Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Структура крупномасштабной циркуляции антарктических вод

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Структура крупномасштабной циркуляции антарктических вод"

На правах рукописи

Тараканов Роман Юрьевич

СТРУКТУРА КРУПНОМАСШТАБНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АНТАРКТИЧЕСКИХ ВОД

Специальность 25.00.28 - Океанология

18 ПАР 2015

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

005560791

Москва - 2015

005560791

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте океанологии им. ГТ.П. Ширшова Российской академии наук

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор Кошляков Михаил Николаевич Официальные оппоненты:

Дианский Николай Ардальянович, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института вычислительной математики Российской академии наук

Масленников Вячеслав Вячеславович, доктор географических наук, доцент, главный научный сотрудник Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии»

Иванов Владимир Владимирович, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения «Арктический и антарктический научно-исследовательский институт»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Атлантический научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии»

Защита состоится '72" 2015 г. в ^ час. ¿2? мин, на заседании

диссертационного совета Д 002.239.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук по адресу: 117997, г. Москва, Нахимовский проспект, 36, Большой конференц-зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океанологии им. П.П. Ширшова и на сайте Института http://www.ocean.ru/disser/.

Автореферат разослан " \ 5 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук / // / Сйнзбург Анна Ивановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Антарктическое циркумполярное течение (АЦТ), опоясывающее антарктический континент с запада на восток, является самым мощным течением во всем Мировом океане. По современным представлениям, геострофическое по своей природе АЦТ распространяется на значительную глубину и имеет эквивалентно-баротропную структуру (т.е. линии тока на глубине параллельны линиям тока на поверхности). Южный океан в целом и АЦТ играют ключевую роль в передаче ветрового воздействия всей цепочке Глобального океанского конвейера (ГОК; компонент общей циркуляции Мирового океана, связывающий термоклин и абиссаль). Существенное значение для этого имеет планетарная асимметрия между Южным и Северным полушариями, заключающаяся в двух обстоятельствах:

1. Южное полушарие, в сравнении с Северным, в большей степени является океанским. Причем свободное от материковых барьеров кольцо в Южном полушарии приходится как раз на зону наиболее сильных западных штормовых ветров, что максимизирует различия между полушариями. В этой зоне формируется огромный, не имеющий аналога по интенсивности в Северном полушарии, направленный к экватору поток чисто дрейфового течения.

2. АЦТ, создаваемое, в конечном счете, этими же западными ветрами, формирует динамический барьер, препятствующий существованию меридиональных течений в верхнем слое океана, которые могли бы скомпенсировать направленный на север поток чисто дрейфового течения. В результате этот поток компенсируется геострофическими течениями ниже порога проникновения по глубине АЦТ, а также за счет поперечного к АЦТ вихревого переноса.

Таким образом, западный южноокеанский ветер при наличии достаточной глубины проникновения АЦТ работает как насос, вытягивающий воду из глубины на поверхность океана.

В диссертации на основе различных натурных данных (спутниковых данных, данных контактных измерений) рассмотрены две особенности структуры АЦТ - тонкая струйная структура этого течения в нескольких районах Южного океана и глубина проникновения течения в проливе Дрейка, а также исследованы абиссальная циркуляция в проливе Дрейка и влияние на нее рельефа дна. Кроме того, рассмотрены потоки антарктических вод в придонном слое в нескольких каналах, связывающих отдельные котловины Атлантики.

Отметим, что на сегодняшний день однозначных представлений о струйной структуре АЦТ не существует. Правильное ее описание имеет существенное значение для корректной оценки поперечного АЦТ вихревого переноса, являющегося одной из трех составляющих баланса ГОК в Южном океане (наряду с потоком чисто дрейфового течения и глубинными геострофическими течениями). Глубина проникновения АЦТ по натурным данным ранее никогда не оценивались. Важность такой оценки обусловлена тем, что, как показывают численные модельные исследования, интенсивность и даже структура ГОК оказываются весьма чувствительными к этой глубине. Влияние рельефа дна на абиссальную циркуляцию в проливе Дрейка также никогда детально не исследовалось. Потоки абиссальных вод из котловины в котловину зачастую концентрируются в узких зонах - глубоководных каналах, проходах, разломах. Исследования таких потоков в Атлантике весьма немногочисленны, а в некоторых из каналов не проводились никогда. Проведение подобных исследований позволяет существенно пополнить наши знания о взаимосвязи между рельефом дна и абиссальными течениями, их структуре и количественных характеристиках, дает представление о трансформации свойств и интенсивности переноса вод в рамках нижней ветви антарктической ячейки ГОК в этом океане, - ветви, которая распределяет холодные, плотные воды антарктического происхождения по абиссали Атлантического океана.

Целью работы является исследование пространственной структуры АЦТ, включая тонкую струйную структуру этого течения и глубину его

проникновения в проливе Дрейка, а также свойств и путей распространения антарктических вод в придонном слое Атлантики.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка метода выделения и идентификации струй АЦТ, основанного на комплексном анализе данных спутниковой альтиметрии в каком-либо районе Южного океана вместе с данными трансокеанского гидрофизического разреза в этом же районе океана. Проведение с помощью этого метода анализа в выбранных секторах Южного океана тонкой струйной структуры АЦТ.

2. Оценка глубины распространения АЦТ в проливе Дрейка по возможности на основе нескольких независимых наборов натурных данных, что должно обеспечить надежность полученных оценок; исследование абиссальной циркуляции этого района и влияния на нее рельефа дна.

3. Проведение натурных измерений характеристик придонных потоков в нескольких абиссальных каналах Атлантики. Получение на основе анализа этих данных в комплексе с историческими массивами данных количественных оценок этих потоков (температуры, скорости и расходов), выявление новых путей распространения придонных вод, выявление конкретных гидродинамических особенностей течений в узких абиссальных каналах и оценка степени трансформации придонных вод в этих каналах, связанной с взаимодействием потока с дном.

Личный вклад автора. Автор принимал активное участие в планировании и выполнении полевых работ ИО РАН 2002-2014 гг., результаты которых использованы в настоящей диссертации. Автором диссертации был разработан новый оригинальный метод выделения и идентификации струй АЦТ, оценена глубина распространения (эффективного сечения) АЦТ в проливе Дрейка и море Скотия, исследована абиссальная циркуляция в этом районе и влияние на нее рельефа дна, а также исследованы потоки абиссальных вод в нескольких каналах Атлантики - канале Вима, экваториальном разломе Романш, проходе Кейн (9° с.ш.) в Восточной Атлантике, проходах в Восточно-

Азорском хребте (37° с.ш.). В частности, автором показано, что западная часть разлома Романш является районом с одной из самых высоких интенсивностей вертикального перемешивания во всем Мировом океане.

Научная новизна работы заключается в основных положениях, выносимых на защиту:

1. Разработан комплексный метод выделения и идентификации струй Антарктического циркумполярного течения (АЦТ), который включает в себя анализ цифровых карт абсолютной динамической топографии в каком-либо секторе Южного океана вероятностно-статистическими методами, основывающийся на гипотезе о привязке ядер струй во времени и пространстве к определенным изогипсам, и данных гидрофизического разреза, пересекающего АЦТ в этом же районе. На основе этого метода в районе к югу от Африки выявлена тонкая струйная структура АЦТ, состоящего из двенадцати отдельных струй.

2. Впервые на основе данных прямых измерений оценено эффективное сечение АЦТ в проливе Дрейка. АЦТ здесь не проникает глубже 2700 м. При этом южнее классического Полярного фронта нижняя граница АЦТ располагается не глубже поднимающейся к югу примерно до 1000 м изопикны у"=28.16, а к северу - поднимается поперек изопикн примерно до глубины 1600-1800 м на северной периферии АЦТ.

3. Показано, что в абиссали океана в проливе Дрейка и море Скотия ниже глубины проникновения АЦТ формируется весьма интенсивная циркуляция, принципиально отличная от переноса струями АЦТ, характеризующаяся квазинулевым суммарным переносом через пролив. Существенную роль в формировании этой циркуляции играет орографический барьер указанного района, образованный из трех последовательных порогов -хребта Хиро вместе с рифтом Феникс, хребта Шеклтона и хребта Норт Скотия вместе с относительно мелкой восточной частью моря Скотия.

4. В западной части экваториального разлома Романш в Срединно-Атлантическом хребте на входе в канал разлома установлено существование глубоководного водопада (ускорения гравитационного потока при перетекании

через порог) со сложной трехмерной каскадной структурой. Район водопада представляет собой «горячую точку» с одной из самых высоких интенсивностей перемешивания, фиксировавшихся где-либо в Мировом океане. Существование таких «горячих точек», с современной точки зрения, предполагается необходимым для реально наблюдаемой в Мировом океане плотностной стратификации.

Научная и практическая значимость. Результаты ряда исследований, проведенных в диссертации, в частности, исследований придонных потоков в абиссальных каналах Атлантики, абиссальной циркуляции и эффективного сечения АЦТ в проливе Дрейка могут и должны учитываться в рамках численного моделирования глобальной океанской циркуляции. Метод выделения и идентификации струй АЦТ, разработанный для африканского сектора этого течения, может применяться и в других районах Южного океана.

Достоверность полученных результатов обеспечивается:

1. Привлечением к анализу экспедиционных данных, полученных с помощью современного технического оснащения.

2. Сравнением полученных результатов измерений с историческими массивами данных.

3. Повторяемостью результатов анализа данных, получаемых разными приборами и на основе разных принципов и способов измерения — контактных измерений температуры и электропроводности, измерений скорости течений погружаемым и судовым ADCP, данных спутниковых измерений возмущения уровня океана и т.д.

Апробация работы. Результаты диссертации неоднократно докладывались на международных конференциях: ежегодной ассамблее Европейского геофизического союза (EGU) в г. Вена, Австрия (апрель-май 2010-2013 гг.); ассамблеях международной Ассоциации по физическим наукам об океане (IAPSO) в Монреале, Канада (август 2009 г.) и в Гетеборге, Швеция (август 2013 г.); 25-й генеральной ассамблее Международного союза геодезии и геофизики (IUGG), Мельбурн, Австралия (июль 2011 г.); объединенной ассамблее Союза по наукам о Земле Австралии и Океании (AOGS) и

Американского геофизического союза (AGU), Сингапур (август 2012 г.); ассамблее AOGS, Саппоро, Япония (июль 2014 г.); международных конференциях Американского геофизического союза (AGU) «Meetengs of America» в г. Фоз-ду-Игуассу, Бразилия (август 2010 г.) и в г. Канкун, Мексика (май 2013 г.); международном коллоквиуме «Tracers and Traces» в г. Льеж, Бельгия (май 2011 г.); рабочем совещании «Dialogue between contourite and oceanography processes» в г. Кингстон-апон-Халл, Великобритания, (январь 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 33 работы, включая 15 статей в рецензируемых научных журналах из списка, рекомендованного ВАК (пять из них - без соавторов, еще в четырех соискатель является первым автором); 2 статьи в нерецензируемых журналах и сборниках, 16 тезисов на международных конференциях. Еще одна статья из перечня ВАК принята к публикации и находится в печати.

Благодарности. Автор выражает благодарность научному консультанту, д.ф.-м.н. М.Н. Котлякову за сотрудничество и помощь в подготовке диссертации. Автор выражает также благодарность коллегам по экспедиционным исследованиям, обеспечившим сбор необходимых данных, и соавторам публикаций по теме диссертации: д.ф.-м.н. Е.Г. Морозову, к.г.н A.M. Гриценко, д.ф.м.-н. Н.И. Макаренко, к.г.-м.н. Т.А. Демидовой, д.ф.-м.н. В.Ю. Ляпидевскому, Д.А. Чурину.

Струюура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и списка сокращений и литературы. В диссертации 279 страниц, включая 111 рисунков и 21 таблицу. Список литературы состоит из 332 наименований, из них 265 на иностранных языках.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность работы, излагаются ее цели и постановка задачи, научная новизна, апробация и научная и практическая значимость, положения, выносимые на защиту и т.д.

В первой главе на основе литературных данных кратко рассматривается циркуляция вод в Южном океане и приполярных районах Северной Атлантики, в которых формируется основной объем глубинных и придонных вод Мирового океана, классификация и схема распространения этих вод в Атлантике от их источников в высоких широтах. Учитывая, что в работе основное внимание уделяется распространению антарктических вод, более подробно рассматривается гидрологическая структура Южного океана.

В разделе 1.1 приводятся краткие сведения о циркуляции приполярных районов Южного полушария и Северной Атлантики.

Эквивалентно-баротропная структура АЦТ, являющегося основным элементом поля течений Южного океана, может сохраняться лишь на глубинах выше подводных хребтов, создающих барьеры на пути АЦТ. Ниже гребней этих хребтов линии тока должны приобретать составляющую, нормальную линиям тока на поверхности океана. Главным барьером непосредственно в полосе АЦТ является Австрало-Антарктический хребет (рис. 1), глубина над которым нигде не превышает 2500 м. Подчеркнем, что в целом для цепочки бассейнов, окружающих Антарктиду, т.е. в области Южного океана более широкой, чем АЦТ, главный порог находится в другом месте - в районе пролива Дрейка и моря Скотия (рис. 1), где пороговая глубина над относительно мелководной и обширной восточной частью моря Скотия составляет около 3200 м, а в одном из узких проходов в хребте Саут-Скотия -около 3300 м.

В разделе 1.2 приводится литературный обзор по структуре фронтальных зон, фронтов и струй Южного океана. В краткой форме рассматривается история развития вопроса.

Ветровые океанские течения в Мировом океане концентрируются в узких зонах (динамических фронтах, или струях) квазизональной направленности, с которыми совпадают наиболее резкие градиенты температуры, солености и плотности, а также, как правило, гидрохимических свойств воды. Расположенные между фронтами более широкие зоны характеризуются более

Рисунок 1. Средняя абсолютная динамическая топография CNES-CLS09 v. 1.1 [Rio et al.,

2011] для Южного океана. Изолинии абсолютной динамической топографии (АДТ) соответствуют линиям тока абсолютных геострофических течений на поверхности океана. Зеленым цветом выделена область замкнутых циркумполярных линий тока, примерно соответствующая зоне АЦТ. Цифрами отмечены основные топографические барьеры на пути АЦТ: 1 - хребет в разломе Хиро и рифт Феникс, 2 - хребет Шеклтона, 3 - хребет Норт-Скотия, 4 - Южно-Атлантический хребет и поднятие Буве, 5 - хребет Агульяс-поднятие Метеор-хребет Шона, 6 - поднятие Кергелен, 7 - Австрало-Антарктический хребет, 8 -горы (хребет) Макуори, 9 - Южно-Тихоокеанское поднятие

однородными распределениями свойств. Помимо динамического фронта, в океанографических исследованиях часто используется понятие гидрологического фронта - линии, разделяющей вертикальные структуры водных масс. Следует отметить, что динамические и гидрологические фронты могут не совпадать. В дальнейшем термин «фронт» будет использоваться в

Рисунок 2. Фронты Южного океана по [От е1 а1., 1995]. ЮГ - Южная граница АЦТ, ЮФ -Южный фронт АЦТ, ПФ - Полярный фронт, САФ - Субантарктический фронт, СТФ -Субтропический фронт. Светло- и темно-серым тонами затемнены области с глубинами менее 2500 и 1500 м соответственно

отношении именно гидрологических фронтов, а «струя» или «течение» - в отношении динамических фронтов.

К середине 90-х гг. XX в. сложилось представление о трехструйной структуре АЦТ [Ога й а!., 1995], состоящего из Субантарктического (САФ), Полярного (ПФ) и Южного (ЮФ) фронтов АЦТ (рис. 2), которое на сегодняшний день считается классическим. При этом САФ и ПФ одновременно являются и динамическими и гидрологическими фронтами, а ЮФ АЦТ -сугубо динамическим фронтом. Еще один фронт - Южная граница (ЮГ) АЦТ,

выделенный указанными авторами и связанный с южным пределом распространения Верхней циркумполярной глубинной воды, представляет собой гидрологический фронт. Отметим, что терминология, использованная в работе [Orsi et al., 1995], не соответствует принятому в настоящей диссертации разделению фронтов на гидрологические и динамические. Поэтому мы будем использовать другую, на наш взгляд более удачную терминологию, предложенную в работе [Кошляков и др., 2011] по исследованию структуры течений в проливе Дрейка, в соответствии с которой ЮФ АЦТ и динамические фронты, связанные с ПФ и САФ, называются соответственно Южным антарктическим (ЮАТ), Южным полярным (ЮПТ) и Субантарктическим (CAT) течениями.

Анализируя фронтальную структуру Южного океана на основе данных спутниковой альтиметрии, данных трансокеанских гидрологических разрезов, климатологии WOCE и данных поплавков Argo, Соколов и Ринтол [Sokolov, Rintoul, 2009а; 2009b] предложили более сложную, девятиструйную классификацию АЦТ. Они выделили по три струи, соответствующие (в нашей терминологии) CAT и ЮПТ, и две ЮАТ, а также рассмотрели ЮГАЦТ в качестве самостоятельной струи (рис. 3). При этом классические ПФ и САФ (рис. 2) соответствуют северной струе ЮПТ и средней струе CAT. Многоструйность АЦТ особенно хорошо выражена в тех районах, где течение расширяется, проходя через обширные глубокие котловины. В районах сужения АЦТ, например, в проливе Дрейка или при пересечении подводных хребтов, струи сливаются, образуя несколько «суперструй».

В разделе 1.3 рассмотрены механизмы формирования придонных вод Мирового океана, а также классификации глубинных и придонных водных масс в Атлантике.

Количественное исследование отдельных элементов Глобального океанского конвейера требует, в числе прочего, детальной и вместе с тем унифицированной классификации водных масс Мирового океана. Учитывая специфику рассматриваемых в настоящей работе задач, для нас представляется

Северная струя Субантарктического течения Средняя струя Субантарктического течения Южная струя Субантарктического течения

180°

Северная струя Южного полярного течения Средняя струя Южного полярного течения Южная струя Южного полярного течения

- Северная струя Южного антарктического течения

- Южная струя Южного антарктического течения

Рисунок 3. Струи АЦТ по [8око1оу, Кнйои1, 2009а]. Названия струй приведены в соответствии с терминологией, предложенной в работе [Кошляков и др., 2011а]. Светло- и темно-серым тонами затемнены области с глубинами менее 2500 и 1500 м соответственно

важной классификация глубинных водных масс. Однако такой единой общепринятой классификации не существует. В приложении к Атлантическому океану можно выделить две отличающихся друг от друга классификации. Схематично эти две классификации сведены вместе на рис. 4.

В первой из классификаций, предложенной Вюстом [Wüst, 1936], выделяются всего две глубинные водные массы. В Атлантике в генеральном южном направлении распространяется относительно соленая СевероАтлантическая глубинная вода (САГВ). В нижележащем придонном слое на

Аргентинская котловина Бразильская котловина

ААГТВ

■ВШВ

ААПрВ

ВЦПВ

НЦГВ\ \

ВСЛГВ--

САГВ

НЦПВ

морс Уэдделла

боем

80°ю.ш.

500(И

СЛФ

J_ _I

Рисунок 4. Схема расположения водных масс в Атлантике; показано также положение экстремумов гидрофизических и гидрохимических свойств, характеризующих отдельные водные массы. ААПВ - Антарктическая поверхностная вода, ААПрВ - Антарктическая промежуточная вода, ВЦГВ - Верхняя циркумполярная глубинная вода, ВЦПВ - Верхняя циркумполярная вода, НЦГВ - Нижняя циркумполярная глубинная вода, НЦПВ - Нижняя

циркумполярная вода, САГВ - Североатлантическая глубинная вода (ВСАГВ, СрСАГВ, НСАГВ - Верхняя, Средняя и Нижняя САГВ, соответственно), УГВ - Глубинная вода моря Уэдделла, УДВ - Донная вода моря Уэдделла, ЦДВ - Циркумполярная донная вода; НЦПВ+УГВ=ААДВ в классификации [Wüst, 1936], УГВ+УДВ =ААДВ в южноокеанской классификации; САФ - Субантарктический фронт, ЮГ - Южная граница Антарктического

циркумполярного течения

север распространяется более холодная и менее соленая Антарктическая донная вода (ААДВ). Именно эта классификация очень часто используется в приложении к большей части Атлантического океана, расположенной к северу от зоны Антарктического циркумполярного течения. В классическом определении [Wüst, 1936] САГВ и ААДВ разграничиваются изолинией потенциальной температуры 9=2.0°С. Однако в региональных исследованиях в качестве граничного используются и другие значения потенциальной температуры от 1.7°С до 2.3°С, при этом в целом в направлении на север Атлантики выбираемые значения температуры растут.

Вторая классификация тесным образом связана с наличием опоясывающего Антарктиду с запада на восток АЦТ. Основной водной массой в полосе АЦТ является Циркумполярная глубинная вода (ЦГВ), весь объем которой, вместе с расположенными над ней Антарктической поверхностной, Антарктической промежуточной и Субантарктической модовой водами, вовлечен в направленный на восток циркумполярный перенос вокруг Антарктиды. Поскольку АЦТ является геострофическим течением, вся толща указанных вод создает препятствие для меридионального водообмена геострофическими же течениями между низкими и высокими широтами Южного полушария. Возможность такого (адвективного) водообмена появляется лишь в слое более плотных вод ниже ЦГВ, который в рамках этой классификации называют Антарктической донной водой (ААДВ). Учитывая, что главным порогом в цепочке бассейнов, окружающих Антарктиду, является район пролива Дрейка и моря Скотия (рис. 1), ААДВ включает в себя все воды, которые не могут преодолеть указанный порог в своем изопикническом распространении с запада на восток. ААДВ и ЦГВ разграничиваются примерно изолинией нейтральной плотности у"=28.26 (изотермой 0=О.2°С). В рамках ААДВ в Атлантике выделяют Глубинную (УГВ) и Донную (УДВ) воды моря Уэдделла. УДВ, в отличие от вышележащей УГВ, из-за топографических ограничений не распространяется за пределы круговорота Уэдделла (абиссальной равнины Уэдделла). Граница между УГВ и УДВ чаще всего ассоциируется с изотермами 9=-0.7°С или 6=-0.8°С.

В слое ЦГВ в рамках описанной южноокеанской классификации выделяют два слоя, характеризуемых экстремумами гидрофизических или гидрохимических параметров. Минимумом концентрации растворенного кислорода и максимумами концентрации биогенных элементов характеризуется верхний слой ЦГВ - Верхняя циркумполярная глубинная вода (ВЦГВ). Указанные характеристики этой воды имеют индо- и тихоокеанское происхождение и связаны с большим возрастом глубинных вод Индийского и Тихого океанов. Максимумом солености характеризуется подстилающая ВЦГВ

Нижняя циркумполярная глубинная вода (НЦГВ), имеющая североатлантическое происхождение. В море Уэдделла воды циркумполярного происхождения называют Теплой глубинной водой (ТпГВ).

В ряде работ указывалось, что из Южного океана на север у дна распространяются не экстремально холодные и плотные антарктические воды, формирующиеся в результате склоновой конвекции на краю антарктического шельфа, а преимущественно нижние слои циркумполярных вод, которые представляют собой, так или иначе, продукт диапикнического смешения НЦГВ и упомянутых антарктических вод. В развитие этой идеи, в приложении к Атлантике в работе [Reíd et al., 1977] была предложена терминология, исходящая из того, что в юго-западной части Атлантики (в Аргентинской котловине) САГВ вклинивается в слой ЦГВ и разделяет его на две части. Эти две части были названы Верхней (ВЦПВ) и Нижней (НЦПВ) циркумполярными водами. В рамках южноокеанской классификации [Orsi et al., 1999] НЦПВ соответствует циркумполярная водная масса, не обновляющаяся изопикнически со стороны САГВ, названная указанными авторами Донной водой АЦТ (ДВ АЦТ). В работах [Кошляков, Тараканов, 2003а, 20036], посвященных исследованию структуры водных масс тихоокеанской Антарктики, в отношении этого слоя был предложен термин Циркумполярная донная вода (ЦДВ), которого далее мы и будем придерживаться в рамках южноокеанской классификации. В тех же работах верхняя граница ЦЦВ была оценена изолинией нейтральной плотности у"=28.16, что примерно соответствует изотермам 0=О.8-О.9°С. С современной точки зрения ЦДВ, почти во всем циркумполярном круге не имеющая какого-либо экстремума гидрофизического или гидрохимического параметра, формируется как за счет диапикнического смешения выше- и нижележащих вод, так и за счет склоновой конвекции на антарктическом шельфе.

В разделе 1.4 на основе литературных источников рассмотрена схема распространения антарктических вод в придонном слое Атлантики.

Распространение глубинных вод от очагов их формирования в Антарктике и Северной Атлантике в направлении к экватору, в силу западной

Рисунок 5. Схема циркуляции придонных вод антарктического происхождения в Атлантике. Схема построена на обобщении карт региональных циркуляций, приведенных в [Могогоу е1 а]., 2010]. Кружки и числа обозначают основные глубоководные каналы, разломы и проходы Атлантики (см. табл. 1)

интенсификации, концентрируется в относительно узких Глубинных западных пограничных течениях, которые в основном приурочены к восточным склонам материков и ориентированных в меридиональном направлении подводных хребтов и цепочек островов. На рис. 5 приведена качественная схема

Таблица 1 - Проходы na пути антарктических вод в Атлантике (рис. 5)

№№ Название Минимальная потенциальная температура, °С Расход, Св

1 проход Филипп < -0.60 8.0 для е<0.2°С

2 проход Оркней

3 проход Брюс

4 проход Дискавери (Discovery Passage)

5 проход Хойер

6 Южно-Сандвичев желоб < -0.70 5.0 для 6<0.2°С

7 проход Шеклтона -0.11 1.0 дляе<0.4°С

8 проход Хиро 0.10

9 проход Георгия <-0.30

11 проход Шег Роке 0.20

14 проход Северо-Восточная Георгия < -0.40

15 Безымянный проход к востоку от поднятия Ислас-Оркадас < -0.70

16 проход Фолкленд < -0.40

17 Нижнее плато Сантус (вместе с котловиной Сантус) 0.12 0-2 для е<2.0°С

18 канал Вима (южная часть) < -0.20 1.8 для 9<0.2°С 2.5-4 для 9<2.0°С

19 канал Хантер 0.17 0.7 для 9<0.2°С

20 Экваториальный канал <0.60 2.1 для 9<1.8°С

21 разлом Чейн 0.40 на входе 1.70 на выходе О.6для0<1.9°С

22 разлом Романш 0.50 на входе 1.40 на выходе 0.6 для9<1.9°С

23 разлом Вима < 1.35 0.5 для 9<1.9°С

24 проход Кейн 1.80 0.0(амплитуда 0.2 Св) для 9<1.9°С

25 проход Дискавери (Discoverу Gap) 2.01 0.2 для 8<2.05°С

26 Западный проход 1.99 0.3 для 9<2.05°С

32 Безымянный разлом в ЮжноАтлантическом хребте на 50° ю.ш. <0.05

33 разлом Буве <-0.10

34 Безымянный разлом в Африкано-Антарктическом хребте на 10° в.д. < -0.20

35 разлом дю Тойта < -0.50

36 разлом Эндрю Бейна

37 разлом Мэрион

38 разлом принца Эдуарда

39 Китовый проход <1.40

44 разлом Рио-де-Жанейро <2.05

45 Разлом Риу Гранди <2.01

распространения этих вод, построенная на основе детальных региональных схем абиссальной циркуляции, опубликованных в монографии [Morozov et al., 2010]. Напомним, что ключевую роль в распространении абиссальных вод играют узкие понижения в хребтах и каналы, связывающие отдельные котловины. В таблице 1 приведены оценки расхода антарктических вод для отдельных абиссальных каналов Атлантики по разным литературным источникам. В таблице 1 также приведены измеренные минимальные значения потенциальной температуры у дна в этих каналах по базе данных World Ocean Data Base 2009 (WODÛ9; коллекция Левитуса, http://www.nodc.noaa.gov/ OC5/WODQ9/pr wod09.html). Отметим, что по мере удаления антарктических вод от своих источников температура у дна повышается.

Во второй главе исследована структура струй и фронтов в трех районах Южного океана - в юго-восточной части Тихого океана (раздел 2.1), в центральной части пролива Дрейка (раздел 2.2) и к югу от Африки (раздел 2.3). Основное внимание при этом уделяется тонкой струйной структуре АЦТ в свете современной многоструйной классификации этого течения, описанной в [Sokolov, Rintoul, 2009а].

В частности, в разделе 2.3 исследована структура фронтов и тонкая струйная структура АЦТ к югу от Африки по данным гидрофизического разреза SR02, выполненного ИО РАН 1-22 декабря 2009 г. на НИС «Академик Иоффе» (рис. 6), а также с использованием 19-летней серии еженедельных спутниковых данных по абсолютной динамической топографии (АДТ) (DT-Global-MADT-Upd product) в этом районе французского агентства CLS (Collecte Localisation Satelittes), публикуемых на сайте http://www.aviso.altimetry.fr/ en/home.html (пример карты на рис. 6).

Анализ двух наборов данных - данных разреза SR02, включавших CTD-измерения на станциях и измерения скорости течений судовым ADCP (SADCP) на станциях и на перегонах между ними, и 19-летней серии еженедельных данных спутниковой альтиметрии в хорошем согласии друг с другом выявил -более тонкую, чем это предполагается девятиструйной классификацией

10°з.д. 5° 0° 5° 10° 15° 20° 25°

Рисунок 6. Карта ЛДТ-AVISO, С, (DT-Global-MADT-Upd product) для района к югу от Африки на 11.12.2009. Затенены области с глубинами менее 3000 м. Кружками отмечено положение станций. Номера приведены для станций, обозначенных красными кружками. Показана дата зарождения и траектория движения циклонического вихря, сформированного на южном склоне банки Агульяс и наблюдавшегося на линии разреза. Жирными цветными линиями выделены изогипсы, соответствующие ядрам струй АЦТ, перечисленным в легенде: САТ-с, САТ-5, САТ-ср, САТ-3, САТ-ю, САТ-1 - струи Субантарктического течения; ЮПТ-с-2, ЮПТ-с-1, ЮПТ-ср, ЮПТ-ю - струи Южного полярного течения; ЮАТ-с и ЮАТ-ю - струи Южного антарктического течения; УТ - течение Уэдделла. Осевые значения АДТ для каждой из струй приведены в таблице 2

[Sokolov, Rintoul, 2009], структуру струй Антарктического циркумполярного течения (АЦТ). Были выделены двенадцать струй в зоне АЦТ. В их числе -шесть струй CAT, четыре струи ЮПТ и две струи ЮАТ (рис. 6). Кроме того, была выделена струя (УТ), соответствующая фронту Уэдделла. При этом, по

Рисунок 7. Распределения модальных значений |V£| в зависимости от £ (DT-Global-MADT-Upd product) для периодов усреднения от 1 дня до 19 лет по части приведенного на рис. 6 сектора океана к югу от 39° ю.ш. Кривые по мере увеличения интервала осреднения смещены вдоль вертикальной оси. Различными цветами выделены также зоны, соответствующие отдельным струям АЦТ и УТ

данным прямых измерений скорости все струи ЮПТ были слиты в единую «суперструю», а остальные струи выделялись локальными максимумами скорости в поверхностном слое. Идентификация струй проводилась, отчасти, на основе температурных критериев, предложенных в работе [Sokolov, Rintoul, 2009а], с учетом их применимости, исследованной в разделе 2.1 настоящей диссертации. Для вновь выделенных струй были предложены новые критерии. По данным альтиметрии струи выделялись по значениям абсолютной динамической топографии (АДТ, Q, соответствующим локальным максимумам градиента АДТ (|V0 на модальных кривых (т.е. кривых, образованных

из наиболее часто встречающихся при каждом значении Q (рис. 7),

осредненных за промежуток времени от одного дня до полугода по сектору

Южного океана, охватывавшему район проведения работ в 2009 г. (рис. 6). Как видно из рис. 7, на этих временных промежутках осреднения локальные максимумы |V?| неплохо сохраняют свое положение во времени на оси ¡¡. На больших промежутках кривые выглаживаются вплоть до исчезновения

некоторых из локальных максимумов (рис. 7).

Для сравнения результатов анализа в полосе АЦТ данных разреза и данных спутниковой альтиметрии, на одном графике (рис. 8) были построены две АДТ. Первая из них (АДТ-AVISO) рассчитана по данным альтиметрии. При этом значения АДТ-AVISO рассчитывались на точки станций путем интерполяции по времени между базовыми временными отсчетами ежедневных данных DT-Global-MADT-Upd. Точки пересечения построенной таким образом кривой АДТ-AVISO и горизонтальных линий, соответствующих значениям С, в ядрах струй (таблица 2), показывают положение осей струй АЦТ и УТ на линии разреза по альтиметрическим данным. На рис. 8 следует отметить по большей части совпадение положений осей струй, полученных двумя разными методами. Вместе с тем имеются и расхождения.

Вторая АДГ (АДТ-SADCP) была рассчитана динамическим методом по CTD-данным гидрофизического разреза с баротропной поправкой, определяемой по данным измерений скорости судовым ADCP. Суть поправки заключается в смещении геострофической кривой (для каждой пары станций) на такую постоянную по глубине величину скорости, при которой средние по слою от 50 до 850 м (диапазон измерения SADCP) значения скоростей (рассчитанной и измеренной на станциях с помощью SADCP) оказываются равными. Затем по полученным таким образом абсолютным геострофическим скоростям рассчитывалась АДТ путем интегрирования вдоль разреза значений этих скоростей на поверхности океана с домножением на flg, где / - параметр Кориолиса, а g — ускорение свободного падения. Поскольку перепад высот обеих АДТ поперек АЦТ оказался практически одинаковым, константа

2280 2275 22711 2265 22(.0 2255 2250 22J5 2240 2235 22.41 2225 2220 2215 2210 22(15 2200

■ ■ ■ ч ■ ' ■ ' I I I I [ i > r i ii ii ii ii ■ i ii ii ii

Рисунок 8. Распределения вдоль разреза ЛДТ-AVISO, С, (DT-Global-MADT-Upd product) и

АДТ-SADCP, рассчитанной динамическим методом с баротропной поправкой, определенной по данным измерений скорости течений с помощью SADCP. Горизонтальные линии с цветрыми полосами показывают положение осевых значений и доверительный интервал ^ для каждой из струй по результатам статистического анализа данных альтиметрии. Засечки наверху - места пересечения разреза с осями этих струй по результатам анализа прямых измерений гидрофизических параметров

интегрирования для ЛДТ-SADCP определялась путем совмещения этой кривой

с АДТ-AVISO в точке САТ-с (рис. 8).

Если интерпретировать точки пересечения АДТ-SADCP, построенной

описанным выше образом, с горизонтальными линиями на рис. 8 в качестве

осей струй АЦТ и УТ на разрезе, то в этом случае будет наблюдаться их

совпадение (с точностью до интервала между станциями) с ядрами струй по

данным анализа прямых гидрофизических измерений. Факт такого совпадения

указывает на два обстоятельства:

1. AflT-SADCP на линии разреза представляется более достоверной, чем

АДТ-AVISO.

2. Статистический анализ данных АДТ- Таблица 2 -Значения адт-

AVISO, соответствующие ядрам AVISO по району Южного океана к югу от СТруд ацт и ут на рис. 6 и 8

Африки, несмотря на наличие в этих данных существенных ошибок (порядка ширины отдельных струй в ед. АДТ), дал вполне достоверную оценку осевых для каждой из струй значений ^ в приложении к истинной АДТ, в качестве которой на линии разреза можно рассматривать АДТ-8АЛСР.

Воды Субтропической зоны на линии разреза 81102 2009 г., от Южного субтропического фронта, располагавшегося примерно на 42° ю.ш., до Шельфово-склонового фронта у берега Африки, были представлены почти полностью водами Индийского океана (Агульясского меандра), лишь модифицированными смешением с более пресными водами юго-восточной периферии субтропической Атлантики. В этой зоне разрез пересекал большой, распадающийся на отдельные вихри, сегмент Агульясского меандра, два самостоятельных антициклонических вихря Агульясского течения (АТ) и два циклонических вихря АТ, один из которых сформировался на южном склоне банки Агульяс (рис. 6).

Третья глава посвящена исследованию влияния орографических особенностей рельефа дна, в частности подводных хребтов, на абиссальную циркуляцию и на глубину распространения АЦТ в районе пролива Дрейка и моря Скотия (рис. 9). Оценивается эффективное сечение АЦТ в проливе Дрейка. Исследование выполнено на основе данных российских экспедиций в проливе Дрейка 2003-2011 гг., включающих СГО-зондирование и измерение

Струи АЦТ АДТ-AVISO, см

САТ-с 19.0±2.0

САТ-5 11,0±2.0

САТ-ср 4.0±3.0

САТ-3 -14.5±2.5

САТ-ю -27.5±2.0

САТ-1 -41.5±2.5

ЮПТ-с-2 -54.5±2.0

ЮПТ-с-1 -63.0±2.0

ЮПТ-ср -77.0±2.5

ЮПТ-ю -88.5±2.0

ЮАТ-с -102.5±1.0

ЮАТ-ю -114.5±2.0

УТ -125.0±1.5

Рисунок 9. Рельеф дна в проливе Дрейка и море Скотия. Красным цветом выделены отдельные пороги этого барьера. Показаны также классические фронты АЦТ: САФ — Субантарктический фронт, ПФ - Полярный фронт, ЮФ - Южный фронт АЦТ, ЮГ -

Южная граница АЦТ

Рисунок 10. Положение гидрофизических разрезов в исследуемом районе (табл. 3). Светлосерым и темно-серым тонами показаны соответственно области с глубинами менее 2500 и 200 м. Жирная синяя линия - восточная граница исследуемого сектора

Таблица 3 - Гидрофизические разрезы в проливе Дрейка и море Скотия (рис. 10)

Разрез Обозначение на рис. 10 Время выполнения Судно Страна

SRO 1а О Сентябрь 1992 R/V «Polarstern» Германия

SRO lg о Ноябрь 1994 R/V «Vidal Gormaz»

SRO Im о Декабрь 1997 -Январь 1998 RRS «James Clark Ross» США

A16s ш Февраль 1989 R/V «Melville» США

A21 99 S04 99 A23 99 Falk 99 о Март-апрель 1999 RRS «James Clark Ross» Великобритания

Drk75a Drk75b Drk75c о Февраль 1975 R/V «Atlantis II» США

Falk 80 о Август-Сентябрь 1980 R/V «Atlantis II» США

Drk80 Октябрь 1980 R/V «Atlantis II» США

AJAX 3 Февраль 1984 R/V «Atlantis II» США

Drk93 о Май 1993 R/V «Nathaniel В. Palmer» США

Drk95 о Декабрь 1995 R/V «Hesperides» Испания

Drk96 о Январь 1996 R/V «Hesperides» Испания

DvtI97e Dvtl97w о Август 1997 R/V «Nathaniel В. Palmer» США

Dvtl98 о Январь 1998 R/V «Hesperides» Испания

Drk03 о Декабрь 2003 НИС «Академик Сергей Вавилов» Россия

Drk05a Ноябрь 2005 НИС «Академик Иоффе» Россия

Drk05b о Ноябрь 2005 НИС «Академик Иоффе» Россия

Drk07 о Ноябрь 2007 НИС «Академик Иоффе» Россия

Drk08 • Октябрь-ноябрь 2008 НИС «Академик Сергей Вавилов» Россия

DrklOa о Январь 2010 НИС «Академик Иоффе» Россия

DrklOb о Ноябрь 2010 НИС «Академик Сергей Вавилов» Россия

Drkll Октябрь-ноябрь 2011 НИС «Академик Иоффе» Россия

скоростей течений погружаемым АБСР, исторического массива СГО-данных (рис. 10, таблица 3), климатического массива по температуре и солености и с привлечением данных спутниковой альтиметрии.

Раздел 3.1 является вводным, в нем описана топография района, водные массы и пути их распространения по результатам предыдущих исследований.

Район пролива Дрейка и западной части моря Скотия является единственным районом Южного океана, где опоясывающее Антарктиду с запада на восток АЦТ распространяется практически от одного континентального склона до другого - от антарктического до южноамериканского. При этом вся толща вод в зоне АЦТ от поверхности до 2700-3000 м переносится в генеральном северо-восточном направлении. Хребты в этом районе - хребет Хиро вместе с рифтом Феникс, хребет Шеклтона, хребет Норт-Скотия вместе с относительно мелкой восточной частью моря Скотия - образуют орографический барьер для АЦТ. Отдельные струи этого течения, пересекая указанные хребты, привязываются к проходам в них. В частности, при пересечении хребта Норт-Скотия CAT (классический САФ) привязывается к проходу 54-54, ЮПТ (классический ПФ) - к проходу Шег-Рокс, ЮАТ (классический ЮФ АЦТ) - к проходу Георгия (рис. 9); ЮГ АЦТ также приурочен к проходу Георгия. В структуре глубинных водных масс следует отметить, что на большей части моря Скотия, за исключением его северо-западного сектора, придонное положение занимает ААДВ (в южноокеанской классификации), представленная здесь УГВ. УГВ отмечается также в проливе Дрейка в Южно-Шетландском желобе к западу от хребта Шеклтона (рис. 3). На остальной части моря Скотия и пролива Дрейка у дна располагается ЦДВ. На рис. 11 показана схема распространения ЦЦВ и УГВ в море Скотия и проливе Дрейка, построенная по данным публикаций.

В разделе 3.2 проанализирована глубина распространения и эффективное сечение АЦТ в проливе Дрейка и море Скотия.

На рис. 12 показаны кривые нарастающего от дна переноса вод, рассчитанного по CTD-данным и LADCP-измерениям скорости течений для четырех разрезов поперек пролива Дрейка. Суммирование велось по изопикническим слоям, но вертикальный масштаб сохранен в метрах для того, чтобы дать представление о толщине этих слоев. Основанием именно для

Рисунок П. Схема циркуляции в слоях УГВ (красные стрелки), ЦДВ и ТпГВ (зеленые стрелки) по данным публикаций. Темно- и светло- серым тонами затемнены области с глубинами менее 3000 м и 1500 м соответственно. Остальное - как на рис. 9

такого способа расчета нарастающего переноса является представление о квазиизопикническом распространении водных масс. Важно отметить, что поскольку ЬАГ)СР измеряет все течения, вне зависимости от их физической природы, и кроме того, разрезы выполнены вдоль разных траекторий, то все четыре серии измерений можно считать нескоррелированными между собой.

На всех четырех разрезах нарастающий от дна суммарный перенос колеблется в слоях ААДВ и ЦЦВ около нуля (в пределах нескольких свердрупов), и лишь начиная с верхней границы слоя ЦДВ отмечается устойчивый рост расхода (рис. 12). При этом амплитуда водообмена, т.е. сугубо восточный или сугубо западный перенос в слое ЦДВ+ААДВ на трех разрезах, пересекавших хребет Шеклтона, составляет около 22-28 Св, а на одном, выполненном практически по его гребню, - около 8 Св. Указанные величины оказываются более чем на порядок больше суммарного переноса в этом слое. Почти троекратное различие в амплитудах водообмена между разрезом Бгк07 и разрезами ОгкОЗ, ЭгкЮа и Пгк11 очевидным образом указывает на

расхол. Св

-4000

УГВ

[ Нпиорь 2(107 50 100 150 200 расхол, Св

-4000

: угв

:(В) _ _| Иикар!- 20101

Ч 1 I 1 I 1 I 1 I ^ -50 0 50 100 150 200

расхол. Св

УГВ

50 100 рясхил, Св

-1(1(10

Рисунок 12. Нарастающий от дна перенос воды через пролив Дрейка (синяя жирная кривая), рассчитанный по данным ЬАЭСР для разрезов декабря 2003 г. (а), ноября 2007 г.

(б), января 2010 г (в) и ноября 2011 г. (г). Тонкие синие кривые показывают собственно положительный и отрицательный нарастающие переносы. Способ суммирования описан в тексте автореферата. Затемненная область, ограниченная красной штриховой линией, соответствует площади сечения разреза

формирование в котловинах, примыкающих к хребту Шеклтона, абиссальных циркуляций (в слое ААДВ+ЦДВ), более интенсивных, чем водообмен через хребет.

Следует отметить, что течения западной направленности в абиссали в проливе Дрейка не сосредоточены у континентального склона Антарктиды в системе Склонового антарктического течения, а распределены по всему сечению пролива. Эта особенность видна, например, в распределении измеренной нормальной составляющей скорости течения на разрезе Drk07, выполненном вдоль гребня хребта Шеклтона (рис. 13). При этом, как видно из рис. 13, все абиссальные течения (как западной, так и восточной направленности) в слое ЦДВ+ААДВ характеризовались придонной интенсификацией. Все перечисленные выше обстоятельства показывают, что в абиссали пролива Дрейка, по меньшей мере, в слоях ААДВ и ЦДВ, формируется весьма интенсивная циркуляция, принципиально отличная от переноса поверхностно-интенсифициро-ванными струями АЦТ. Более детально абиссальная циркуляция в море Скотия и проливе Дрейка в этих слоях рассмотрена в разделах 3.3 и 3.4.

Указанные выводы определяют верхнюю границу ЦДВ (у"=28.16) в качестве нижнего предела распространения АЦТ в проливе Дрейка. Отметим, что это - оценка глубины АЦТ «снизу», полученная путем исследования циркуляции и свойств абиссальных вод. Вместе с тем, очевидно, что в северной части пролива Дрейка и моря Скотия, где эта изопикна заглубляется ниже 3000 м, ограничение АЦТ по глубине является более жестким. Так, средние струи АЦТ лимитируются глубиной прохода Шег-Рокс (примерно 2900 м), к которому привязано ЮПТ-с, а в зоне CAT такое ограничение оказывается еще сильнее, поскольку его северные струи САТ-ср и САТ-с проходят через проход 54-54 с глубиной около 1600 м.

В работе [Кошляков и др., 2013] структура течений на разрезе Drkll через пролив Дрейка, выполненном ИО РАН в октябре-ноябре 2011 г., анализировалась с учетом изложенной в настоящей главе диссертации

ЮПТ-сп

ЮЛТ-ю ЮАТ-с ЮПТ-ю ЮТ1Т-С ЮПТ-с ЮПТ-с САТ-ю СЛТ-ср СЛТ-с

бГю.ш. 60 54 58 57

Рисунок 13. Распределение нормальной к разрезу составляющей скорости течения по данным измерений ЬАБСР на разрезе 2007 г. Показано положение изопикн у "=28.26, у"=28.23, у"=28.16. Засечками наверху отмечено положение станций и ядер течений.

Расшифровка аббревиатур приведена, например, в подписи к рис. 6

концепции об ограничении проникновения АЦТ в глубину океана орографическим барьером пролива Дрейка и моря Скотия и результатов работы [СЬегеБкт е1 а1., 2009] о формировании в котловине Яган абиссальных вихрей. На рис. 14 показано распределение измеренной нормальной разрезу составляющей скорости на упомянутом разрезе. Разграничение поля скорости на рис. 14 упрощено по сравнению с интерпретацией работы [Кошляков и др., 2013]. Здесь выделена целиком зона АЦТ, зоны абиссальных циркуляций к югу и к северу от хребта Шеклтона, а также зоны склоновых течений Антарктиды и Южной Америки. Абиссальная зона к северу от хребта Шеклтона охватывала слой примерно от 1800 м до дна и включала в себя абиссальные вихри с оценкой интенсивности переноса 20.4 Св (22.0 Св) на запад (восток). В абиссальной зоне к югу от хребта Шеклтона соответствующие оценки

62°ю.ш. 61° 60° 5')° 5Я° _ 57°

I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-Г

60°1.д. 61° 62° 63° Ы° 65° 66°

Рисунок 14. Распределение на разрезе Эгк 11 (28.10-4.11.2011) нормальной разрезу составляющей скорости течения (см/с) по ЬАВСР данным [Кошляков и др., 2011]. Показана

изопкина у"=28.16. Жирная штриховая кривая отделяет по глубине зону АЦТ от зон абиссальных и склоновых течений. АЦТ - Антарктическое циркумполярное течение, СкАТ - Склоновое антарктическое течение, ВСОТ - Верхнее склоновое огненноземельское

течение

составили 30.1 Св (29.4 Св) на запад (восток); верхняя граница этой зоны оказалась в целом несколько выше изопикны у"=28.16. Таким образом, суммарный перенос в обеих абиссальных зонах оказался квазинулевым.

На основе того же набора данных для района пролива Дрейка и моря Скотия и с учетом перечисленных выше выводов раздела 3.2 в указанном районе более детально исследованы свойства и циркуляция УГВ (28.26</'<28.40) (раздел 3.3) и ЦДВ (28.16<7"<28.26) (раздел 3.4). На рис. 15 в качестве примера показана циркуляция в слое ЦДВ. Главный результат заключается в принципиальных различиях между рис. 15 и 11. В частности, показано, что:

1. Хребты Шеклтона и Хиро (рис. 9) представляют собой барьеры, существенно затрудняющие водообмен поперек них для вод слоя ЦДВ. Вместе

Рисунок 15. Топография (м) верхней граничной поверхности ЦДВ и ТпГВ в проливе

Дрейка и море Скотия. Заштрихована область с глубинами менее 2000м. Жирная штриховая линия разграничивает области распространения этих водных масс. Желтые кружки - станции бокса ALBATROSS. Стрелками показана авторская схема распространения ЦДВ и ТпГВ в исследуемом районе

с тем указанные хребты не полностью блокируют поперечный к ним водообмен в слое ЦДВ, что приводит к образованию ряда как стационарных, так и нестационарных циркуляций в районах, прилегающих к этим хребтам и вокруг самих хребтов (рис. 15). Еще одной важной чертой картины течений в абиссали этого района океана является наличие в слое ЦДВ поперечного к АЦТ переноса из моря Уэдделла восточнее хребта Шеклтона (рис. 15).

2. В слое УГВ показана возможность существования дополнительного, не описанного ранее пути распространения УГВ через море Скотия, связанного с оттоком УГВ из направленного на запад Склонового антарктического течения, последующим удержанием этой воды южными струями АЦТ и переносом ее в восточную часть моря Скотия.

Четвертая глава посвящена исследованию свойств потока антарктических вод в глубоководных каналах, разломах и проходах Атлантического океана (канале Вима - раздел 4.1, разломе Романш - раздел

4.2, проходе Кейн - раздел 4.3, проходах в Восточно-Азорском хребте - раздел 4.4) и путей распространения этих вод в прилегающих к каналам районах.

В частности, в разделе 4.2 рассматриваются свойства придонного потока антарктических вод в никогда ранее не исследовавшейся западной части экваториального разлома Романш.

Главным механизмом, приводящим в движение абиссальный поток в экваториальных каналах Атлантики, является зональный бароклинный градиент давления между Западной и Восточной Атлантикой на глубинах больше 3500 м. В отсутствие геострофического баланса такой градиент компенсируется трением и нелинейными членами в уравнении переноса импульса. В разломе Романш направленный на восток поток абиссальных вод характеризуется наличием абиссального термоклина (пикноклина) в слое с потенциальной температурой 9<1.9°С (верхняя граница ААДВ в разломе Романш). Указанный термоклин формируется в западной части Атлантики. По мере прохождения через разлом Романш, за счет интенсивного изо- и диапикнического перемешивания, он разрушается, так что в восточном бассейне Атлантики этой особенности в абиссальных водах уже не обнаруживается.

При определенных условиях в направленном на восток потоке может формироваться глубоководный водопад, когда поток более плотной воды, пройдя седловину на его пути, опускается вдоль склона со значительным уклоном. При этом наблюдается расщепление потока по глубине на несколько скоростных ядер.

Используя разрушение термоклина и расщепление абиссального потока в качестве отличительных признаков возможных водопадов, соответствующие исследования проводились силами ИО РАН, начиная с 2011 г., в западной части разлома Романш (рис. 16, 17), в месте предполагавшегося затока холодной ААДВ в канал разлома, где ранее никаких измерений не выполнялось. Эти исследования показали, что в указанном районе формируется сложный каскад водопадов, охватывающий слой вод примерно с 0<1.2°С.

Рисунок. 16. Рельеф дна в районе разломов Романы и Чейн по базе данных [Smith, Sandwell, 1997]. Жирными зелеными линиями показаны гребни Южной и Северной стен разлома, желтыми - тальвеги разломов Романш и Чейн, красными кружками - положение CTD-станций по базе данных WOD09; квадратной рамкой выделен сектор разлома Романш,

приведенный на рис. 17 и 18

Глубина, м

Глубина, м

200 1000 2000 3000 3400 3800 4200 4600 5000 5400 5800 9000

Рисунок 17. Рельеф дна в районе входа в разлом Романш по базе данных [Smith, Sandwell, 1997], скорректированный по эхолотному промеру 2011-2014 гг. Цветными кружками и числами отмечены точки и номера станций полигонов 201 1-2014 гг. (см. легенду)

Основной (по расходу) заток холодных абиссальных вод в канал разлома Романш осуществляется через относительно узкое (около 5 км) понижение в южной стене разлома (Южный вход-1) (рис. 18, 19). При этом поток опускается примерно с 4600 м на седловине до 5000 м во впадине разлома. Рис. 20 хорошо иллюстрирует динамику этого процесса - разрушение нижней части абиссального термоклина, наличие локального бароклинного градиента температуры (а следовательно и давления), направленного внутрь разлома, сползание ядра потока вниз и его ускорение. Менее интенсивный поток холодной воды следует по очень узкому (около 2 км) каналу в южной долине разлома (Западная седловина-1) (рис. 18, 19). В этом случае поток опускается с 4400 м до 5000 м в упоминавшейся впадине разлома. Расход воды с 9<1.0°С через Южный вход-1 и Западную седловину-1 оцениваются примерно в 0.2 и 0.1 Св соответственно. Оба потока, пройдя глубокую впадину разлома напротив Южного входа-1, сливаются вместе и, следуя на восток, снова поднимаются на седловину в южной долине разлома глубиной около 4900 м (рис. 19). По мере продвижения этого объединенного потока на восток в глубокую часть разлома (с глубиной до 5600 м) наблюдается его дальнейшее расщепление на скоростные ядра по глубине. Измеренные на седловинах Южный вход-1 и Западная седловина-1 придонные потенциальные температуры (0.51°С и 0.53°С соответственно; рис. 18) являются минимальными из всех когда-либо измерявшихся в разломе Романш (более чем на 0.1 °С). По ходу абиссального потока от указанных седловин наблюдается резкое повышение температуры на очень коротком расстоянии (до 0.1 °С на 5 миль), что в сочетании с большими значениями скоростей абиссального потока (до 45 см/с на седловинах; рис. 19) предполагает наличие потенциально очень интенсивного вертикального турбулентного обмена, происходящего в зоне водопада.

Интенсивность такого перемешивания можно оценить, зная вертикальные распределения температуры и скорости над порогами и распределение придонной температуры по ходу разлома. Сечения проходов Южный вход-1 и Западная седловина-1 и любая изотермическая поверхность с 0<1.ОО°С,

Рисунок 18. Значения потенциальной температуры (°С) у дна океана по данным измерений на станциях 201 1-2014 гг. Зеленым и красным цветом выделены Бокс-1 и Бокс-2, использованные для расчета коэффициента кросс- изотермического перемешивания

22.75 °з.д. 22.5 22.25

Рисунок 19. Векторы скорости течения в абиссальном потоке на входе в разлом Романш по данным измерений ЬАЭСР 2011-2014 гг. (за исключением разреза 2011 г.). Векторы приведены для горизонтов с наибольшей скоростью

-20 0 20 0 20 40 0 20 40

Скорость, см/с

Рисунок 20. Распределение потенциальной температуры (°С) и профили зональной (и) и меридиональной (V) компонент скорости в придонном слое на меридиональном разрезе вдоль Южного входа-1 от седловины до впадины в южном каньоне разлома Романш

выклинивающаяся по ходу движения потока ко дну разлома, образуют замкнутый бокс. Для такого бокса должен соблюдаться баланс между входящим через сечение прохода адвективным потоком тепла, выходящим адвективным потоком и диффузионным потоком тепла поперек этой изотермической поверхности. Указанный баланс дает формулу для оценки коэффициента кросс-изотермического перемешивания (из работы [Теггоп е! а1., 1998] с некоторой модификацией):

в которой 0"е' - величина, пропорциональная входящему в бокс чисто адвективному потоку тепла, Эг6 - вертикальный градиент температуры,

средний по изотермической поверхности площадью А и потенциальной температуры 9^; ()"а ^(Зэ- 0$,, где и (Ув -входящие в слое 0<95 перенос воды и поток потенциальной температуры соответственно.

Для расчета коэффициента кросс-изотермического перемешивания на входе в разлом Романш были рассчитаны потоки воды и тепла в двух боксах, показанных на рис. 18. Для Боксов-1 и -2 были выбраны значения 9Л, равные 0.61 °С и 0.64°С соответственно. Получившиеся оценки кт составили (300-600)-10"4 м2/с для Бокса-1 и 55-Ю"4 м2/с для Бокса-2. Такие величины вертикального турбулентного перемешивания являются одними из самых больших когда-либо фиксировавшихся в Мировом океане.

В Заключении сформулированы основные результаты работы. В частности:

1. К югу от Африки выявлена тонкая струйная структура АЦТ, состоящего из шести струй САТ, четырех ЮПТ и двух ЮАТ. Исследование выполнено на основе разработанного автором диссертации комплексного метода выделения и идентификации струй АЦТ, который включает в себя анализ данных АДТ в каком-либо секторе Южного океана вероятностно-статистическими методами, базирующийся на гипотезе о привязке ядер струй во времени и пространстве к определенным изогипсам, и анализ данных гидрофизического разреза, пересекающего АЦТ в этом же районе. Анализ данных альтиметрии позволяет получать траектории струй на поверхности океана, оси которых при этом устойчиво привязаны на некоторых промежутках времени к определенным изогипсам, а сопоставление этих изогипс с осями струй на гидрофизических разрезах дает возможность идентифицировать эти струи и проверить правильность найденного решения на участках пересечения струй и разреза. Таким образом, положение струй и их изменчивость контролируется рядом независимых (не связанных между собой) параметров, полученных разными приборами (СШ, АБСР, спутниковые наблюдения), что позволяет более надежно и подробно описать струйную структуру АЦТ в Южном океане.

2. В проливе Дрейка на основе натурных данных оценено эффективное сечение АЦТ. К югу от классического ПФ АЦТ распространяется не глубже

изопикны у"=28.16 (0=О.8°-О.9°С), и к южной периферии АЦТ поднимается примерно до 1000 м. На северной периферии нижняя граница АЦТ резко неизопикнична. Она поднимается примерно от 2500-2900 м на ПФ до 1600— 1800 м в зоне САТ-с. Показано, что на глубинах, больших указанной выше нижней границы АЦТ, формируется циркуляция, принципиально отличная от переноса струями АЦТ. Важной чертой этой циркуляции является наличие в районе между хребтами Шеклггона и Норт-Скотия поперечного к линиям тока АЦТ и направленного к северу переноса в слое ЦЦВ. Существенную роль в ограничении АЦТ по глубине и в формировании абиссальной циркуляции в проливе Дрейка и море Скотия играет орографический барьер этого района, состоящий, по крайней мере, из трех последовательных порогов: хребта Хиро вместе с рифтом Феникс, хребта Шеклтона и хребта Норт-Скотия вместе с относительно мелкой восточной частью моря Скотия.

3. В западной части экваториального разлома Романш в Срединно-Атлантическом хребте на входе в канал разлома установлено существование глубоководного водопада (ускорения гравитационного потока при перетекании через порог) со сложной трехмерной каскадной структурой. В районе водопада выявлена область с одной из самых высоких интенсивностей вертикального перемешивания, фиксировавшихся где-либо в Мировом океане. Существование подобных областей ("горячих точек"), с современной точки зрения, предполагается необходимым для реально наблюдаемой в Мировом океане плотностной стратификации.

Список публикаций по теме диссертации в рецензируемых журналах

1. Кошляков М.Н., Гладышев C.B., Тараканов Р.Ю., Рыжиков Н.И. Глубинные течения в центральной части пролива Дрейка по данным съемки 2008 г. И Океанология. - 2010. - Т. 50. - № 6. - С. 869-876.

2. Кошляков М.Н., Гладышев C.B., Тараканов Р.Ю., Федоров Д.А. Течения в проливе Дрейка по данным наблюдений в октябре-ноябре 2011 г. // Океанология. - 2013. - Т. 53,- № 1,- С. 5-16.

3. Морозов Е.Г., Тараканов Р.Ю. Проход Дискавери — конечная точка распространения Антарктической донной воды // Докл. РАН. - 2012. - Т. 446. - № 4. - С. 453-455.

4. Морозов Е.Г., Тараканов Р.Ю. Вытекание Антарктической донной воды из канала Вима в Бразильскую котловину // Докл. РАН. - 2014. - Т. 456. -№ 2. - С. 227-230.

5. Тараканов Р.Ю. Антарктическая донная вода в море Скотия и проливе Дрейка // Океанология. - 2009. - Т. 49. - № 5. - С. 658-672.

6. Тараканов Р.Ю. Циркумполярная донная вода в море Скотия и проливе Дрейка//Океанология.-2010.-Т. 50.-№ 1.-С. 5-12.

7. Тараканов Р.Ю. Южные струи антарктического циркумполярного течения в восточной части тихоокеанской Антарктики // Океанология. - 2011. - Т. 51,-№4.-С. 627-638.

8. Тараканов Р.Ю. Море Скотия и пролив Дрейка как орографический барьер для Антарктического циркумполярного течения // Океанология. - 2012. -Т. 52.-№2.-С. 176-189.

9. Тараканов Р.Ю. Струи Антарктического циркумполярного течения в центральной части пролива Дрейка по данным съемки в октябре-ноябре 2008 г. // Океанология. - 2014. - Т. 54. - № 1. - С. 5-11.

\О.Тараканов Р.Ю., Гриценко A.M. Структура струй и фронтов к югу от Африки по данным разреза SR02 в декабре 2009 г. // Океанология. - 2014. -Т. 54,-№4.-С. 437-450.

11. Тараканов Р.Ю., Гриценко A.M. Тонкая струйная структура Антарктического циркумполярного течения к югу от Африки // Океанология. - 2014. - Т. 54. - № 6. С. 725-736.

12.Тараканов Р.Ю., Морозов Е.Г., Гриценко A.M., Демидова Т.А., Макаренко Н.И. Перенос Антарктической донной воды через проходы в Восточно-Азорском хребте (37°с.ш.) в Восточной Атлантике // Океанология. - 2013. -Т. 53,-№4.-С. 486-496.

\Ъ.Тараканов Р.Ю., Макаренко Н.И., Морозов Е.Г. Поток Антарктической донной воды в западной части разлома Романш по данным измерений в октябре 2011 г. // Океанология. - 2013. - Т. 53. - № 6. - С. 737-749.

14.Morozov Е„ Tarakanov R., van Haren Н. Transport of Antarctic bottom water through the Kane Gap, tropical NE Atlantic Ocean // Ocean Sci. - 2013. - V. 9. - № 9. - P. 825-835.

15.Morozov E., Tarakanov R„ Ansorge /., Swart S. Jets and Transport of the Antarctic Circumpolar Current in the Drake Passage // Фунд. прикл. Гидрофизика. - 2014. - №3. - С. 23-28.

Список статей по теме диссертации в нерецензируемых журналах и

сборниках

\6.Тараканов Р.Ю., Гриценко A.M. Структура фронтов в районе к югу от Африки по данным разреза SR02 в декабре 2009 г. и спутниковой альтиметрии // Электронный журнал "Исследовано в России". - 2011. - Т. 14. - С. 672-684. http://zhurnal.ape.relarn.ru/ articles/201 lZ053.pdf. 17.Тараканов Р.Ю., Гриценко A.M., Демидова Т.А. Поток Антарктической донной воды через проходы в Восточно-Азорском хребте в Восточной Атлантике // Электронный журнал "Исследовано в России".- 2012. - Т. 15. - С. 292-300. http.7/zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2012/024.pdf.

Статья в рецензируемом журнале, принятая к печати М.Тараканов Р.Ю., Морозов Е.Г. Поток Антарктической донной воды на выходе из канала Вима // Океанология. - 2015. - Т. 55. - № 1 (в печати).

Подписано в печать 09.02.2015

Объем: 2,75 усл. п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 2064 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, Проспект мира, д. 38 +7(495)979 98 99; www.reglet.ru