ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Каспийское море является самым крупным солоноватоводным водоемом мира с целым рядом уникальных физических, химических и биологических свойств. Фауна Каспия, сформированная в условиях длительной изоляции бассейна, состоит на 46% из эндемиков Каспия, а еще 20% встречаются только в Понто-Каспийском регионе [Зенкевич, 1963]. Первые серьезные гидрохимические исследования моря были проведены в начале XX века и связаны с именами А.А.Лебединцева, Н.М.Книповича и С.В.Бруевича. Эти работы по времени совпали с периодом высокого уровня Каспийского моря. Несмотря на высокую квалификацию исследователей, существующие в то время методы анализа не позволили накопить данные, свойственные периоду высокого уровня, по всем биогенным элементам и органическому веществу. В дальнейшем регулярные гидрохимические съемки проводились Каспийским научно-исследовательским институтом рыбного хозяйства (КаспНИРХ) и Всероссийским научно-исследовательским институтом рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО). С середины 50-х годов систематические исследования по всей акватории моря проводились под методическим руководством Государственного океанографического института (ГОИН). Следует отметить, что работы на Каспии осложнялись отсутствием удобных научно-исследовательских судов и недостатком современного океанографического оборудования. Лишь после экспедиции ВНИРО в 1995 году стали регулярно применяться зонды для получения непрерывных по глубине гидрологических данных и гидрохимические проточные анализаторы. В период 1995-2003 гг. КаспНИРХ совместно с ВНИРО ежегодно проводил гидрохимические съемки во всех частях Каспийского моря с применением новейшего оборудования. Собранные данные позволяют на новом уровне рассмотреть вопросы гидрохимической структуры моря и ее временного изменения. Знание гидрохимических особенностей водоема совершенно необходимо для правильной оценки его биологической продуктивности, для прогнозирования дальнейших изменений экосистемы и для контроля структуры промысла. Анализ многолетних гидрохимических данных позволяет судить о процессах, происходящих на площади водосборного бассейна и вьщелить фактор антропогенного воздействия. После зарегулирования стока впадающих в Каспий рек процессы эвтрофикации и накопления органического вещества значительно ускорились, что хорошо прослеживается в изменениях гидрохимических параметров. На особенности гидрохимической структуры Каспийского моря огромное влияние оказывают колебания уровня. В условиях глобального изменения климата и прогнозируемого
повышения уровня Каспийского моря весьма важно уметь правильно предсказать изменения гидрохимической структуры и процессов пополнения эвфотического слоя биогенными элементами. Знание тонкой гидрохимической структуры позволяет выделять мезомасштабные вихри, поскольку гидрохимические параметры служат маркерами динамических процессов. Сегодня гидрохимические исследования Каспия весьма актуальны. Помимо того, что антропогенный прессинг на бассейн остается по-прежнему высоким, положение осложнилось появлением в 1999 году на Каспии гребневика, который к настоящему времени уже распространился почти по всему морю. Гребневик серьезно нарушил трофические связи и кругооборот биогенных элементов, что в высшей степени негативно сказалось на состоянии экосистемы.
Цель исследования. Целью работы является анализ изменений гидрохимической структуры Каспийского моря за последние 70 лет, которые произошли в результате антропогенного воздействия и процессов, вызванных колебаниями уровня моря.
Задачи работы:
1) выделить основные факторы, которые привели к изменениям гидрохимической структуры Каспийского моря оценить степень их воздействия;
2) выявить влияние изменений гидрохимической структуры вод Каспийского моря на биологическую продуктивность и трофические связи внутри экосистемы;
3) установить связь между высоким уровнем моря и обеднением эвфотического слоя биогенными элементами;
4) установить связь между высоким уровнем моря и ухудшением условий аэрации глубоководных котловин и нарастанием придонной гипоксии;
5) обосновать механизм формирования гипоксии и последующего образования сероводорода в глубоководных котловинах Каспия.
Научная новизна. В работе впервые предложена схема, в которой на первое место в комплексе негативных факторов, приведших к изменениям гидрохимической структуры и биологической продуктивности, выдвигается зарегулирование стока впадающих в Каспий рек. Впервые предпринята попытка не только на качественном, но и на количественном уровне отследить изменения гидрохимических параметров в зависимости от величины уровня моря. Впервые предложен сравнительный анализ между сценариями ухудшения экологической ситуации на Черном и Каспийском море и отмечено их близкое подобие. Появление гребневика Mnemiopsis leidyi в работе впервые связывается с изменениями гидрохимической основы биопродуктивности Каспийского моря и выходом экосистемы из равновесного состояния.
Практическая значимость. Данные и выводы, представленные в работе, имеют значение для оценки современного экологического состояния Каспийского моря, составления долгосрочных экологических прогнозов, разработки методов контроля структуры промысла и численности видов-вселенцев. В работе впервые привлечены данные комплексных гидрохимических исследований КаспНИРХ и ВНИРО за период 1995-2003 гг., полученные для высокого уровня моря с применением современных CTD-зондов и новейшего лабораторного оборудования. По этим данным были созданы карты распределения всех гидрологических и гидрохимических параметров. Помимо этого был заново нанесен на карту и материал более ранних исследований, включая съемки С.В.Бруевича. Распределение гидрохимических параметров представлено за различные годы на вековых разрезах, в поверхностном и придонном горизонтах, а также на горизонтах 20, 30,50, 100 и 300 метров.
Гидрохимические данные 1995-2003 гг. Лаборатория морской экологии ВНИРО совместно с КаспНИРХ с 1995 г. по настоящее время проводит в Каспийском море ежегодные съемки с определением всех основных гидрохимических параметров по современным методикам [Справочник, 1991]. В приведенной ниже таблице представлен хронологический список рейсов, данные которых были использованы в настоящем исследовании с указанием количества выполненных станций для каждого из районов моря и набора определявшихся параметров (Табл. 1). В ряде рейсов также определялся окислительно-восстановительный потенциал, цвет, прозрачность и мутность морской воды, концентрации мочевины, пестицидов, насыщенных и ароматических углеводородов, тяжелых металлов. В 1995 году был выполнен полный комплекс биохимических работ, определения концентраций хлорофилла и оценка первичной продукции скляночным методом.
Применение современной зондирующей аппаратуры позволило накопить массив не только качественно новых гидрологических данных, свойственных периоду высокого уровня, но и чисто гидрохимических - благодаря датчикам растворенного кислорода, хлорофилла и концентрации водородных ионов. Поскольку эти данные уже не дискретны по глубине, то становится возможным подойти к гидрохимическим проблемам на качественно новом уровне. Столь же позитивные изменения можно отметить и в лабораторном аналитическом оборудовании. Возросла точность и скорость определения основных биогенных элементов за счет применения скоростных проточных автоанализаторов, таких как «Техникой», «Алпкем» и «Бран+Луббе». Данные по растворенным органическим формам, полученные на высокотемпературном анализаторе
ТОС-5000А компании «Шимадзу» по точности значительно превосходят данные всех предыдущих исследований.
Год Судно Месяц Св. Юж Т s AI рН о2 РО4 SiO3 | NH4 NO2 NO3 Р» Ne Сорг
1996 "Медуза" Июль 36
1998 "Медуза" Авг-Сен 33
2000 "Медуза" Июль 39 ¦¦¦;¦¦ '. . ;'.:,-:.f-r-
2001 "Мидия" Октябрь 35
2002 "Медуза" Август 29 ... ¦¦¦¦.¦.:: ¦ . .
1976 ВНИРО Август 22
1983 "Параллель" Август 52
"Петр ¦и
1983 Агафонов" Август 34 24
1995 ТС-19411 Сен 3 37
"Исследов. ..¦ ,
1998 Каспия" Сен 21 9 ¦ :
"Исследов. ... С Ц
1999 Каспия" Август 14 7 ' '.
"Исследов. .: . ¦
2000 Каспия" Август 21 12
"Исследов.
2001 Каспия" Октябрь 23 7
"Исследов.
2002 Каспия" Авг-Сен 38 7
"Исследов. :.
2003 Каспия" Октябрь 24 1 I
Табл.1 Количество станций и набор параметров, полученные в экспедициях с участием Лаборатории морской экологии в период 1976-2003 гг.
ГЛАВА 1. Физико-географическая характеристика Каспийского моря.
1.1 Географическое положение и рельеф.
Каспийское море является внутренним и располагается в материковой депрессии. Несмотря па то, что Каспийское море не имеет связи с океаном и по определению является озером, оно обладает всеми особенностями моря. С палеогеографической точки зрения Каспий является частью древнего океана Тетис и его современная изоляция от Мирового океана в геологическом масштабе времени - всего лишь краткий эпизод. Каспийское море вытянуто в меридиональном направлении и расположено между 47°07' и 36°33' с. ш. и 45°43' и 54°03' в. д. Протяженность моря по меридиану составляет около 1200 км при средней ширине в 310 км. Площадь моря при отметке уровня —27,5 м составляет 386,4 тыс. км [Гидрометеорология..., 1992].
Каспийское море в физико-географическом отношении принято делить на три части: северную, среднюю и южную (Рис. 1.). Данное деление хорошо подчеркивает особенности подводного рельефа моря. Северная часть моря мелководна, для средней и южной характерно наличие глубоководных впадин с максимальными глубинами соответственно 788 и 1025 м. Граница между северной и средней частями проходит по линии о. Чечень — м. Тюб-Караган, а между средней и южной — по линии о. Жилой — м. Куули. Апшеронский порог с глубинами в основном менее 100 м отделяет среднюю часть моря от южной. В позднекайнозойское время Апшеронский порого служил естественной границей между морским и озерно-морским бассейнами Южного и Среднего Каспия. Литолого-петрографический состав и структура разрезов донных отложений в смежных впадинах Каспийского моря формировались независимо или при весьма ограниченной связи между ними [Куприн, 2002]. В центральной части этой подводной возвышенности глубины достигают 180 м. Море над порогом изобилует банками, а в западной части островами, из которых наиболее крупный о. Жилой.
Разнообразен рельеф суши, прилегающей к Каспию. С севера находятся обширные пространства Северокаспийской равнины. Вдоль западного берега средней части моря протягиваются передовые хребты Большого Кавказа. Узкая прибрежная низменность окаймляет южное побережье Каспийского моря, вдоль которого параллельно берегу вытянут хребет Эльбрус. На востоке располагается ряд плато: Мангышлакское, Кендерли-Коясанское, Устюрт. Последнее примыкает к северо-восточной части залива Карабогазгол.
Дербентская котловина
Южный
Южнокаспийская котловина
Рис. 1. Основные формы подводного рельефа Каспийского моря.
Южнее залива расположено Красноводское плато, которое с запада отделено от моря эоловой равниной Октумкум. К югу от Красноводского залива берег низменный, к морю здесь подступают песчаные равнины западных Каракумов. Различия в рельефе обусловлены неодинаковым геологическим строением [Каспийское море, 1969].
Шельф Каспийского моря в среднем ограничен глубинами около 100 м. Материковый склон, который начинается ниже бровки шельфа, заканчивается в средней части примерно на глубинах 500— 600 м. В южной части склон более крутой и оканчивается на глубине 700—750 м. У западного побережья шельф узкий, средняя ширина его 40 км. Еще более узкий шельф у южного побережья, где глубины около 400 м находятся в 5—10 км от берега. У восточного побережья шельф более обширный, средняя ширина его около 130 км.
Рассмотрим основные физико-географические особенности каждой из трех частей Каспия.
Северный Каспий отличается мелководностью, средняя глубина составляет 5—б м. Из-за малых глубин Северный Каспий содержит лишь 1% от общего объема моря. Максимальные глубины в 15—20 м расположены на границе со средней частью моря. В восточной части моря в подводном рельефе выделяется впадина Уральская бороздина с максимальной глубиной 8 м. Северная часть также характеризуется большим количеством банок и островов.
Берега Северного Каспия довольно сильно изрезаны. Здесь расположены заливы Кизлярский, Аграханский, Мангышлакский и множество мелководных бухт. К наиболее крупным полуостровам относятся Аграханский, Бузачи, Тюб-Караган, Мангышлак, а к островам - Тюлений и Кулалы. В дельтах Волги и Урала береговая линия усложнена множеством островков и протоков, часто меняющих свое положение. Много мелких островов и банок расположено и на других участках береговой линии.
Наиболее крупные реки - Волга, Урал и Терек - впадают в Северный Каспий, при этом они вместе ответственны за 88% годового речного стока. Этим обуславливается особое положение Северного Каспия как источника аллохтонного материала для моря в целом. Эта часть моря отличается очень высокой биологической продуктивностью и служит районом нагула осетровых и других видов рыб.
В северной части моря прирост прибрежной суши происходит за счет мощного потока терригенного материала, участвующего в дельтообразовании. Преобладающий тип отложений — алеврит (песчанистый ил, ил). Крупные банки состоят из битой и целой ракушки.
Средний Каспий представляет собой обособленную котловину с максимальной глубиной 788 м в центре Дербентской впадины. Средняя глубина этой части моря составляет 190 м. При площади около 138.000 км2 Средний Каспий содержит примерно третью часть объема моря [Каспийское море, 1969]. Западный склон Дербентской впадины узкий и крутой, восточный склон сильно растянут. Дно впадины представляет собой слабонаклоненную равнину с глубинами в основном от 400 до 600 м.
Средняя часть моря имеет относительно ровную береговую черту. Восточный берег Среднего Каспия более изрезан, здесь выделяется Казахский залив с бухтой Кендерли и несколько мысов: Песчаный, Ракушечный, Суэ.
Самый крупный залив этого побережья — Карабогазгол — с 1979 г по 1992 г был отделен от моря дамбой. В 1983 году залив пересох. В 1992 году дамба была разрушена, и к 1995 году произошло полное заполнение чаши. В настоящий момент морская вода беспрепятственно поступает в залив [Лавров, 2000]. С 1996 года наблюдается периодическое выклинивание сильно минерализованной воды из залива в море.
У западного побережья Среднего Каспия питание береговой зоны обеспечивается материалом, приносимым горными речками и ручьями. Шельф сложен из мелкозернистых терригенных отложений: у берега это мелкий и средний песок, в зоне глубин 15—20 м — ил и песчанистый ил, на краю шельфа — пылеватый и мелкий песок. Материковый склон выложен песчанистым илом. В устьевых областях рек преобладает пылеватый песок.
Шельф восточного побережья моря сложен из крупного и среднего песка. Заметную примесь составляет ракушка. Пески у восточного побережья отличаются повышенным содержанием карбонатов.
Южный Каспий отделен от средней части моря Апшеронским порогом, являющимся продолжением Главного Кавказского хребта. Глубины над этим подводным гребнем не превышают 180 м. Южный Каспий при площади равной около одной трети общей площади моря включает в себя более 2/3 объема моря. Наиболее глубоководная часть Южнокаспийской котловины с максимальной для моря глубиной 1025 м расположена восточнее дельты Куры. Над дном котловины поднимаются несколько подводных хребтов высотой до 500 м.
Южнее Апшеронского полуострова располагаются острова Бакинского архипелага: Булла, Дуванный, Обливной, Свиной и др. Происхождение этих островов, а также некоторых банок у восточного побережья южной части моря связано с деятельностью подводных грязевых вулканов, лежащих на дне моря. На восточном берегу расположены крупные заливы — Красноводский и Туркменский, а вблизи от него — о. Огурчинский.
10
В Южном Каспии шельф у западного побережья состоит из мелкозернистых грунтов (песок, песчанистый ил), у восточного побережья — пески и ракуша. Дно глубоководных котловин покрыто илом, илистым песком и песчанистым илом.
1.2 Метеорология и гидрология.
Метеорологические условия в разных частях Каспийского моря неодинаковы вследствие его большой меридиональной протяженности. Северный Каспий и его побережье располагаются в полосе континентального умеренного климата, западное побережье -умеренного теплого, юго-западное - в полосе субтропического. Климат пустынь господствует на восточном побережье.
Два основных фактора определяют ветровой режим над Каспийским морем: циркуляция атмосферы над Кавказом и Средней Азией с одной стороны и орография западного берега с другой. Скорее всего, именно орография вызывает господство ветров юго-восточного (35.9%) и северо-западного направлений (19.2%) [Самойленко, Курсанова, 1955].
Поля ветра формируют трехмерную циркуляцию вод, которая сильно усложняет закономерности распределения термохалинных полей.
Для северной части моря характерно преобладание восточных и юго-восточных ветров большую часть года. В средней части господствуют ветры северо-западного и юго-восточного направлений, в районе Апшеронского полуострова вследствие орографического эффекта ветры северного и южного направлений.
В южной части моря на юго-западе преобладают северные и северо-восточные ветры, на крайнем юго-востоке зимой преобладают северо-западные ветры, летом — юго-восточные.
Над морем преобладают ветры со скоростями до 10 м/с (80—90%), повторяемость штормовых ветров менее 1 % [Гидрометеорология..., 1992].
Сильные штормовые ветры в основном северо-западного и юго-восточного направлений наблюдаются чаще всего весной и зимой вблизи западного побережья Среднего Каспия, особенно в районе Апшеронского полуострова. Реже отмечается штормовая деятельность над Северным Каспием, а также в юго-восточном и юго-западном районах моря.
Расположение Каспийского моря в разных климатических зонах обусловливает большие различия в распределении температуры воздуха над морем. Среднегодовые значения изменяются от 10°С в северной части моря до 17°С в южной. Самый холодный месяц — январь, самые теплые — июль и август. Разница в температуре северной и южной частей наиболее заметно выражена в зимний период.
11
В северной части моря и у восточного побережья Среднего Каспия среднемесячная температура воздуха в январе составляет —1°С в районе о.Чечень и -9...—10°С в крайней северо-восточной части моря. В средней части моря температура в январе-феврале изменяется от -3°С на северо-востоке до 3-5°С на юго-западе. В южной части этот диапазон составляет 2-12°С.
В летний период среднемесячная температура воздуха по всему морю 24—26°С, причем наиболее высокие значения характерны для юго-восточного района (в Краеноводске около 28°С). Однако на восточном побережье фиксировалась максимальная температура 42-44°С.
Весенний и осенний периоды отличаются весьма резкими колебаниями температуры воздуха за счет частой смены господствующих воздушных масс. Среднемесячная температура воздуха в марте в средней части моря -3...-8°С, а в южной -8...-10°С. В мае температура по всему морю меняется в пределах от 15 до 18°С.
Осенью происходит резкое понижение температуры воздуха до 9°С в Северном, 9-13°С в Среднем и до 12-16°С в Южном Каспии [Гидрометеорология..., 1992].
Распределение осадков по акватории моря крайне неравномерное из-за различного характера рельефа берегов и синоптических процессов в разных частях моря. В среднем в открытом море выпадает 200 мм осадков. У западного побережья южной части моря оно колеблется от 65 (Нефтяные Камни) до 1250 мм в год (Ленкоранская зона). К северу от Апшеронского полуострова количество осадков составляет 400—430 мм. Восточное побережье отличается сухостью, максимальное количество осадков не превышает 15— 20 мм. На иранском побережье с влажным климатом выпадает до 1000—2000 мм осадков в год.
В северной части моря осадки в течение года выпадают равномерно. В остальных районах (кроме западного побережья) больше всего осадков приходится на зимние и весенние месяцы, в летнее время наблюдается минимум осадков. Что касается западного побережья, то здесь осадки выпадают в основном в предгорьях в осеннее время.
Испарение с поверхности Каспийского моря в силу его замкнутости велико и составляет около 1000 мм в год.
В северной части моря ежегодно в ноябре появляется лед. К концу месяца лед распространяется по всей прибрежной зоне северного побережья моря. В суровые зимы льдом покрывается вся акватория северной части, в мягкие зимы лед держится на мелководье в пределах 2—3-метровой изобаты.
12
Появление льда в средней и южной частях моря приходится на декабрь—январь. У восточного побережья лед местного происхождения, у западного— чаще всего приносной из северной части моря.
В суровые зимы у восточного побережья средней части моря замерзают мелководные заливы, у берегов образуются забереги и припай, у западного побережья дрейфующий лед в аномально холодные зимы распространяется до Апшеронского полуострова
Исчезновение ледяного покрова наблюдается во второй половине февраля—марте.
В зависимости от суровости зимы сроки льдообразования и площадь ледяного покрова могут сильно изменяться. К примеру, в некоторые годы Волга вообще не замерзала в районе Астрахани. В то же время в аномально холодные зимы 1949/50 и 1953/54 годов массы плавучего льда распространялись на юг вплоть до Апшеронского полуострова.
Средняя толщина льда на Каспии находится в пределах 25-60 см, однако динамические факторы способны оказьгаать значительное воздействие на мощность ледяного покрова. Так, в зимы с частыми восточными и юго-восточными штормовыми ветрами, толщина льда может составить 130 см, а для наслоенных льдов до 3 м.
Температура воды подвержена значительным широтным изменениям, наиболее отчетливо выраженным в зимний период, когда температура изменяется от 0—0.5°С у кромки льда на севере моря до 10—11 °С на юге, т. е. разность температуры воды составляет около 10°С. Для мелководных районов с глубинами менее 25 м годовая амплитуда может достигать 25-26°С. В среднем температура воды у западного побережья на 1—2°С выше, чем у восточного, а в открытом море температура воды выше, чем у побережий: на 2—4°С [Архипова и др., 1972].
По характеру горизонтальной структуры поля температуры в годовом цикле изменчивости можно выделить три временных отрезка в верхнем 2-метровом слое [Косарев, Тужилкин, 1995]. С октября по март температура воды увеличивается с севера на юг и с запада на восток, что особенно хорошо прослеживается в Среднем Каспии. Можно выделить две устойчивые квазиширотные зоны, где градиенты температуры повышены. Это, во-первых, граница между Северным и Средним Каспием, и, во-вторых, между Средним и Южным. У кромки льда, на северной фронтальной зоне, температура в феврале-марте увеличивается с 0 до 5°С, на южной фронтальной зоне, в районе Апшеронского порога, с 7 до 10°С. В данный период наименее охлаждены воды в центре Южного Каспия, которые образуют квазистационарное ядро.
В зимний период распределение температуры с глубиной довольно однородное вследствие зимней вертикальной циркуляции. Температурный минимум наблюдается в
13
феврале. Северная часть моря и мелководные заливы восточного побережья в это время покрыты льдом и температура воды отрицательная: -0.1...-0.5°С.
В апреле-мае область минимальных температур перемещается в Средний Каспий, что связано с более быстрым прогревом вод в мелководной северной части моря. Правда, в начале сезона в северной части моря большое количество тепла тратится на таяние льда, но уже в мае температура повышается здесь до 16-17°С. В средней части температура в это время составляет 13-15°С, а на юге увеличивается до 17-18°С. Весенний прогрев воды выравнивает горизонтальные градиенты, и разность температур между прибрежными районами и открытым морем не превышает 0.5°С. Прогрев поверхностного слоя, начинающийся в марте, нарушает однородность в распределении температуры с глубиной.
В июне-сентябре наблюдается горизонтальная однородность в распределении температуры в поверхностном слое. В августе, который является месяцем наибольшего прогрева, температура воды по всему морю составляет 24-26°С, а в южных районах возрастает до 28°С. Основной особенностью поля температуры воды в это время является апвеллинг. Он наблюдается ежегодно вдоль всего восточного побережья Среднего Каспия и частично проникает даже в Южный Каспий. Подъем холодных глубинных вод происходит с различной интенсивностью в результате воздействия преобладающих в летний сезон северо-западных ветров. Ветер данного направления вызывает отток теплых поверхностных вод от берега и подъем более холодных вод из промежуточных слоев. Начало апвеллинга приходится на июнь, однако наибольшей интенсивности он достигает в июле-августе. Как следствие, на поверхности воды наблюдается понижение температуры (7—15°С). Горизонтальные градиенты температуры достигают 2.3°С на поверхности и 4.2°С на глубине 20м [Косарев, Тужилкин, 1995]. Очаг апвеллинга постепенно смещается с 41-42° с.ш. в июне к 43-45° в сентябре. Летний апвеллинг имеет большое значение для Каспийского моря, в корне меняя динамические процессы на глубоководной акватории.
В августе температура воды в мелководных заливах, к примеру, в Красноводском, может достигать 32°С.
В открытых районах моря в конце мая — начале июня начинается формирование слоя скачка температуры, который наиболее четко выражен в августе. Чаще всего он располагается между горизонтами 20 и 30 м в средней части моря и 30 и 40 м в южной. Вертикальные градиенты температуры в слое скачка очень значительны и могут достигать
14
нескольких градусов на метр. В средней части моря вследствие сгона у восточного побережья слой скачка поднимается близко к поверхности.
Поскольку в Каспийском море отсутствует стабильный бароклинный слой с большим запасом потенциальной энергии подобный главному термоклину Мирового океана, то с прекращением действия преобладающих ветров, вызывающих апвеллинг, и с началом осенне-зимней конвекции в октябре-ноябре происходит быстрая перестройка полей температуры к зимнему режиму. В открытом море температура воды в поверхностном слое понижается в средней части до 12— 13 °С, в южной —до 16—17 °С. В вертикальной структуре слой скачка размывается за счет конвективного перемешивания и к концу ноября исчезает.
Процессы ветрового апвеллинга и даунвеллинга являются для Каспийского моря не менее важными климатообразующими факторами, чем потоки тепла через его поверхность. Вследствие этого контрастность полей температуры на глубине 20 метров летом в два раза больше, чем на поверхности. В остальные сезоны она в 1.5 раза меньше.
Сезонные изменения температуры воды заметно проявляются в верхнем 100-метровом слое. В придонных слоях моря температура в течение года составляет около 4.5°С в средней части и 5.8— 5.9°С в южной.
Солевой состав вод замкнутого Каспийского моря отличается от океанского. Существуют значительные различия в соотношениях концентраций солеобразующих ионов для вод районов, находящихся под непосредственным влиянием материкового стока. Процесс метаморфизации вод моря под влиянием материкового стока приводит к уменьшению относительного содержания хлоридов в общей сумме солей морских вод, увеличению относительного количества карбонатов, сульфатов, кальция, которые являются основными компонентами в химическом составе речных вод [Гидрометеорология, 1996].
Наиболее консервативными ионами являются калий, натрий, хлор и магний. Наименее консервативны кальций и гидрокарбонат-ион. В Каспии содержание катионов кальция и магния почти в два раза выше, чем в Азовском море, а сульфат-аниона - в три раза [Скороход, 1996].
Соленость воды особенно резко изменяется в северной части моря: от 0.1 %о в устьевых областях Волги и Урала до 10—11%о на границе со Средним Каспием. Минерализация в мелководных соленых заливах-култуках может достигать 60-100 г/кг. В Северном Каспии в течение всего безледного периода с апреля по ноябрь наблюдается соленостный фронт квазиширотного расположения [Бондаренко, Жмур, 19906]. Наибольшее опреснение, связанное с распространением речного стока по акватории моря, наблюдается
15
в июне. На формирование поля солености в Северном Каспии большое влияние оказывает иоле ветра [Блинов, 1950].
В средней и южной частях моря колебания солености невелики. В основном она составляет 12.6—12.8%о, увеличиваясь с севера на юг и с запада на восток. С глубиной соленость возрастает незначительно (на 0.1—0.2%о). В глубоководной части Каспийского моря в вертикальном профиле солености наблюдаются характерные прогибы изогалин и локальные экстремумы в районе восточного материкового склона, которые свидетельствуют о процессах придонного сползания вод, осолоняющихся на восточном мелководье Южного Каспия.
Как будет подробно рассмотрено в последующих главах, поле солености также меняется в зависимости от уровня моря, что очень важно для экосистемы моря.
Течения Каспийского моря в основном определяются атмосферными процессами над его акваторией. Первое представление о циркуляции вод было получено в экспедиции Н.М.Книповича [Книпович, 1921]. Книпович установил наличие крупномасштабных циклонических круговоротов в Среднем и Южном Каспии, центры которых располагаются над соответствующими глубоководными впадинами. Как показали более поздние исследования, реальная картина осложняется наличием большого числа мезомасштабных циклонических образований, которые играют большую роль в процессах обмена с глубинными слоями [Катунин, Сапожников, 1997].
Особенно сложная картина течений характерна для Северного Каспия. В районах устьевого взморья рек прослеживаются стоковые течения, но их влияние на общую картину невелико [Красножон, 1985]. Преобладающее значение имеют ветровые течения. Для Северного Каспия выделено несколько типов циркуляции [Скриптунов, 1984]. В основном, течения имеют направление вдоль длинной оси Северного Каспия: северо-восток/юго-запад. Мелководность бассейна приводит к тому, что направление и скорость течений быстро меняются. Течение способно поменять направление на 180° за несколько часов. Большое влияние на течения оказывает рельеф дна и конфигурация берегов [Косарев, Бондаренко, 1990]. К примеру, в центре впадины Уральская бороздина большую часть года наблюдается циклонический круговорот. Положение некоторых вихрей, расположенных на фронтальной зоне, может быть охарактеризовано как квазистационарное [Сапожников, 1999, 2002]. Поток распресненных вод Северного Каспия, как правило, распространяется вдоль западного берега, а вдоль восточного наблюдается компенсационный подток вод из Среднего Каспия [Бондаренко, 1990а]. Особенности атмосферной циркуляции, между тем, могут приводить и к обратной
16
динамической картине [Сапожников, 1996]. В зависимости от сгона или нагона в Южном Каспии в Северном могут возникать компенсационные течения.
В Среднем Каспии круглый год существует дипольная система из циклонического круговорота в его северо-западной части и аитициклонического - в юго-восточной. Вихревой диполь наблюдается также и в Южном Каспии, но антициклон здесь расположен на северо-западе бассейна, циклон - на юго-востоке. Сезонная изменчивость циркуляционных систем Каспийского моря заключается во взаимосвязанных вариациях положения, размеров и интенсивности круговоротов [Косарев и др., 2000]. Средние скорости течений в центрах суб-бассейновых круговоротов -5-10 см/с, на стыках вихрей разного знака - до 20 см/с.
В настоящее время разработано большое количество численных моделей, описывающих течения Каспийского моря [Trukhchev, 1995], [Перминов, Чечель, 1985], [Леонов, 2002].
Уровень Каспийского моря подвержен значительным колебаниям. За историческое время уровень моря претерпевал значительные колебания. В течение нашей эры имело место 6 крупных трансгрессий. С 1830 года по настоящее время отметки уровня колебались от минус 25.3 м до минус 29 м. В XX веке выделяются три периода резкого изменения уровня Каспия. В 1929 г уровень находился на отметке минус 26.0 м. С 1930 года началось падение уровня, которое продолжалось вплоть до 1977 года, когда был зафиксирован минимум за последние 200 лет - минус 29.02 м. Уровень начал повышаться с 1978 года и в 1996 году составил минус 27.0 м. В 1996-1997 уровень упал на 34 см, в 1998 остался без изменения. В настоящее время уровень колеблется в районе отметки минус 27 м.
Во всех районах моря наблюдаются сгонно-нагонные явления. Особенно значительны они в северной, мелководной части моря, где достигают величин 2.5-3.0 м. В Среднем и Южном Каспии величина нагонов редко превышает 1 м. В Каспийском море наблюдаются также сейши. Приливные колебания уровня практически отсутствуют, их величина не превышает 3-5 см.
Преобладающие направления волнения в северной части моря такие же, как и ветра,— восточное и юго-восточное. Высота волн уменьшается в направлении с юга на север по мере уменьшения глубины моря. Предельные высоты до 6 м возможны только на свале глубин между северной и средней частями моря. Далее к северу и востоку на глубинах порядка 6—7 м наибольшая высота волны не превышает 3 м.
17

 Часть из работы     Получить работу