТАВА И РОЛЬ ПРИРОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ИЗМЕНЧИВОСТИ КАЛИЕВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК.

Во* второй главе рассматривается происхождение, метаморфиза-ция основного солевого состава океанических вод. Показано, что н протяжении всей геологической истории ионный состав биосферы прс терпевал изменения. Такие изменения ионных отношений обусловлен* не только различными источниками поступления катионов и анионов океанический раствор, но и их различным характером поступления (Виноградов, 1967). Большая часть катионов поступала в океан с речным стоком: они продукты выветривания пород материков. Основ ным источником поступления галогенов (хлора, фтора, брома и др. для биосферы на протяжении всей геологической истории4был вулка низм, причем хлор накапливался в морях и океанах. В далеком про лом преобладание натрия над калием в океанических водах было ещ большим, чем на современном уровне. Основные и ультраосновные п рода, которые были единственными на Земле в тот период, подверг лись разрушению и натрия в них было в десятки раз больше чем ка тогда как сейчас отношение натрия к калию на поверхности Земли близко к единице. Как предполагает Виноградов (1967), нужно баг образовываться глинам, сланцам, гранитам, чтобы создать в буду! концентрированный источник калия. Если накопления натрия в оке, происходили более или менее монотонно до установления обменног равновесия между сушей и морем, то для интенсивного выноса кал в океан должна пройти глубокая дифференциация горных пород, на мер гранитов, и их последующего разрушения.

В современный период отношения калия к натрию в породах и верженного ряда близко к единице, в реках - 0.4, а в океаничес воде это отношение составляет - 0.036, в иловой воде это отнош опять возрастает. Такая изменчивость калий-натриевых отношени!

лавливается различием физико-химических и геохимических свойств, аложенных в атомах этих элементов (Ферсман, 1939). В процессе азделения натрия и калия, существенную роль играет способность алия удерживаться глинистыми минералами. Крупный катион калия с едиусом (0,225 нм) энергично поглощается отрицательно заряженны-1И коллоидами и прочно удерживается в сорбированном состоянии, [оглощенный калий в глинах со временем переходит в необменное со-:тояние, занимая определенное место в структуре глинистых минера-юв. Калий резко отличается от натрия и кальция, радиус ионов которых гораздо меньше, чем у калия. Как правило, катионы с меньшим >адиусом не входят в кристаллическую решетку глинистых минералов, I участвуют в обменном комплексе. Отрицательный заряд иона хлора :акже почти исключает поглощения его коллоидами, заряженными, как фавило, отрицательно (глины, г'умус).

В процессе разделения натрия и калия, кроме отмеченной спо-:обносги калия удерживаться глинистыми минералами, определенную )Оль играет аккумуляция его в большей степени, чем натрия, морски-ш водорослями.

В живом веществе натрия меньше чем кальция, калия и магния. 1атрий выходит из биологического круговорота. Калий играет важную физиологическую роль в обращении растений и животных. Роль биологического круговорота в геохимии калия огромна: почти весь подви-кный калий находится в круговороте, и только небольшое количество ;го поступает в природные воды. Сравнительно слабая водная миграция калия обусловлена не слабой растворимостью его соединений, а зго активным участием в биологическом круговороте, дефицитностью аля организмов и растений, сорбцией глинами.

Натрий по многим особенностям миграции в биосфере напоминает клор и во многих случаях можно говорить об истории Л/аС1. Натрий как и хлор являются циклическими элементами и за время геологичес-

кой истории они не раз поступали в Мировой океан, для них практически не существует физико-химических барьеров, где они могут накапливаться, за исключением областей с сухим климатом, где они нг капливаются на испарительном барьере. Все это дает основание пред полагать, что все выше перечисленные процессы ведут к понижению калий - натриевых отношений от пород изверженного ряда до нахожде ния их в морской воде.

В главе детально рассматривается калий в морских и океаниче< ких взвесях, донных осадках, иловых водах,'участие калия в биоло' гическом цикле, фракционирование ионов на границе.океан - атмосф ра. Подробно изложен механизм взаимодействия калия с глинистыми

минералами. Знание механизма взаимодействия калия с глинистыми м

<

нералами и изучение взвешенных частиц представляет интерес для многих разделов океанологии. Взвешенное вещество в воде настольк раздроблено, вследствии чего его площадь поверхности в морской в де чрезвычайно велика.В результате существенно увеличивается его химическая и физико-химическая активность (Иванов, 1978). Из мно гочисленных физико-химических процессов, в которых участвуют вещества, находящиеся в растворенном, взвешенном или коллоидном со стоянии (ионный обмен, образование соединений, соосаждение и адсорбция ионов), для химической океанологии, по всей видимости, на ибольший интерес представляет адсорбция ионов. С другой стороны, хорошо известно, что многочисленные морские организмы обладают свойством селективного накопления некоторых элементов. В процес' се минерализации органического вещества большая часть накоплены: организмами элементов переходит в раствор, но осадочная фракция выпадает из цикла и теряется для морской воды, состав которой, ким образом, зависит в некоторой степени и от биологических про цессов. Преобладание какого-либо процесса может в той или иной степени оказывать воздействие на изменчивость ионных отношений морской воде.

ГЛАВА Ш. ИССЛЕДОВАНИЯ К/С1 ОТНОШЕНИЯ В ВОДАХ РАЗЛИЧНЫХ РАЙСНОВ МИРОВОГО ОКЕАНА.

В главе рассматриваются экспериментальные данные по К/С1 изменчивости, полученные различными исследователями. Приводятся результаты их исследований на поверхности океана, в отдельных морях и заливах. Рассматриваются "аномалии" пониженных и повышенных К/С1 значений в различных районах вод Мирового океана. Полученные результаты различных авторов носят противоречивый характер.

В некоторых работах (Лазарев, Колотыркина, Хитров, Степанец, 1931; Калкин и Кокс,1966;Сапожников,Меркулов,Синьков, 1990) не обнаружены вариации К/С1 отношений выше пределов точности использованных ими методов, что может косвенно подтверждать приблизительное постоянство ион-хлорных отношений.

С увеличением точности аналитических методов (0,3-1 %) во многих работах получены значимые отклонения от принципа постоянства отношений ионов основного солевого состава морских вод. Первыми работами по ион-хлорной изменчивости являются данные Фабри-канда и др.(1966,1967). На станции в тропической Атлантике ими были проведены измерения калия, натрия, магния, хлора,свинца, стронция в пробах морской воды от поверхности до дна. Результаты своих измерений проанализировали совместно с Т,5-диаграммой водных масс в исследуемом районе. В результате было выявлено уменьшение К/С1 отношения на глубинах 1000-1400 м и связали их с североатлантической глубинной водной массой. Выполнив аналогичные измерения в той же точке через год, при такой же форме Т,5-кривой, не обнаружили этого явления. Это дало основание предположить, что ион-хлорные отношения могут иметь временную изменчивость.

После работ Фабриканда, наиболее обширные исследования по К/С1 отношениям провел Романов (1971). В результате измерений

835 проб на калий, отобранных в различных районах трех океанов, им были получены средние К/С1 отношения. Наиболее низкое К/С1 отношение отмечено автором в Атлантическом океане - 0,01988, максимальное в Индийском океане - 0,0204. На графическом материале автором продемонстрирована общая тенденция изменения К/С1 отношения в слое 25-50 м. На глубине 100-200 м амплитуда колебаний отношений К/С1 снижается и вновь возрастает к 500 м глубине. Ниже происходит постепенный спад колебаний в значениях К/С Такое изменение К/С1, по мнению автора, является различной реакцией ионов калия и хлора на процессы, в которых они принимают участие при изменении солености морской вода. В работе автором также проведены исследования по идентификации водньге масс по К/С1 отношениям путем сопоставления Т,5-кривых и Т/К/С1 и Н/К/С диаграмм. В заключении автор приходит к выводу, что все водные массы характеризуются своими значениями К/С1 отношений.

В главе рассматривается такое явление, как уменьшение отношений К/С1 в океанических водах, впервые обнаруженное Фабри-кандом. Аналогичное явление было обнаружено и в других районах вод Мирового океана (Сойфер,Бычков, Ильичев,1982; Еремеев, Чу-диновских,1984; Попов,Акимова, Пчелин,1986; Аникиев, Недашковс-кий,Ильичев, 1990). Авторы данных работ связывают уменьшение К/С1 отношения с сорбцией калия на взвеси, либо процессами био<

ассимиляции калия.

Вариации К/С1 отношения противоположного характера, т.е. повышение отношения К/С1, получены в Канарской котловине (Попо Анисимов, Меркушев, 1985). Авторами обнаружено в слое 2450 -2550 м повышенное К/С1 отношение примерно на 3 %, а на горизон те 5200 м повышение значений К/С1 составило почти б %. Во всех случаях отклонение отношений К/С1 произошло главным образом за счет показаний калия. Проведенные ими же исследования в районе

впадины Орьенте не показали аналогичных результатов значений K/CI. Так, в верхнем слое до 100 м вариации калия составляют примерно 0,8 %% далее до дна K/CI значение постоянно.

Особый интерес представляют исследования K/CI отношения в поверхностных слоях океана. Это связано с тем, что закон постоянства ионных отношений солевого состава основывается, в основном, на отобранных и измеренных пробах с поверхностных горизонтов. Проведенные исследования по K/CI отношениям на поверхности тропической Атлантики (Попов, Анисимов, Холуйский,1986), в Тихом океане, Средиземном море (Степанец, Лазарев, Хитров и др.,1988) не дали значимых вариаций K/CI отношений, превышающих ошибку измерений, за исключением единичных участков.

Противоположный результат получен в поверхностном слое Антарктического циркумполярного течения (Доманов и др.,1985,1987). Наибольшие изменения K/CI значений получены в струе возвратного течения Агульяс, особенно на периферийных участках течения. Максимальные вариации K/CI значения в поверхностных водах АЦТ составило порядка 10 %. В другой своей работе авторы отмечают мезо-масштабную изменчивость калий-соленостного отношения по 160° в.д. в зоне от 40°с.т. до 35°ю.ш. Изменчивость K/CI отношения на разрезе авторы связывают с биохимическим извлечением калия из поверхностного слоя воды в квазистационарных макроциркуляционных системах.

Проведенный сравнительный анализ (Борисов, Лазарев, Карпов, Степанец, 1987) средних значений K/CI отношений Черного и Средиземного морей к величине среднего значения K/CI для океана показал, что при среднем значении K/S-0,0111 для открытого океана величина К/5 для Черного моря оказалась близкой к нему, а для Средиземного моря значения К/5 значительно вше (0,0133-0,0139). По мнению авторов, это может свидетельствовать о наличии мощных

источников поступления калия в Средиземное море.

Согласно определению закона постоянства солевого состава, ионное отношение может нарушаться в результате речного стока. В ряде работ приведены исследования K/CI отношения в прибрежных районах Японского моря. В работе Тищенко, Аникиева, Ильичева(198/ показано, что калий и натрий в эстуарии р.Раздольная-Амурский Залив Японского моря ведут себя консервативно до солености I Однако ниже этой солености К/А/а отношения изменяются, консервативность нарушается. Проведенное исследование К/5 и Ив/s отношений в б.Алексеева, о.Попова в Амурском заливе (Аникиев, Недаш-ковский, Ильичев, 1991) выявило увеличение К/5 в верхнем слое (О - 4 м) относительно горизонта 7 м. Такое увеличение авторы

4

связывают с десорбцией калия со взвеси, которая поступает с родниковыми и дождевыми водами. Вариации tJa/S не обнаружены. В этой же бухте Алексеева проводился эксперимент по фракционированию калия, натрия, магния в поверхностном микрослое (Караваева, Кузнецова, Недашковский и др.,1991). В результате проведенных исследований было получено следующее: в более тонких слоях эффект разделения выражен сильнее, причем чем интенсивнее процесс испарения с поверхности воды, тем сильнее выражен эффект фракционирования ионов в поверхностном микрослое. При этом авторы пришли к неожиданному результату: эффект фракционирования ионов запаздывает относительно процессов испарения примерно на 1-2 часа

В представленном обзоре работ показана изменчивость K/CI отношений в различных районах морей и океанов. Вариации K/CI отношений находятся в пределах 1-3 %, максимальная изменчивость на единичных участках составляет 6-10 %. К настоящему времени выявлены только некоторые фрагменты этого сложного процесса и в целом решение проблемы ионной изменчивости еще далеко от завершения.

ГЛАВА 1У. КАЛИЙ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ K/CI СЛНОШЕНШ В СИСТЕМЕ ВОД НУРОСИО-ОЙЯСИО И ЭКВАТОРИАЛЬНЫХ ТЕЧЕНИЯХ ИНДИЙСКОГО ОКЕАНА.

В главе рассматриваются изменения калия и K/CI отношения, происходящие в структуре и динамике вод системы Куросио-Ойясио и экваториальных течениях Индийского океана.

Район Субарктического фронта северо-западной части Тихого океана характеризуется сложным пространственным распределением и изменением во времени океанологических характеристик, что обусловлено здесь наличием гидрологического фронта, который образуется в результате взаимодействия субарктических вод холодного течения Ой-ясио и теплых субтропических вод, переносимых системой течений КУ-росио и глубинных тихоокеанских вод (Булгаков, 1972)."

Исследования в зоне Субарктического фронта проведены по 158°вд, выполненные в районе широт от 51°с.ш. до 35°с.ш. Рассматриваемый разрез пересекает следующие.характерные воды - Камчатское течение, Субарктические воды, северный Субарктический фронт, межфронтальные воды. Период работ совпал с началом летнего прогрева верхнего слоя океана, однако сезонный слой скачка температуры еще не сформировался. Основные черты термохалинной структуры относятся, за малым исключением, к зимнему сезону, для которого характерен мощный слой конвективного перемешивания без сезонного термоклина. По карте средней температуры на поверхности за период работ с 30 мая по 02 июня 1983 г. OF A - FAX, Япония) установлено, что в Продолжении Ку-росио располагается точка бифуркации (раздвоения) течения, которая находилась в районе поднятия Шатского. В связи с этим, меандр как бы расщепляет северный Субарктический фронт, отсюда сама межфронтальная зона значительно расширен.а и имеет двухслойную структуру.

Первая межфронтальная зона расположена в области антициклоничсског! меандра, вторая межфронтальная зона характеризует область вод между южным ответвлением северного Субарктического фронта и северной границей фронтом КУросио.

Характер распределения калия, солености и температуры на вертикальном разрезе отражает все особенности температурного поля зоны Субарктического фронта, выявленные по данным японской факсимильной карты. В результате анализа данных по разрезу выявлено, что в распределении калия,кроме общих черт с распределением гидрологических характеристик,имеется ряд отличительных особенностей.

Одна из особенностей распределения калия в поле температуры

заключается в том, что однородный слой по калию совпадает со сло-

«

ем инверсии температуры, по солености этого не наблюдается.

Выявлены особенности распределения калий-хлорных отношений в вертикальной стратификации водных масс Субарктического фронта. Так Субарктическая структура вод (ст.№ 378) по Т,5- кривой характеризуется тремя типами водных масс, а по значениям отношений К/С1 отмечается четырехслойная структура вод на данной станции (0,0198--для поверхностной воды, 0,0199-для холодной промежуточной, 0,020С и 0,0201-для теплой промежуточной водных масс).

Применение метода Т,5- кривых к районам фронтальных зон не де ет положительного решения о числе водных масс и границ между ними (Бурков, Арсеньев, 1958;Булгаков, 1972). Использование этого метода с учетом значений отношений К/С1 позволило не только уточнить вертикальную структуру водных масс, но и определить их границы по вариациям отношений К/С1. Это наглядно демонстрируется на графическом материале К,5 и Т.Б - кривых. Плавный переход отношений К/С1 (сохранение симбатности на графическом материале) наблюдается в том случае, когда водные массы близки по происхождению, например, поверхностная водная масса - весенне-летней модификации

и холодная промежуточная масса субарктической структуры вод (ст. № 378). В случае взаимодействия вод различного происхождения (в данном случае холодной промежуточной водной массы с теплой промежуточной) происходит скачкообразное изменение отношений K/CI от 0,0198 до 0,0200 или нарушение симбатности. Аналогичное скачкообразное изменение K/CI отношения отмечается и в субтропической структуре вод между водами Продолжения Куросио и трансформированными субарктическими водами ( ст. № 408).

При рассмотрении картины распределения отношения K/CI по горизонтали на меридиональном разрезе выявлены следующие особенности. Наиболее низкие значения отношения K/CI отмечаются в области прохождения Камчатского (0,0197) и Курильского течений (0,0198), которые являются западными граничными потоками в субполярной круговой циркуляции вод северной части Тихого океана, характеризующиеся пониженной соленостью и температурой. Область прохождения вод Продолжения Куросио характеризуется более высокими значениями Д/CI - 0,0199. Вариации H/GI приурочены к поверхностям раздела различных вод Субарктического фронта. С глубиной значения K/CI увеличиваются. На данном разрезе K/CI варьирует от 0,0197 до 0,0202. Наибольшие вариации отмечаются в промежуточном слое северного Субарктического фронта, где прослеживается инверсия по температуре (0,0199- 0,0202).

Для выявления роли циркуляционных процессов на поведение калия и K/CI отношения рассматривается область в межфронтальной зоне Субарктического фронта. На станциях межфронтальной области по изгибам изолиний гидрологических характеристик и калия,и глубинам залегания водных масс, выделенных по T,S и K.S-кривым, подтверждаются вихревые образования различных видов (антициклонического - ст.5388-393 и циклонического - ст.№380, 384), установленные по японской факсимильной карте поверхностной температуры.

В результате циклонического и антициклонического обращения вод перепад глубин залегания водных масс в ыежфронтальной зоне достигал 350-400 м. Выявленная изменчивость К/С1 отражает характер вертикальных движений в антициклонических и циклонических меандрах межфронтальной зоны. В результате таких вертикальных движений возникает деформированное поле в распределении К/С1 отношений к областям, не подверженным. влиянию вихревых образований. Действие такой деформации в вихревых образованиях просле живается не только в локальном изменении К/С1 отношения, но и в смещении границ изменчивости в целом. В качестве примера приводятся станции в области северного Субарктического фронта

(ст.380) и в межфронтальной области, охваченной антициклоничес-

«

ким меандром (ст.388). Воздействие циклонического'меандра проявляется в появлении "аномальных" высоких Н/С1 значений в пове! хностном слое с низкой соленостью, которые идентифицируются ка* воды Курильского течения (Ойясио). Такие "аномальные" К/С1 значения в поверхностных и подповерхностных слоях являются результатом подъема глубинных вод с характерным для них высоким К/С1 значением (0,0200-0,0201). Воздействие антициклонического меандра на К/С1 изменчивость (ст.388) имеет обратную тенденцию. Поверхностный слой на данной станции заглубляется в результате антициклонического обращения вод, что ведет к появлению в глубинных слоях низких значений К/С1 - 0,0199. Таким образом, из сопоставления приведенных данных становится очевидной роль динамических процессов в образовании вариаций К/С1 отношений.

Следующим районом исследования калия и К/С1 отношения является район к востоку от Тайваня, который в океанологической литературе принято считать началом "Собственно ^росио". Куро-сио в этом районе проходит мощным потоком вдоль восточного берега Тайваня и направляется в восточную глубинную часть Восточ

но-Китайского моря. Меандрирование начала Куросио у восточных берегов Тайввня до настоящего времени не рассматривалось. Основой для выдвижения гипотезы о меандрировании начала К/росио послужило чередование изолированных областей распределения калия. Для проверки данной гипотезы были рассчитаны течения на вертикальных разрезах и построена карта динамической топографии. В качестве нулевой поверхности выбрана изобарическая поверхность -1600 дцб.

В связи с полученной циркуляцией, расчитанной динамическим методом приводятся результаты распределения калия и К/С1 отношения. Анализ данных по калиевым характеристикам показал, что распределение калия и изменчивость отношений К/С1 косвенно отражают особенности полученной циркуляции вод в исследуемом районе. Так, в центре антициклонического меандра (ст.№ 6) распределение калия представлено в виде деформационного поля, которое показывает, что ядро с повышенной концентрацией калия (0,405 г/кг) в области подповерхностного максимума солености тропической структуры вод охватывает и слой промежуточного минимума солености. При этом область промежуточного минимума солености представлена на этой станции тонким слоем минимума калия (0,402 г/кг) на глубинах 700 -- 800 метров, который подпирается вторым максимумом калия на глубинах 1400 м. Воды, которые не вовлечены в меандриругацие движения (прибрежная ветвь Куросио), не имеют деформации поля калия в поле солености и подповерхностный максимум и промежуточный минимум солености соответствует максимуму и минимуму калия. Таким образом, деформация поля калия в поле солености является результатом меан-дрирования второй ветви К/росио.

Такие же особенности в распределении калия и изменчивости К/С1 обнаружены и в вихревых образованиях в районе поднятия островов Нансей. На меридиональном разрезе изолированные области по

K/CI отношениям соответствуют центрам вихревых образований. Наи меньшее значение K/CI - 0,02068 отмечается в антициклоническом ; ре, наибольшее значение K/CI - 0,0208 в циклонических вихрях. 0( бо следует выделить высокое значение Д/CÍ - 0,02125 в слое пром< ^уточного минимума солености антициклонического меандра и низкое значение K/CI - 0,02078 в слое подповерхностного максимума соле^ сти в циклонических вихрях. Такие "аномальные значения" V/CI яв* ются следствием вертикальных движений в вихревых образованиях, i результате которых происходит захватывание верхних или нижних сл ев в зависимости от характера движений в вихревых образованиях.

Воды, которые не вовлечены в вихревые движения, имеют относ тельно стабильные Н/СГ значения. Так, прибрежная ветвь Куросио у южной оконечности Тайваня имеет значение K/CI на поверхности рав ное 0,02081, на выходе этой ветви фросио в океанский желоб отно шение K/CI имеет такую же величину. Диапазон изменения значений K/CI в исследуемом районе составляет от 0,02068 до 0,0213Г7.

Таким образом, изменчивость калиевых характеристик при меаэд рировании и вихреобразовании Куросио к востоку от Тайваня имеет такие же характерные особенности, как и .в вихревых образованиях зоны Субарктического фронта северо-западной части Тихого океана.

Третьим районом исследования является экваториальный район Индийского океана. Рассматриваются экспериментальные данные калиевых характеристик в узкой полосе на разрезе по 78°в.д. от 2° с.ш. до 2° ю.ш. Исследования проводились в период юго-западного муссона (лето северного полушария, июль).

Исследования калия и отношения K/CI в области экваториальных течений представляют определенный интерес, так как эта область течений имеет совершенно другую природу циркуляции и носит зональный характер в отличие от западного пограничного течения (Куросио-Ойясио) с их вихревыми образованиями и меандрами.

Система течений на экваторе в Индийском океане в период юго-западного муссона характеризуется наличием летнего муссон-ного поверхностного течения, Экваториального поверхностного противотечения и подповерхностного противотечения (течения Тареева) (Нейман, 1986).

Анализ экспериментальных данных выявил ряд особенностей в структуре поля калия. Отмечается полная симметрия распределения калия относительно экватора, что является, по-видимому, следствием определенной специфичности условий на этой широте и особенности циркуляции вод на экваторе. Для качественного анализа вертикальных движений использовалась апроксимация (Иванова, Неймана, 1964), по которой направленность изгиба изолиний каких-либо характеристик вверх или вниз на вертикальных разрезах соответствует подъему или опусканию вод. Волнообразные изгибы изолиний калия на разрезе свидетельствуют о том, что опускание вод происходит на самом экваторе, на 1° с.ш. и 1° ю.ш., а подъем вод - в непосредственной близости от экватора, на 0°30/'' с.ш. и 0°30^ ю.ш. Соленость менее наглядно отражает данную картину. Распределение К/С1 подтверждает поперечную циркуляцию; район опускания вод характеризуется значением К/С1 - 0,0198 на экваторе, 1°с.ш. и 1°ю.ш., в зоне подъема - 0,0199. Из распределения К/С1 в поверхностном слое следует, что в зональном переносе Му-ссонного течения и Экваториальном противотечении вертикальные движения вод играют существенную роль в общем процессе изменчивости К/С1. Совместный анализ распределения калия и К/С1 показывает, что перенос вод осуществляется двумя потоками, в котором происходит вращательное движение воды по круговым орбитам. Ячеистая структура по значениям К/С1 (0,0197-0,0199) свидетельствует о том, что воды двух потоков Муссонного течения и Экваториального поверхностного противотечения не смешиваются друг с дру-

гом, а обмен в этом переносе осуществляется на периферии обоих потоков, в то время как однородное распределение гидрологическ характеристик указывает на хорошее перемешивание поверхностног слоя.

- Для выделения течения Тареева в слое скачка плотности использованы качественные критерии специфического распределения океанологических характеристик - утолщение пикноклина, "раздви гание" изопикн, присутствие максимума солености (Ханайчекко,19 Кнаус, Тафт, 1964). Ядра по калию располагаются в центре расши рения пикноклина между изопикническими поверхностями 24-26, ко торые по принятому выше критерию можно отождествить с течением Тареева. Распределение калия между изопикническими поверхностя ми 24-26 имеют отличительные от распределения солености особен ности. Ядра по калию наиболее ярко выражены и являются изолиро ванными, в то время как ядра солености (35,3 %о) соединены про слоем высокой солености (35,2 %о). Максимумы калия и солености смещены относительно друг друга. Такое смещение ядер наблюдает ся в зонах резких изменений термодинамических свойств, которые как правило, совпадают со слоями интенсивных флуктуаций скорос течений (Лозовацкий, Корчашкин, 1984). Наибольшие вариации К/С отношений наблюдаются не только на границах течения Тареева, н и внутри самого течения (ядро северной струи 0,0199-0,0200, яд южной струи - 0,0200-0,0201). Возможно, что такая изменчивость К/С1 отношений в области течения Тареева является результатом различных"реакций" калия и солености на гидродинамические уело вия в пикноклине. Рассмотренные особенности распределения кали и изменчивости К/С1 отношений в системе экваториальных течений в Индийском океане определяются в основном динамическими проце сами и мо^ут быть использованы для уточнения границ течений, структуры вод, их взаимодействия.

выводы

1. Предлагаемый вариант судовой экспресс-методики определения калия в морской воде по точности и воспроизводимости результатов измерений на порядок превышает используемые ранее методики в океанологических исследованиях. Использование методики позволяет производить измерения калия в пробах морской воды с относительной погрешностью в межсерийных измерениях - 0,16 %, внутри-серийных измерений - 0,05 %. Уменьшение погрешности измерений было достигнуто введением прецизионного потенциометра класса точности 0,001, системой регулирования температуры измеряемых проб

± 0.05 °С и самой методикой измерений.Контроль за точностью, воспроизводимостью и правильностью работы измеряемой системы осуществлялся по трем параметрам: коэффициенту корреляции калибровочных растворов, различием между экспериментальным и теоретическим значением крутизны электродной функции и отклонением э.д.с. холостой пробы от заданной погрешности (i 0,005 мв). Использование данной методики для изучения калия в морской воде позволяет фиксировать вариации отношений K/CI на уровне 0,1-0,2 %.

2. В результате проведенных исследований в системе вод Ку-росио-Ойясио и экваториальных течений Индийского океана выявлено две общие закономерности: а) наибольшие вариации K/CI приурочены к границам раздела вод (фронты, границы'водных масс, течений), б) значения ЦА31 могут изменяться плавно или скачкообразно (сохранение или нарушение симбатной зависимости концентрации калия

от солености соответственно), плавный переход наблюдается при взаимодействии вод, близких йо происхождению, а скачкообразный при взаимодействии вод различного происхождения.

3. Выявлено, что изменчивость калия и отношения K/CI в исследуемых районах формируется в основном под определяющим воз-

действием циркуляционных процессов.

4. Выявлена роль вихревых движений в образовании "аномалий" отношений K/CI в системе вод Куросио-Ойясио. "Аномальные" значения K/CI (вариации K/CI) являются следствием вертикальных движений в вихревых образованиях, в результате которых происходит захватывание верхних или нижних слоев в зависимости от характера движений. В результате таких движений образуется деформация поля калия по отношению к солености. Действие такого деформационного поля в вихревых образованиях проявляется не только влокальном изменении K/CI, но и в смещении границ изменчивости K/CI в целом

5. Влияние циклонического и антициклонического обращения вод на изменчивость отношений K/CI качественно отличается. Воздействие циклонического обращения вод проявляется в появлении "аномальных" высоких K/CI значений в поверхностных слоях с более низкой соленостью. Воздействие антициклонического образования имеет обратную тенденцию. Поверхностный слой с относительно низким отношением Ц/CI в результате антициклонического движения вод заглубляется, что ведет к появлению в глубинных слоях относитель но низких значений K/CI. Таким образом, из сопоставления приведенных результатов становиться очевидной роль вихревых движений в образовании вариаций K/CI.

6. Полученные результаты по изменчивости калил и отношений K/CI косвенно подтверждаются особенностями циркуляции вод к востоку от Тайваня, выявленных на основе динамических расчетов течений. Обнаруженные локальные области калия и отношений K/CI в поверхностном слое соответствуют положению центров вихревых образований с теми же общими закономерностями изменчивости K/CI, что и Субарктическом фронте.

7. Использование К,$-кривых совместно с Т.Б-анализом водных масс позволяет не только с большей определенностью выявлять

гранииы поверхностей раздела различных вод, но и сама изменчивость К,5-кривых наглядно отражает процесс различных реакций калия в поле солености на гидродинамическую обстановку в исследуемом районе.

8. Наибольшие вариации K/CI отношения (3,3 %) обнаружены при меандрировании и вихреобразовании Куросио к востоку от Тайваня, в районе Субарктического фронта изменчивость K/CI составляет 2,5 %, а наименьшие вариации K/CI отношения получены в системе экваториальных течений Индийского океана (2 %).

9. Выявленные вариации отношений K/CI в океане являются следствием взаимодействия и перестройки различных вод, сформированных в отличных друг от друга химико-океанографических районах. Наиболее существенные вариации, отношений K/CI приурочены

к границам динамически активных зон, где вариации могут достигать 3 %. Гидродинамический подход к изучению изменчивости K/CI отношений позволит приблизить понимание процессов вариаций ионных отношений в океане, поскольку гидродинамическая активность непосредственно на границах поверхностей раздела активизирует естественные природные процессы, которые могут дополнительно вызывать изменчивость ионных отношений.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Белобрагина Е.В., Горбачев Л.П., Тубин А.А.,Сойфер В.Н., Савченко В.К. О струйных течениях в устойчиво стратифицированных средах. Тезисы докл. 2-го Всесоюзного симпозиума по комплексному изучению гидрофизических полей океана с использованием изотопных методов. Владивосток, 1981, с.12-13.

2. Савченко В.К., Сойфер В.Н., Исаева A.A., Чаплинская С.Я. Особенности поведения калия в океанских течениях. Тезисы докл.

1У Всесоюзной конф. Мировой океан, секция "Гидрофизические по-

ля океана и метода их исследования", 1983, 4.1, с.103-104.

3. Ильичев В.В., Исаева A.A., Савченко В.К., Сойфер В.Н. Ochoi ные закономерности распределения калия и K/CI в Субарктичес ком фронте северо-западной части Тихого океана. Докл.АН ССС 1985, 283, №2, с.348-353.

4. Исаева A.A., Савченко В.К., Сойфер В.Н. Судовая экспресс-методика определения калия в морской воде. Деп. ВИНИТИ, 191 № 5623-В86, с.20..

5. Савченко В.К., Сойфер В.Н., Исаева A.A., Ильичев В.И. Ochoi ные закономерности распределения калия и изменчивости К/С1 некоторых районах Мирового океана, Тезцсы докл. Ш съезда сс ветских океанологов, секция "физика и химия океана", JI.: П рометеоиэдат, 1987, с.185-186.

«

6. Савченко В.К., Исаева A.A., Сойфер В.Н., Ильичев В.И. Неко! рые особенности изменчивости калия и K/CI в системе экватор альных течений Индийского океана. Докл. АН СССР, 1988,т.300 Я, с.74-79.

7. Soifer V.U., Ilyichev V.l., Isayeva A.A., Savchenko V.K. Po slum and K/CI Ratio Field, variability in Frontal zones. Geo Journal, 1989, p.p. 311 - 320.

8. Savchenko V.K., Bychkov A.S., Ilyichev V.l. Kuroshio meandei and eddy formation east of Taiwan and their reflection in Pc eium fields. TAO /Terristial, Atmospheric and Ocenic Science 1995,vol.6,№1.