Гидрологическая структура и водные массы

Своеобразие условий формирования гидрологической структуры вод Каспийского моря определяется его замкнутостью, внутриматериковым положением, большой меридиональной протяженностью, воздействием речного стока, конфигурацией берегов и рельефом морского дна.

Замкнутость моря исключает водообмен с другими бассейнами, предопределяет формирование структуры вод Каспия путем взаимодействия процессов, происходящих в самом водоеме. Расположение моря глубоко внутри материка Евразии обусловливает значительное воздействие таких внешних факторов, как тепловое и динамическое состояние атмосферы и речной сток. Вытянутость моря в меридиальном направлении более чем на 10 градусов создает большие климатические различия между отдельными его частями, сильнее всего проявляющиеся в зимний сезон. Сложный рельеф дна моря (глубоководные котловины, разделенные порогом, многочисленные острова и банки) влияет на особенности циркуляции вод и характер водообмена. Так, Апшеронский порог ограничивает водообмен между котловинами Среднего и Южного Каспия, способствуя формированию в каждой из них своеобразной гидрологической структуры.

В целом гидрологическая структура вод моря создается путем взаимодействия процессов горизонтальной и вертикальной турбулентности и циркуляции вод, вызываемых различными факторами — ветрами, тепловыми потоками, влиянием конфигурации берегов. Гидрологические условия в разных частях моря существенно зависят также от водообмена между ними.

Сезонные изменения гидрологических условий в Каспийском море весьма значительны, хотя они неодинаковы по акватории и, в общем, уменьшаются в направлении с севера на юг. В Северном Каспии большая величина сезонных изменений теплового состояния вод определяется резкой континентальностью климата, а солености — сосредоточением здесь основного количества поступающих в море речных вод. По направлению на юг влияние этих факторов уменьшается. Кроме того, больший объем водных масс Среднего и Южного Каспия делает режим этих частей моря более устойчивым по отношению к внешним воздействиям, чем мелководного Северного Каспия.

Зимой, благодаря климатическим различиям между северными и южными районами моря, температура воды на поверхности изменяется от 0,5 ?С у кромки льда до 10,0—10,7 ?С на юге моря. При этом у западного берега моря температура воды ниже, благодаря переносу на юг холодных вод с севера, а вдоль восточного берега — выше в связи с поступлением на север более теплых южно-каспийских вод. Вертикальные термические различия в толще вод зимой малы вследствие интенсивного развития процессов конвективного перемешивания.

Летом, наоборот, климатические условия над акваторией моря Квазиоднородные, и горизонтальные температурные различия водных масс в целом меньше, чем зимой. В августе на большей части акватории температура воды на поверхности находится в пределах от 22—23 ?С до 26—27 ?С. Лишь в районе у восточного берега Среднего Каспия в июле-августе часто образуется обширная зона отрицательных аномалий температуры воды (до 16—11 ?С). Ее образование связано с эффектом частых в летнее время и устойчивых северо-западных ветров, приводящих к выходу на поверхность более холодных вод промежуточных слоев. Эти воды выделяются также по своим химическим и биологическим характеристикам.

При интенсивном прогреве моря весной на нижней границе слоя ветрового перемешивания образуется термоклин, достигающий максимального развития в августе. С началом осеннего охлаждения и развитием конвективного перемешивания термоклин разрушается, и в море снова формируется «зимний» тип распределения температуры со значительной однородностью ее по глубине и большими различиями в верхнем слое. Наибольшие годовые разности температуры воды на поверхности моря — до 20? С — наблюдаются в его северных районах, а также у восточных берегов Южного Каспия, что обусловлено интенсивным летним прогревом и зимним охлаждением мелководий. Для центральной части Южного Каспия характерны наименьшие изменения температуры в течение года, соответствующие небольшим сезонным климатическим различиям. У западного и восточного берегов Среднего Каспия, в районах апвеллинга, величина годовой разности температуры на поверхности уменьшается на 14—15 ?С.

Сезонные изменения температуры в глубинных слоях моря зависят от развития процессов конвективного перемешивания. В Среднем Каспии сезонные различия температуры наиболее существенны в слое толщиной около 200 м, в Южном Каспии — в слое до 100 м, что связано с развитием здесь зимней вертикальной циркуляции. В суровые зимы, когда конвекция распространяется до больших глубин, понижение температуры может охватывать более значительную толщу воды, а в Среднем Каспии оно доходит до дна. В придонных слоях Среднего Каспия температура равна 4,5—5,0 ?С, Южного — 5,7—6,0 ?С.

Характерную особенность представляет увеличение годовой разности температуры воды вдоль северного склона впадины и в придонных слоях Среднего Каспия, вплоть до Апшеронского порога. Это связано с влиянием процесса плотностного стока в зимнее время холодных вод по северному склону среднекаспийской впадины в ее придонные слои. В Южном Каспии, вдоль склона Апшеронского порога и в придонных слоях, также прослеживается некоторое возрастание величин изменчивости температуры.

Таким образом, распределение величин годовой изменчивости температуры воды в Среднем и Южном Каспии свидетельствует о том, что наибольшие сезонные изменения отмечаются в верхнем слое, а также в придонных горизонтах и вдоль склонов глубоководных впадин, а в глубинной толще вод, особенно в южной части моря, они малы.

Пространственные изменения солености воды больше всего в Северном Каспии, где она возрастает от 0,1—0,2 промилле вблизи устьев Волги и Урала до 10—12 промилле на границе со Средним Каспием.

В глубоководных частях моря соленость на поверхности увеличивается в целом с севера на юг и с запада на восток. Такое распределение солености связано с влиянием пресного речного стока вдоль западного побережья и осолонением вод — у восточного берега, в условиях полного отсутствия здесь пресного стока и интенсивного испарения. В открытых районах моря соленость редко выходит за пределы 12,7—13,2 промилле. Вертикальное распределение солености в Среднем и Южном Каспии весьма однородное — от поверхности до дна ее увеличение не превышает десятых долей промилле.

Изменения солености в различных районах моря от сезона к сезону не отличаются той однонаправленностью, которая присуща изменениям температуры. Так, от весны к лету на всей акватории Южного Каспия соленость возрастает вследствие увеличения испарения. В то же время в Среднем Каспии, где проявляется влияние пресных северокаспийских вод, соленость на большей части акватории понижается.

Изменения солености от ноября к февралю носят противоположный характер. В Южном Каспии соленость уменьшается, а в Среднем — возрастает, что объясняется условиями водообмена между этими частями моря. В это время года более соленые южнокаспийские воды поступают в среднюю часть моря, а в южную выносятся менее соленые среднекаспийские воды. Однородное распределение солености в глубоководных частях Каспийского моря — важная черта его гидрологической структуры, обусловливающая ее сезонную изменчивость, главным образом, за счет температуры. Именно температура воды, при мало изменяющейся солености, определяет основные особенности поля плотности в зимний и летний сезоны и влияет на вертикальную устойчивость вод, особенно в верхних слоях. В глубинных и придонных слоях моря, где изменения гидрологических характеристик малы, в формировании поля плотности возрастает роль солености.

Как показывает распределение условной плотности на поверхности моря в феврале и августе, ее изменения по акватории моря малы — от 0,5 усл. ед. зимой до 1,5 усл. ед. летом. В феврале плотность в Среднем Каспии более 11,0 усл. ед., а в Южном — около 10,5 усл. ед. В августе значения плотности уменьшаются в среднем на 3 усл. ед., что и составляет величину годовых изменений плотности на поверхности моря.

Следует отметить однонаправленное влияние сезонных изменений температуры и солености на плотность в Среднем Каспии и их противоположное влияние — в Южном Каспии. Увеличение речного стока в период половодья по времени совпадает с прогревом поверхностных слоев воды, и совместное влияние этих факторов способствует уменьшению плотности верхнего слоя воды в Среднем Каспии в весенне-летний сезон. В зимнее время наблюдается усиление поступления более соленых южнокаспийских вод в среднюю часть моря и дальнейшее их охлаждение. Оба фактора вызывают увеличение плотности вод в Среднем Каспии.

В Южном Каспии в летний сезон осолонение поверхностных слоев воды при испарении и интенсивный прогрев оказывают противоположное влияние на изменения плотности воды. Зимой поступление в южную часть моря менее соленых среднекаспийских вод снижает эффект повышения плотности вод в процессе зимнего охлаждения. К тому же и само охлаждение вод в Южном Каспии существенно меньше, чем в Среднем.

Небольшая вертикальная стратификация Каспийского моря по солености и плотности — один из основных факторов, создающих благоприятные условия для развития конвективного перемешивания во всей толще его вод. Перемешивание верхних слоев моря, как отмечалось, происходит благодаря активно развитой зимней вертикальной циркуляции. В перемешивании и вентиляции глубинных слоев важную роль играет плотностной сток из северных мелководных районов моря. Высокая плотность образующихся здесь зимой вод позволяет им стекать до самых больших глубин среднекаспийской впадины и далее, переливаясь через Апшеронский порог, поступать в глубинные слои южной части моря. В придонном слое Южного Каспия перемешивание происходит также за счет конвекции, возбуждаемой тепловым потоком от дна моря.

Зимняя вертикальная циркуляция и плотностной сток вод обеспечивают достаточное насыщение глубинных слоев кислородом и вызывают компенсационный подъем глубинных вод, обогащенных биогенными веществами, в верхний слой моря. Эти процессы создают благоприятные условия для формирования высокой биологической продуктивности в Среднем и Южном Каспии.

По совокупности физико-химических и биологических характеристик вод в Каспийском море были выделены следующие водные массы: северокаспийская, верхняя каспийская, глубинная среднекаспийская и глубинная южнокаспийская.

Северокаспийская водная масса занимает северную часть моря. Ее объем незначителен (менее 1% от общего объема моря), но она оказывает существенное влияние на гидрологические и биологические процессы всего моря. Основные условия формирования северокаспийской водной массы — влияние обильного речного стока и мелководность северной части моря. Температура северокаспийской водной массы изменяется в широких пределах — от 0? зимой до 25? С летом. Зимой большая часть акватории Северного Каспия покрыта льдом, температура воды подо льдом почти равна температуре замерзания. Летом большая часть северокаспийской воды хорошо прогрета от поверхности до дна и имеет температуру выше 23—24 ?С.

Соленость северокаспийской воды пониженная, даже относительно солености всего Каспийского моря. Поскольку это возрастание солености происходит постепенно, между северокаспийской и верхней каспийской водными массами существует довольно широкая переходная зона. Средняя соленость северокаспийской водной массы значительно изменяется в зависимости от многолетних колебаний волжского стока. В периоды опреснения средняя соленость равна 4—5 промилле, в периоды осолонения — 9—11 промилле. Вертикальные градиенты солености наблюдаются, главным образом, в западном районе, наиболее подверженном влиянию речного стока. В остальных районах вертикальные градиенты гидрологических характеристик весьма малы.

В формировании верхней каспийской водной массы главную роль играют процессы зимнего охлаждения и перемешивания и летнего прогрева, а также динамические процессы в верхнем слое моря (волнение, ветровые течения, сгонные явления, внутренние волны). Нижняя граница этой водной массы определяется глубиной распространения зимней вертикальной циркуляции и располагается в Среднем Каспии в слое 150—200 м, в Южном — 50—150 м. На нижней границе происходит существенное понижение содержания кислорода и уменьшение вертикальных градиентов температуры. В летней модификации выделяется хорошо прогретый и перемешанный верхний слой толщиной 20—30 м, ограниченный снизу резким термоклином. Соленость верхней каспийской водной массы в большинстве случаев равна 12,7—13,0 промилле. Эта водная масса отличается высоким содержанием кислорода: в верхнем слое — от 7,5—8,0 зимой до 6,0—6,5 мл/л, летом, на нижней границе содержание кислорода — не менее 4,5—5,5 мл/л.

Глубинные водные массы формируются, главным образом, в зимние месяцы в результате плотностного стока холодных вод из северных районов моря, а также с восточного шельфа. Эти воды опускаются в придонные слои среднекаспийской котловины, а переливаясь через Апшеронский порог, поступают и в южнокаспийскую впадину. В суровые зимы в формировании глубинных вод принимает участие и зимняя вертикальная циркуляция. Анализ изменчивости термогалинных характеристик глубинных водных масс показывает, что вся толща вод моря находится в подвижном состоянии, что имеет первостепенное значение для такого замкнутого водоема, как Каспийское море.