В 2007–2008 гг. Полярный научно-исследовательский институт морского рыбного хозяйства и океанографии им. Н.М. Книповича совместно с Институтом морских исследований (Берген, Норвегия) выполнял по программе III Международного полярного года 2007/08 в рамках проекта BIAC (Двухполюсная атлантическая термохалинная циркуляция) морские научные исследования по изучению водообмена Баренцева моря с Арктическим бассейном. Основной целью исследований было получение данных о термохалинной структуре и циркуляции вод в северо-восточной части Баренцева моря и изучение их особенностей. В сентябре 2007 г. в проливе между архипелагами Новая Земля и Земля Франца-Иосифа были установлены сроком на один год пять автономных буйковых станций (АБС) с измерителями течений и выполнено 26 океанографических станций. В сентябре 2008 г. были успешно подняты пять установленных в 2007 г. АБС и выполнено 86 океанографических станций в северо-восточной части Баренцева моря. В итоге получены 13 уникальных годовых серий, отражающих изменения скорости и направления течений, температуры и солености воды в проливе между архипелагами Новая Земля и Земля Франца-Иосифа, а также выявлена сложная термохалинная структура взаимодействующих арктических, атлантических трансформированных и баренцевоморских водных масс в северо-восточной части Баренцева моря.
Изучение термохалинной структуры и циркуляции вод в районе между архипелагами Новая Земля и Земля Франца-Иосифа, направленное на исследование водообмена Баренцева моря с Арктическим бассейном, имеет важное значение для прогресса в научном обеспечении рациональной эксплуатации биоресурсов Баренцева моря и расширения научного сотрудничества России и Норвегии в области промыслово-океанографических исследований.
В 1985 г. Л. Мидттуном (1985) была разработана теория формирования плотных донных вод в зимний период в районе Центрального желоба Баренцева моря и их стока в Арктический бассейн через северо-восточный пролив. Для подтверждения этой теории океанологи Полярного научно-исследовательского института морского рыбного хозяйства и океанографии им. Н.М. Книповича (ПИНРО) и Института морских исследований (ИМИ, Берген, Норвегия) провели в 1991–1992 гг. совместные инструментальные наблюдения за течениями в проливе между архипелагами Новая Земля и Земля Франца-Иосифа. В сентябре 1991 г. в этом проливе было установлено пять автономных буйковых станций (АБС) с 20 регистраторами течений. В сентябре 1992 г. четыре станции были подняты, пятая – потеряна. В итоге были получены 16 уникальных годовых серий, отражающих изменения скорости и направления течений, температуры и солености морской воды (Loeng, Sagen, Aadlandsvik, Ozhigin, 1993). Результаты этих исследований полностью подтвердили теорию, ранее выдвинутую Л. Мидттуном. Результирующий перенос вод был направлен из Баренцева моря и изменялся от 0,8 до 3,1 Св с максимумом в конце осени – начале зимы. Среднегодовой отток через северо-восточную границу моря составлял 1,9 Св, что сопоставимо с притоком атлантических вод через юго-западную границу Баренцева моря (3,1 Св) (Blindheim, 1989; Loeng, Ozhigin, Aadlandsvik,1997). Остаточные течения оказались довольно сильными, а приливо-отливная компонента значительно слабее, чем в других районах Баренцева моря. На ряде участков разреза наблюдались довольно устойчивые течения (устойчивость превышала 90 %) (Loeng, Ozhigin, Aadlandsvik, Sagen, 1993).
Неоднократные попытки ученых повторить эти исследования увенчались успехом только через 15 лет. В 2007–2008 гг. океанологи ПИНРО и ИМИ повторили постановку АБС и выполнили несколько разрезов в северо-восточной части Баренцева моря в рамках проекта BIAC – Bipolar Atlantic Thermohaline Circulation (Двухполюсная атлантическая термохалинная циркуляция), проводимого по программе III Международного полярного года 2007/08.
Материалы статьи обобщают предварительные результаты исследований термохалинной структуры и циркуляции вод в районе между архипелагами Новая Земля и Земля Франца-Иосифа, которые послужат основой для исследования водообмена Баренцева моря с Арктическим бассейном, в том числе для оценки объемного переноса плотных донных вод из Баренцева моря в Арктический бассейн, его сезонных и межгодовых изменений и их влияния на короткопериодные изменения климата в регионе.
Натурные исследования, выполнявшиеся с целью изучения водообмена Баренцева моря с Арктическим бассейном, представляли собой комплекс наблюдений за направлением и скоростью течений, осуществляемых с помощью автоматических измерителей, а также за распределением температуры и солености воды в районе между архипелагами Новая Земля и Земля Франца-Иосифа.
В сентябре 2007 г. в соответствии с «Программой совместных морских научных исследований Полярного научно-исследовательского института морского рыбного хозяйства и океанографии им. Н.М. Книповича (г. Мурманск, Россия) и Института морских исследований (г. Берген, Норвегия) по изучению водообмена Баренцева моря с Арктическим бассейном», реализуемой в рамках III Международного полярного года 2007/08, и на основании Разрешения Федерального агентства по науке и инновациям № 108 от 22 августа 2007 г. в проливе между архипелагами Новая Земля и Земля Франца-Иосифа на НИС «Фритьоф Нансен» был выполнен океанографический разрез (26 станций) и установлены сроком на один год пять АБС с измерителями течений (табл. 1, рис. 1). Места установки АБС выбраны таким образом, чтобы проследить направление и скорость основных потоков в проливе, а также с учетом результатов эксперимента 1991–1992 гг.
Таблица 1. Глубины расположения измерителей течений на АБС, даты их установки и подъема в 2007–2008 гг.
Рис. 1. Район исследований (заштрихованный прямоугольник, (а)), положение АБС и океанографических станций (CTD), выполненных в сентябре 2007 г. (б) и в сентябре 2008 г. (в)
В состав каждой АБС входили измерители течений (2–3 регистратора течений RCM 7 и один акустический доплеровский профилограф течений ADCP Continental 190 кГц с отдельным датчиком температуры и электропроводности), акустический размыкатель OCEANO 2500 Universal и передатчик SMM 500 системы ARGOS. Регистратор течений RCM 7 использовался для измерения скорости и направления течений, а также температуры и электропроводности морской воды на горизонте установки прибора. Акустический доплеровский профилограф течений ADCP Continental 190 кГц, который был установлен лишь на двух из пяти АБС на расстоянии 50 м от дна, использовался в режиме зондирования вниз для измерения скорости и направления течений в нижней 50-метровой толще воды послойно (толщина слоев, т. е. вертикальное разрешение измерений, задавалась равной 2,5 м) и для измерения температуры и электропроводности морской воды с помощью входящего в его комплект CT-датчика, соединявшегося с профилографом посредством 30-метрового кабеля и выполнявшего измерения на горизонте его установки, который соответственно был на 30 м глубже горизонта установки прибора. Также измерители течений были оборудованы датчиками давления для контроля изменений глубины приборов под действием набегающего потока. Акустический размыкатель OCEANO 2500 Universal использовался для отцепления измерительного оборудования от якоря при подъеме АБС. Передатчик SMM 500 системы ARGOS был встроен в несущий буй и работал только на поверхности, передавая лишь сведения о местоположении всплывшего буя. Вес донного якоря составлял 750 кг, а полный запас плавучести несущего буя – 330 кг. Для монтирования АБС использовались капроновые тросы.
В сентябре 2008 г. на НИС «Профессор Бойко» был произведен подъем АБС, установленных в сентябре 2007 г., и выполнена океанографическая съемка (86 станций) в северо-восточной части Баренцева моря (см. рис. 1).
В начале несколько слов о результатах наблюдений за течениями и термохалинной структурой вод северо-восточной части Баренцева моря в период с сентября 1991 г. по сентябрь 1992 г., которые подробно изложены в совместной работе норвежских и российских ученых (Loeng, Sagen, Aadlandsvik, Ozhigin, 1993). За период наблюдений 1991–1992 гг. не отмечалось какого-либо значительного оттока плотных донных вод из Баренцева моря. Океанографические условия этих двух лет отличались незначительно. Результаты, полученные с помощью измерителей течений, свидетельствовали о том, что наибольшая изменчивость имела место в течение периода выхолаживания, в начале зимы. На некоторых АБС течения были очень устойчивыми, и в ряде мест устойчивость течений превышала 90 %. Результирующий объемный перенос воды был направлен из Баренцева моря. Расход воды изменялся от 0,8 до 3,1 Св с максимумом в конце осени – начале зимы. Это подтвердило гипотезу о том, что в Баренцевом море пролив между архипелагами Новая Земля и Земля Франца-Иосифа является районом основного оттока воды. Остаточные течения в районе исследований были довольно сильные. Основной движущей силой, по-видимому, является поле плотности. Приливная составляющая была гораздо слабее, чем в других частях Баренцева моря.
В сентябре 2007 г. были продолжены исследования, начатые в 1991–1992 гг. Между о-вом Мак-Клинток архипелага Земля Франца-Иосифа и о-вом Северный архипелага Новая Земля был выполнен океанографический разрез и установлены сроком на один год пять АБС с измерителями течений.
Анализ океанографических данных, собранных в сентябре 2007 г. на разрезе, вдоль которого производилась постановка АБС, показал, что температура воды на разрезе изменялась от –1,8 до 4,1 °C (рис. 2). Наиболее теплые воды (с температурой выше 3,0 °C) отмечались в верхнем 30-метровом слое в южной части разреза (южнее 77°40’ с.ш.), наиболее холодные (ниже –1,5 °C) – в промежуточном слое 50–150 м в северной части разреза (севернее 78°20’ с.ш.). Глубина залегания слоя скачка температуры увеличивалась с севера на юг в среднем от 20 до 40 м. Соленость воды на разрезе изменялась от 30,1 до 35,0. Наиболее солеными (34,9–35,0) были придонные воды южной половины разреза, наиболее распресненными (меньше 33,0) – воды верхнего 15–20-метрового слоя северной половины разреза и самого южного, прибрежного, участка, расположенного в непосредственной близости от о-ва Северный архипелага Новая Земля. На этих же участках на глубинах 20–30 м отмечался соответственно и максимальный вертикальный градиент солености (до 0,6 м-1).
Рис. 2. Вертикальное распределение температуры (а) (°C) и солености (б) воды на разрезе между архипелагами Земля Франца-Иосифа и Новая Земля 11–12 сентября 2007 г.
В средней части разреза, над максимальными глубинами, в слое 180–270 м отмечались воды с более низкой температурой (до –0,8 °C) и соленостью (34,8), по сравнению с окружающими водными массами. Несколько севернее в слое 80–200 м, наоборот, выделялось ядро значительно более теплых (температура до 1,5 °C) и сравнительно более соленых (соленость до 34,9) атлантических трансформированных вод. В относительно мелководной северной части разреза, глубже ядра холодных арктических вод, о котором шла речь выше, были обнаружены более теплые (выше –0,5 °C) и соленые (более 34,9) воды. Возможно, на этих участках разреза происходит заток арктических и атлантических трансформированных вод из Карского моря в Баренцево. Наиболее интенсивный вынос вод из Баренцева моря, по всей видимости, происходит в верхних слоях южной части разреза и вдоль южного склона желоба, расположенного в центральной части пролива и имеющего максимальные глубины (до 380 м).
По сравнению с 1991–1992 гг., в сентябре 2007 г. на этом разрезе был выявлен ряд отличий в термохалинной структуре вод. Температура воды верхнего 20-метрового слоя на всем разрезе и всей толщи, от поверхности до дна, на его южном участке (южнее 77°40’ с.ш.) была выше, чем в 1991 и 1992 гг. На остальной части разреза, глубже 20 м и севернее 77°40’ с.ш., температура воды была в среднем на 0,5 °C ниже, чем в 1991 г., и мало отличалась от значений 1992 г. Воды верхнего 20-метрового слоя в сентябре 2007 г. были более распресненными, чем в тот же период 1991–1992 гг. Исключение составил участок разреза между 77°35’ и 77°05’ с.ш., где вплоть до поверхности отмечались воды с соленостью более 34,5. Промежуточные и донные воды в сентябре 2007 г. были на 0,1–0,2 солонее, чем в 1991–1992 гг.
В сентябре 2008 г. пять установленных в 2007 г. АБС были успешно подняты. Детальная океанографическая съемка, охватившая в этот период район от 52° до 68° в.д. и от 76°30’ до 80°00’ с.ш., выявила важные особенности пространственного распределения вод в северо-восточной части Баренцева моря.
Температура воды поверхностного слоя изменялась от 4,8 °C в южной части района работ до 0,9 °C – в северной. Поле температуры поверхностного слоя было достаточно однородным в северной части акватории исследований, тогда как в южной части горизонтальные градиенты температуры воды достигали 0,04 °C/км. Сложная халинная структура вод на поверхности обусловливалась распреснением верхнего слоя за счет материкового стока с архипелагов Новая Земля и Земля Франца-Иосифа, переносом трансформированных атлантических вод системой теплых течений и арктических – системой холодных. Вследствие чего в поверхностном слое на акватории съемки прослеживались халинные фронтальные зоны на границах раздела между разными по характеристикам водными массами, где, на отдельных участках, например, на северо-востоке района съемки, перепады солености достигали 2 на 30 морских миль. Соленость воды в верхнем слое изменялась от 32,9 в северо-восточной части района работ до 34,8 – в юго-западной.
Температура воды на горизонте 50 м изменялась в более широком диапазоне (–1,7… +3,2 °С), чем на поверхности. Наибольшая неоднородность вод на этом горизонте наблюдалась на мелководных участках южной части акватории съемки, где отмечалось поступление трансформированных атлантических вод. Севернее 78° с.ш. температура воды была отрицательной. Наличие атлантических трансформированных вод в южной части района работ на горизонте 50 м также подтверждается значениями солености, превышавшими 34,8. Поле солености на 50 м было более однородным по сравнению с поверхностью – значения солености изменялись от 34,4 до 35,0.
В придонном слое изменчивость температуры воды была небольшой – перепад ее значений в районе работ не превышал 2 °C. Положительные значения температуры воды отмечались в южной части акватории съемки, а положение нулевой изотермы практически совпадало с центральной осью желоба Святой Анны. Соленость вод у дна также обладала значительно меньшей изменчивостью (от 34,8 до 35,0) по сравнению с вышележащими горизонтами.
В сентябре 2008 г. температура воды на разрезе, вдоль которого были установлены АБС, изменялась от –1,5 до 4,4 °C (рис. 3). Наиболее теплые воды (с температурой выше 3,0 °C) отмечались в верхнем 30-метровом слое в южной части разреза (южнее 77°30’ с.ш.), наиболее холодные (ниже –1,4 °C) – в промежуточном слое 75–100 м в северной части разреза (севернее 78°40’ с.ш.). Глубина залегания слоя скачка температуры на всем протяжении разреза практически не изменялась и составляла в среднем 40 м. Максимальный градиент температуры воды в слое скачка достигал 0,17 °C/м. Наличие нескольких ядер теплых и холодных водных масс в плоскости разреза создают достаточно сложную картину, не позволяющую однозначно оценить направление движения вод в этом проливе. Вероятно, анализ данных измерений течений, полученных с помощью АБС, позволит прояснить сложившуюся ситуацию. Предположительно, холодные воды, ядро которых располагается в северной части разреза на глубинах 50–150 м, движутся в Баренцево море, также как и теплые воды с ядром в центральной части разреза на глубинах 75–150 м. Тогда как воды вдоль южного склона желоба Святой Анны, вероятнее всего, вытекают из Баренцева моря. Холодные воды над банкой, расположенной в южной части разреза, возможно, имеют местное происхождение и их положение обуславливается местной антициклонической циркуляцией вод.
Рис. 3. Вертикальное распределение температуры (а) (°C), и солености (б) воды на разрезе между архипелагами Земля Франца-Иосифа и Новая Земля 12–13 сентября 2008 г.
Соленость воды на разрезе изменялась от 33,5 до 35,0. Наиболее солеными (34,9–35,0) были придонные воды южной половины разреза, тогда как наиболее распресненными (33,5–33,7) – воды верхнего 20-метрового слоя в центральной части разреза. Максимальные вертикальные градиенты солености, достигавшие 0,06 м-1, наблюдались в центральной части разреза на глубинах около 30 м. Средняя толщина халоклина при этом составляла около 20 м.
По сравнению с сентябрем 2007 г., в сентябре 2008 г. на этом разрезе был выявлен ряд отличий в термохалинной структуре вод. Максимальные положительные разности значений температуры воды между 2008 и 2007 гг. были отмечены в слое 20–40 м в северной части разреза, что, вероятно, обусловлено более интенсивным прогревом в 2008 г. вод верхнего слоя и, как следствие, заглублением границ термоклина. Воды в северной части разреза глубже 50 м оказались незначительно теплее по сравнению с 2007 г. (в среднем на 0,2–0,3 °C). Большие разности температуры воды на глубинах 50–100 м в районе 78°20’–78°30’ с.ш. связаны, по мнению авторов, с подъемом и смещением к северу потока теплых вод. Отмечено, что в 2008 г. ядра теплой воды в центральной части разреза и над южным склоном желоба Святой Анны были холоднее, чем в 2007 г., при этом разница температуры достигала в среднем –1,2 °C. В то же время, на глубинах более 200 м воды были незначительно теплее (на 0,2–0,4 °C), чем в 2007 г. Также более теплыми по сравнению с 2007 г. были воды в южной части разреза.
Характер вертикального распределения солености в плоскости рассматриваемого разреза в 2008 г. мало отличался от такового в 2007 г. Исключение составил верхний 20-метровый слой к северу от 77°45’ с.ш., где в сентябре 2008 г. отмечались значительно более соленые воды, чем в сентябре 2007 г., – разница значений солености там достигала 3,0. Также более солеными (в среднем на 0,6) были воды верхнего 10-метрового слоя в самой южной части разреза вблизи архипелага Новая Земля. Менее солеными (в среднем на 0,3) по сравнению с 2007 г. оказались воды верхнего 30-метрового слоя над банкой в южной части разреза (77°00’–77°20’ с.ш.).
В ходе совместных исследований ПИНРО и ИМИ в 2007–2008 гг. в рамках проекта BIAC по программе III Международного полярного года 2007/08 собраны данные на пяти автономных буйковых станциях в проливе между архипелагами Новая Земля и Земля Франца-Иосифа.
Наблюдения на океанографическом разрезе вдоль линии установки АБС в сентябре 2007 г. и на пяти океанографических разрезах в сентябре 2008 г. выявили в северо-восточной части Баренцева моря сложную термохалинную структуру взаимодействующих вод арктического и атлантического происхождения. В частности, установлено наличие подповерхностного минимума температуры в слое 50–100 м в северной части акватории исследований и ядра теплых вод в слое 75–150 м в районе желоба Святой Анны. Практически на всей акватории исследований в слое 30–50 м отмечались значительные вертикальные градиенты температуры и солености воды.
Отмечено, что в сентябре 2008 г. теплые атлантические трансформированные воды были холоднее, а холодные арктические, наоборот, – теплее, чем в тот же период 2007 г. Воды верхнего 20-метрового слоя в северной части разреза, выполненного в сентябре 2008 г. вдоль линии постановки АБС, были значительно солонее (увеличение солености достигало 3,0), чем в 2007 г.
Дальнейшая совместная обработка данных 13 уникальных годовых серий, полученных с измерителей течений АБС и отражающих изменения скорости и направления течений, температуры и солености воды в проливе между архипелагами Новая Земля и Земля Франца-Иосифа, позволит дополнить знания об особенностях водообмена Баренцева моря с Арктическим бассейном, сезонных изменениях скорости и направления течений, а также температуры и солености воды в северо-восточной части Баренцева моря.
Blindheim J. Cascading of Barents Sea bottom water into the Norwegian Sea // Rapp. P.-v. Reun. Cons. Int. Explor. Mer 188. 1989. P. 161–189.
Loeng H., Ozhigin V., Aadlandsvik B., Sagen H. Current measurements in the northeastern Barents Sea // ICES C.M., 1993, C:41. 22 p.
Loeng H., Ozhigin V., Aadlandsvik B. Water fluxes through the Barents Sea // ICES J. Mar. Sci. 1997, Vol. 54, P. 310–317.
Loeng H., Sagen H., Aadlandsvik B., Ozhigin V. Current measurements between Novaya Zemlya and Frans Josef Land. September 1991 – September 1992 // Data report. Report No. 2. / Dept. of Mar. Environment. Institute of Marine Research. Bergen, Norway, 1993, 23 p. + 4 appendices.
Midttun L. Formation of dense bottom water in the Barents Sea // Deep Sea Res., 1985, № 32(10), P. 1233–1241.
Аbstract
In 2007–2008, Knipovich Polar Research Institute of Marine Fisheries and Oceanography in cooperation with the Institute of Marine Research (Bergen, Norway) carried out research on studying the water exchange between the Barents Sea and Arctic Ocean. The research was carried out within the project BIAC (Bipolar Atlantic Thermohaline Circulation) according to the Third International Polar Year 2007/08 program. The main aim was gathering data on the thermohaline structure and circulation of water masses in the north-eastern Barents Sea, and studying their features. In September 2007, five moorings with current meters were deployed for a term of one year and 26 oceanographic stations were carried out in the strait between the Novaya Zemlya and Franz Josef Land archipelagos. In September 2008, five moorings deployed in 2007 were successfully recovered and 86 oceanographic stations were carried out in the north-eastern Barents Sea. As a result, 13 unique annual series showing variations in water temperature, salinity, current speed and direction in the strait between the Novaya Zemlya and Franz Josef Land archipelagos were gathered, as well as the complex thermohaline structure of interacting Arctic, transformed Atlantic and Barents Sea waters was found in the north-eastern Barents Sea.