Impact of salt finger convection on the structure of oceanic thermohalocline

Full Text

Издавна известно, что водная толща океана является макромасштабно-стратифицированной. Г. Эллис, капитан британского невольничьего судна “Earl of Hallifax”, еще на стыке 1750 и 1751 гг. впервые наблюдал низкую температуру подповерхностных вод даже в районе тропиков (к западу от побережья Африки)¹ [15]. Лишь спустя много лет стало понятно, что эти воды формируются под влиянием процессов в субполярных районах. Дальнейшее накопление материалов глубоководных наблюдений в результате целенаправленных исследований вод океанов позволило известному австрийскому океанологу и метеорологу А. Дефанту в 1928 г. [14] предложить, по аналогии с атмосферой, деление толщи океана на “океаническую тропосферу” — верхнюю (теплую, высокосоленую, легкую и сильностратифицированную), сравнительно небольшую по объему часть, и “океаническую стратосферу” — нижнюю (холодную, низкосоленую, тяжелую и слабостратифицированную) глубинную основную часть океана. Такое упрощенное двухслойное макрорасчленение океана предопределяло трактовать активно взаимодействующую с атмосферой “океаническую тропосферу” как объект, термодинамически изолированный от нижележащей “океанической стратосферы”.

По мере углубления физических представлений о стратификации и структуре вод океана и особенностях его регионального взаимодействия с атмосферой стало выясняться, что даже циркуляция поверхностных вод, формируемая, казалось бы, под непосредственным воздействием ветра, самым тесным образом связана со строением всей водной толщи, включая ее глубинную часть [2]. Поэтому вопросы “каковы основные закономерности структуры вод океанов”; “как формируются и поддерживаются их самые крупные структурные компоненты (водные массы)”; “каковы причины смещения границ между этими компонентами во времени и пространстве”; ну и, конечно, “какие гидрофизические процессы ответственны за формирование упорядоченных элементов вертикальной структуры в толще вод” остаются кардинальными проблемами океанологии. Вопросы макромасштабного структурообразования в последнее время приобрели новую актуальность в связи с обнаружением неожиданно важной роли термохалинной конвекции типа “солевых пальцев” (далее — конвекции солевых пальцев), развивающейся в гидростатически устойчивых слоях океана, но с сильным дестабилизирующим влиянием солености, в формировании климата всего Мирового океана.

Необходимая идеология для рассмотрения связи этого мелкомасштабного явления с крупномасштабными подготовлена исследованием К. Н. Федорова эффективности различных механизмов перемешивания в толще вод океана [10]. При этом автор высказал убеждение, что стационарное состояние пикноклина может осуществляться лишь при участии солевых пальцев. В работах [7–9, 11] мы уже продемонстрировали ряд закономерных крупномасштабных последствий диапикнического (вертикального) тепло- и массопереноса солевыми пальцами, возбуждаемого в стратифицированных водах океана двойной диффузией из-за различия (~в 100 раз) коэффициентов молекулярной температуропроводности (k_T) и диффузии соли (k_S). Отметим, что подробное описание всего класса явлений, обусловленных двойной диффузией, сравнительно недавно представил Т. Радко [16].

Здесь мы сконцентрируемся на одной из центральных проблем физической океанологии — формировании стационарного термохалинного пограничного слоя в океане или океанического термохалоклина. В отличие от вышерасположенного относительно тонкого и более резко выраженного сезонного (верхнего) термоклина, океанический термохалоклин обычно называется как главный (постоянный) пикноклин или главный термоклин, т. к. гидростатическая устойчивость его вод обеспечивается за счет изменения температуры. Океанический термохалоклин — фундаментальное понятие океанологии, строго не определяемое, включает в себя переходный слой с повышенными (по абсолютным значениям) вертикальными градиентами температуры и солености между поверхностными водами, подстилающими верхний термоклин, и нижележащими более холодными и пресными водами.

Интерес исследователей к океаническому термохалоклину всегда был велик и возник в связи с поиском “…некоторого физического процесса…” [17], обладающего достаточной эффективностью для поддержания квазистационарной общей циркуляции океана. Одновременно исследователей интересовала причина, по которой бóльшая часть изменений температуры и солености в океане сосредоточена в этом весьма компактном элементе макромасштабной стратификации.

В последние годы в исследовании природы главного термоклина наметился прогресс в связи с осознанием того факта, что конвекция солевых пальцев в огромной степени дифференцирует характер вертикального обмена энергией и веществами в толще вод океана. Однако отсутствие и в настоящее время цельного представления о механизмах образования и поддержания главного термоклина, безусловно определяющих его трехмерную топологию, резкие изменения физических свойств и динамических характеристик, воспринимается как ахиллесова пята физической океанологии.

Цель данной работы — поиск на материалах натурных наблюдений убедительных свидетельств макромасштабного структурного эффекта действия в толще океана доминирующего механизма переноса соли и тепла в глубину из слоев с их повышенным содержанием, каковым является конвекция солевых пальцев. Потенциальную возможность такого переноса можно оценить с помощью плотностного соотношения R_ρ = E_S/E_θ, где E_S и E_θ — соответственно солевой и термический компоненты суммарной гидростатической устойчивости в виде квадрата частоты Вяйсяля-Брента N ². Солевые пальцы могут развиваться в диапазоне значений -1<R_ρ<(k_S/k_T)≈-0.01. Выражения для расчета компонентов E_S и E_θ могут быть записаны в виде

E_S = g² , E_θ = g² ,

где g — ускорение свободного падения, ρ — плотность морской воды in situ, S — соленость, T — температура in situ, θ — потенциальная температура, P — давление.

Аналогично турбулентному перемешиванию (конвективному и/или ветро-волновому) в верхнем квазиоднородном слое, перемешивание пальцевой конвекцией стремится выровнять физические свойства в толще стратифицированных вод. Результат перераспределения тепла и соли между слоями в субтропических зонах океана, где вследствие положительной разности «испарение — осадки» круглый год формируются условия стратификации, способствующие эффективной работе солевых пальцев (Е_S<0, E_θ>0), очевиден: возникновение крупномасштабных положительных аномалий температуры и солености на подповерхностных и промежуточных горизонтах [8]. Исходя из простого физического факта, что интенсивное перемешивание стратифицированных вод на одних глубинах неизбежно приводит к обострению градиентов на других, здесь — в более нижних слоях, так же как и на нижней границе верхнего квазиоднородного слоя, логично ожидать проявления конвекции солевых пальцев в виде формирования слоев экстремумов градиентов температуры и солености (экстремумов E_θ и Е_S). Так ли обстоит дело в действительности?

В качестве объекта для проверки этой рабочей гипотезы выбрана Северная Атлантика, где тепло- и массоперенос солевыми пальцами наиболее действенен из-за более высокой по сравнению с другими частями Мирового океана солености вблизи поверхности. Компоненты гидростатической устойчивости вычислялись по предложенной в [11] методике на основе материалов глубоководных наблюдений за температурой и соленостью, собранных во ВНИИГМИ-МЦД и обобщенных в форме наиболее вероятных средних годовых (многолетних) значений на “стандартных горизонтах” для одноградусных трапеций.

Выполненные оценки свидетельствуют в пользу высказанного предположения: макромасштабные экстремумы E_θ и Е_S действительно являются неотъемлемыми элементами стратификации полей температуры и солености, покрывающими большую площадь в пределах субтропической антициклонической системы. Поскольку в подавляющем большинстве анализируемых трапеций климатические положения глубин экстремальных значений E_θ и E_S практически совпадают², дальнейшее изложение ограничим рассмотрением только термического пограничного слоя или просто пограничного слоя. Из рис. 1, на котором представлена топография (м) термического раздела (или “ядра” термоклина) как поверхности максимальных значений E_θ внутри стационарного термического пограничного слоя Северной Атлантики, отчетливо видно, что наибольшие глубины залегания образуют как бы желоб, продольная ось которого протягивается с юго-запада, от берегов Флориды, на северо-восток, к европейской материковой отмели. Глубина залегания ядра меняется от 700–800 м в западной части Саргассова моря до 300 м и менее в Северо-Восточной Атлантике.

Рис. 1. Топография (м) ядра стационарного термического пограничного слоя в Северной Атлантике (по средним многолетним значениям в одноградусных трапециях).

Следует специально отметить, что теория адвективно-диффузионного океанического термоклина довольно интенсивно разрабатывалась П. С. Линейкиным и другими с середины 50-х годов прошлого века. Краткий исторический очерк развития идей о главном термоклине, полностью игнорировавших конвективные эффекты двойной диффузии, представлен в [4]. Рассматривая общие закономерности вертикального распределения основных гидрофизических полей в океане, авторы работы [3], в соответствии со сложившимися тогда теоретическими воззрениями, причиной образования слоя максимума гидростатической устойчивости (в виде N) в пределах главного термоклина Северной Атлантики назвали опускание вод вследствие конвергенции экмановских полных потоков в антициклоническом круговороте. Заметим, однако, что такие укоренившиеся фундаментальные концепции, как экмановский поток и конвергенция в толще вод открытого океана, по утверждению К. Вунша [19], “никогда не были подтверждены количественно”. Попутно добавим, что наиболее полно детализация стратификации полей температуры, солености, плотности, гидростатической устойчивости и других гидрофизических параметров в Северной Атлантике (при осреднении по пятиградусным трапециям) отражена в серии атласов-монографий, подготовленных в Институте океанологии РАН в тесном содружестве с ВНИИГМИ-МЦД (см., например, [1, 5]). Отметим также, что в [5] впервые был представлен набор карт, позволяющий проследить особенности поля плотностного соотношения в стандартных слоях Северной Атлантики.

Априори можно полагать, что различия в положении и толщине пограничного слоя связаны с изменчивостью эффективности работы солевых пальцев. Поэтому для выявления закономерностей его формирования обратимся к анализу величин плотностного соотношения R_ρ. Основной результат выполненного анализа таков: во всей обширнейшей области простирания выявленных экстремумов E_θ и E_S (между 18–52° c. ш. и 18–80° з. д.) в Северной Атлантике, при весьма широком диапазоне изменений их значений, плотностное соотношение на уровне раздела сохраняет удивительное постоянство: R_ρ = const = -0.52±0.04, что говорит о едином механизме формирования ядра термоклина. Поскольку ниже уровня раздела и за пределами его горизонтального распространения величины R_ρ превышают это значение, оно принимает характер критического R_ρ^кр. Следовательно, этот строгий количественный критерий дает основание для важного качественного вывода, а именно, что для термохалинных условий Северной Атлантики, вероятно, можно выделить два принципиально разных режима конвекции солевых пальцев: интенсивный с образованием пограничного раздела, когда R_ρ≤R_ρ^кр, и слабый, без образования раздела, когда R_ρ>R_ρ^кр. Интенсивному режиму, естественно, соответствует ступенчатый профиль термохалоклина с сезонной и постоянной частями. При слабом режиме постоянный термохалоклин с удалением от области распространения экстремальных значений E_θ и E_S вырождается и практически исчезает в субарктической области.

Наш вывод о том, что интенсивная работа солевых пальцев ограничена таким довольно узким диапазоном изменений величин R_ρ, подтверждается многочисленными выводами лабораторных экспериментов, теоретических исследований, а также непосредственными наблюдениями в океане, показавших, что при R_ρ* = -R_ρ^-1>2 конвективные диффузионные потоки резко уменьшаются и начинают преобладать адвективные процессы.

Чтобы более наглядно представить себе, как в толще вод формируется ядро термоклина — безошибочный индикатор работы солевых пальцев, в таблице сопоставлены средние многолетние значения компонентов плотностной стратификации и плотностные соотношения в нескольких одноградусных трапециях Северной Атлантики. Из приведенных данных видно, что глубина залегания раздела с совпадающими противоположными экстремумами E_θ и E_S хорошо согласуется с глубиной, ниже которой, очевидно, по мере усиления противоборствующего диапикническому перемешиванию процесса — изопикнического (вдоль поверхностей ρ = const) перемешивания, начинают складываться менее благоприятные для “пальцевого прессинга” фоновые условия стратификации (R_ρ>R_ρ^кр). Поэтому можно с достаточным основанием утверждать, что в ядре термоклина происходит переход от одного типа перемешивания к другому.

Таблица. Средние многолетние значения солевого и термического компонентов гидростатической устойчивости (10⁵ с^-2) и плотностного соотношения, вычисленные для центров некоторых одноградусных трапеций Северной Атлантики

Примечание. * — Эстремумы компонентов.

Обратим внимание на еще одну интересную особенность профилей R_ρ: наличие промежуточной прослойки, простирающейся вплоть до пограничного раздела, с весьма консервативными величинами R_ρ (z), близкими к R_ρ^кр. Существование на вертикальных профилях R_ρ участков, стремящихся к вертикальной однородности (что, естественно, неразрывно связано с наличием на θ,S-кривых участков, стремящихся к прямолинейности), в основном пикноклине для центральной водной массы Северной Атлантики уже рассматривалось в ряде публикаций, например, в [6, 18], и связано с тем, что конвекция солевых пальцев может иметь саморегулирующий характер [18].

Еще одним неоспоримым косвенным свидетельством активности конвекции солевых пальцев в толще стратифицированных вод являются оставляемые ею термохалинные следы в виде тонкой ступенчатой структуры. На рис. 2 представлены примеры вертикальных профилей температуры в верхней части главного термоклина Саргассова моря по данным систематических наблюдений на гидрологической станции “S” (32°10′ с. ш., 64°30′ з. д.) вблизи Бермудских островов. Данные CTD-зондирований с дискретностью по вертикали 2 дбар в зимние месяцы (март–апрель) в период с 2009 по 2016 г. получены с веб-сайта CCHDO (CLIVAR and Carbon Hydrographic Data Office) [12]. Выбор конца зимнего периода обусловлен тем, что ослабление термической стратификации, прослеживаемое до 300 м и глубже, в это время создает условия, особо благоприятные для конвекции солевых пальцев. На основе данных измерений T,S-характеристик были рассчитаны фоновые значения плотностного соотношения через интервалы 25 дбар.

Рис. 2. Примеры вертикальных профилей температуры нерегулярного ступенчатого характера в верхней части главного термоклина вблизи Бермудских островов по данным зондирований на гидрологической станции “S” (32°10′ с. ш., 64°30′ з. д.).

Шкалы температуры во избежание наложения кривых смещены вправо на 1°C. Короткими горизонтальными линиями выделены изотермические слои (градиенты температуры <0.002°C/м).

Из рис. 2 очевидно, что главный термоклин Саргассова моря по своей структуре не является монотонно трансформирующимся пограничным слоем. В отличие от “классических” четко очерченных регулярных ступенчатых структур, фиксируемых при низких значениях R_ρ в ограниченных районах океана [16] и связанных с солевыми пальцами, термоклин здесь представляет собою неупорядоченное чередование в пространстве (по глубине) и во времени серий квазиоднородных слоев толщиной 2–12 м с переходными высокоградиентными слоями. Показан только интервал глубин между 250 и 500 дбар, хотя аналогичная многослойная структура с изредко проявляющимися почти однородными слоями толщиной ≈2 м прослеживается вплоть до ядра термохалоклина (700–800 дбар). Нельзя не упомянуть, что наличие термохалинных ступенчатых структур с многочисленными сериями ступенек в слое главного термоклина вблизи Бермудских островов было обнаружено сразу же после внедрения в практику океанографических измерений высокочувствительной зондирующей аппаратуры [13].

Первоначально непрерывно стратифицированный термоклин начинает разбиваться на конвективные однородные слои (“ламины”) при переходе плотностного соотношения от значений R_ρ≈-0.25 к более низким значениям. По мере уменьшения плотностного соотношения (до R_ρ≈-0.60) формирование ламин становится более выраженным, а их толщина увеличивается. Такая чувствительность ступенчатой структуры к изменениям R_ρ является одним из признаков того, что ее генерация обусловлена солевыми пальцами. Это подтверждает и анализ вертикальных профилей солености, поскольку соленость в ламинах более однородна, чем температура, из-за того, что пальцы более эффективно выносят вниз избыток концентрации соли.

Важной особенностью эволюции вертикальной структуры является то, что ламины концентрируются в диапазоне глубин 300–450 дбар, т. е. в самой верхней слабостратифицированной толще вод пикноклина (пикностаде). Этот результат отражает тот физический факт, что чем меньше локальная гидростатическая устойчивость, описываемая N ²(z), тем более эффективным при прочих равных условиях становится функционирование солевых пальцев. Такая более интенсивная перемежающаяся работа солевых пальцев в пикностаде, несомненно, ответственна за формирование на этих глубинах в западных субтропиках областей с повышенной температурой и соленостью [8].

Само существование термоклина в Северной Атлантике неразрывно связано с меридиональной циркуляцией, в верхней ветви которой теплая и соленая вода переносится по направлению к полюсу, а в нижней более холодная и менее соленая, медленно поднимаясь наверх, возвращается к экватору, тем самым образуя меридиональную ячейку циркуляции. В результате в тропиках и субтропиках температура и соленость совместно убывают с глубиной, что создает условия стратификации, благоприятные для действия солевых пальцев. Если запас солености в поверхностном слое непрерывно пополняется за счет горизонтальной адвекции, то пальцевая конвекция, расходуя потенциальную энергию, скрытую в неустойчивости солевого компонента, и перенося массу вниз, способна уравновешивать адвекцию массы, поднимающейся снизу. Таким образом, океанический термохалоклин может сохранять равновесное стационарное состояние именно при наличии конвекции солевых пальцев. Более того, поддерживая ядро более теплых и легких вод на горизонтах, расположенных в основном пикноклине, солевые пальцы могут способствовать интенсификации субтропического антициклонического круговорота [8] и, следовательно, усиливать меридиональную циркуляцию вод Северной Атлантики.

Сказанное позволяет заключить, что результат медленного вертикального тепло- и массопереноса солевыми пальцами (происходящего перманентно) выражается в трансформации термохалинной структуры толщи вод океана, благодаря которой переход от теплых и высокосоленых вод верхней сферы к холодным и низкосоленым водам нижней сферы происходит не скачкообразно, как в верхнем термоклине, а менее резко, через переходный слой — океанический термохалоклин. Учет конвекции в режиме солевых пальцев позволяет с более реалистических позиций подойти к совершенствованию крупномасштабных численных моделей взаимодействия океана и атмосферы.

Благодарности. Автор выражает свою искреннюю признательность А. Г. Зацепину за ряд ценных замечаний и рекомендаций.

Примечания:

¹ Чем не преминула воспользоваться команда судна в практических целях, снабжая купальню поднятой холодной водой и охлаждая ею вино и питьевую воду.

² Эта закономерность частично нарушается на восточной периферии пограничного слоя, что, вероятно, связано с адвекцией теплых и соленых вод средиземноморского происхождения.

About the authors

A. I. Pereskokov

Author for correspondence.
Email: peres@meteo.ru
Russian Federation, Obninsk

References

Supplementary files