В океанографии фронт — это граница между двумя различными водными массами . Формирование фронтов зависит от множества физических процессов, и небольшие различия в них приводят к широкому диапазону типов фронтов. Они могут быть узкими, как несколько сотен метров, и широкими, как несколько десятков километров. [1] Хотя большинство фронтов формируются и рассеиваются относительно быстро, некоторые могут сохраняться в течение длительных периодов времени.
Традиционно океанские фронты определялись как граница между двумя отдельными водными массами. [2] Однако современное использование спутниковых данных позволяет получить динамическое и более высокое определение, основанное на наличии сильных течений.
Историческое определение фронтов с использованием водных масс , водоемов, которые различаются по физическим свойствам, таким как температура и соленость, основывалось на данных с низким разрешением, полученных в ходе исследовательских экспедиций. Поскольку объединение этих данных заняло много времени, полученные положения фронтов дали усредненный по времени вид, показывающий только широкомасштабную структуру. Например, в Южном океане это привело к определению пяти фронтов, которые все считались непрерывными и циркумполярными, достигающими больших глубин и находящимися под сильным влиянием батиметрии . [3] Водные массы по обе стороны от таких фронтов различаются по температуре , солености или плотности , а также по другим океанографическим маркерам. [2]
С появлением спутниковых данных высокого разрешения сформировался другой взгляд на океанские фронты. Постоянно измеряя высоту морской поверхности (SSH) по всему миру, можно определить положение сильных течений или струй, связанных с океанскими фронтами, с очень высоким пространственным и временным разрешением . [4] [5] Таким образом, краткосрочные изменчивости и тенденции могут быть проанализированы и связаны с другими климатологическими изменениями, такими как Эль-Ниньо - Южное колебание . Используя этот метод, фронты в Южном океане больше не являются циркумполярными, а количество фронтов зависит от местоположения и времени. [4] [3]
В дополнение к физическим определениям, описанным выше, также возможно разделять фронты, используя пространственное определение. Локально фронты часто определяются с помощью градиентного порога: положение фронта определяется на основе того, где пространственный градиент величины, такой как высота поверхности моря или температура, превышает определенный порог. [3] Это напоминает динамическое определение фронтов от сильных течений, описанное выше. При определении фронтов в глобальном масштабе часто используются конкретные значения высоты поверхности моря или температуры, напоминающие традиционное определение массы воды. [3]
Процесс формирования фронта называется фронтогенезом . В этом процессе играют роль несколько факторов, включая океанические течения , ветер и силы Кориолиса . Например, ветры, направленные к экватору вдоль западного побережья или ветры, направленные к полюсам вдоль восточного побережья континентов, могут создавать градиенты в вертикальном движении. [6] Это приводит к потоку Экмана и может привести к образованию фронтов восходящего потока. Аналогичным образом инерционное усиление западных пограничных течений помогает создавать западные пограничные фронты течений. [6]
Различия в местоположении и процессах формирования приводят к широкому спектру типов фронтов. Ниже описываются несколько основных типов в зависимости от места их нахождения, но эти определения все равно могут частично совпадать.
Некоторые из самых мощных фронтов, которые можно обнаружить, возникают в эстуариях . [7] В этих регионах пресный речной приток встречается с гораздо более соленой морской водой, образуя сильные градиенты солености и приводя к образованию фронта солености. [8] [9] Большое отличие от большинства других океанских фронтов заключается в том, что эстуарные фронты часто возникают в меньших пространственных масштабах, тем самым допуская лишь ограниченный эффект силы Кориолиса и геострофического движения . [8] Поскольку эти фронты не находятся в инерционном равновесии, им необходим постоянный источник энергии для выживания, что объясняет их относительно короткое время жизни. [8] С другой стороны, это также делает эти фронты способными формироваться относительно быстро по сравнению с более крупными фронтами. [8]
Эстуарные фронты можно разделить на две основные категории в зависимости от глубины, на которой они залегают: поверхностные фронты и донные фронты.
Фронты на поверхности часто можно увидеть визуально, например, как линию пены, образующуюся из-за схождения водных масс , или изменения цвета из-за различий в переносе осадка . [9] [8] [7] Последнее делает то, что эстуарные фронты часто можно также рассматривать как фронты мутности , поскольку реки могут переносить большое количество осадка во взвешенном состоянии . [9] Различные эстуарные поверхностные фронты могут образовываться в зависимости от влияния приливных течений .
.png/1280px-Estuarine_fronts(tidal_intrusion_front).png)
Другая группа эстуарных фронтов особенно сильна на дне эстуария. [7]
В мелководных морях на континентальном шельфе могут образовываться два основных типа фронтов в зависимости от процессов, которые в них участвуют.
Летом, вдали от источников пресной воды, умеренные шельфовые моря разделяются на термически стратифицированные регионы, на которые влияют различия в плавучести слоев, и вертикально хорошо перемешанные регионы, на которые сильно влияет приливное перемешивание. [18] Регионы между этими двумя называются фронтами приливного перемешивания. [19] Это перемешивание обычно распространяется только на глубину около 50 метров, или до 100 метров в некоторых случаях, [9] с горизонтальными градиентами температуры обычно 1 °C км −1 . [19] Большие градиенты температуры, демонстрируемые фронтами, четко видны на спутниковых инфракрасных (ИК) снимках морской поверхности, которые обеспечивают полезный способ отслеживания положения фронтов и наблюдения за их эволюцией. [20]
Фронты шельфового разлома являются наиболее распространенным типом фронтов. Эти фронты выровнены с шельфовым разломом , местом, где относительно плоский континентальный шельф переходит в более крутой континентальный склон , и находятся под влиянием в основном приливного и ветрового перемешивания. [19] В этих местах вода на шельфе отделена от океанической воды вне шельфа. [18] В отличие, например, от фронтов приливного перемешивания, эти фронты можно рассматривать как фронты водных масс , поскольку они разделяют две отдельные водные массы: наземную и морскую. Эти фронты всегда связаны с четко определенным течением . [9] Примеры фронтов шельфового разлома встречаются в Срединно-Атлантическом заливе и Бискайском заливе .
Вблизи прибрежных зон ветры, дующие параллельно побережью, могут создавать ветровые течения , которые создают перенос Экмана от побережья. [21] Это перемещает верхнюю водную массу от побережья и приводит к подъему более холодной воды с глубины, [9] также называемому прибрежным подъемом воды . Контраст между холодной водой с глубины и более теплой поверхностной водой приводит к образованию фронтов прибрежного подъема воды. [21] Примеры таких фронтов встречаются у побережья Вашингтона - Орегона - Калифорнии и Перу - Чили . [9]
В целом, сильные течения, называемые западными пограничными течениями, формируются на восточной границе континентов. Эти сильные течения могут переносить водные массы на большие расстояния, приводя их в соприкосновение с водными массами, которые имеют совершенно другие свойства. Эти различия в свойствах вместе с такими факторами, как скорость, вызывают очень сильные градиенты между западными пограничными течениями и окружающей водой, что приводит к образованию фронтов западных пограничных течений. Эти фронты являются одними из самых сильных фронтов, которые можно наблюдать, и могут простираться на многие тысячи километров в длину. [9] Примерами таких фронтов являются Гольфстрим , [ 22] Куросио [23] и течения Агульяс . [24]
В дополнение к прибрежному апвеллингу, сильный апвеллинг также происходит вдоль экватора . В этом случае сила Кориолиса мала вблизи экватора, поскольку она меняет знак между полушариями . Затем западные пассаты приводят к переносу Экмана , который перемещает поверхностные воды от экватора в обоих полушариях. Заменяющая апвеллинговая вода будет холоднее, чем окружающие поверхностные воды, снова создавая сильный вертикальный градиент температуры, который приводит к образованию фронта. [2] Поскольку местоположение пассатов меняется в зависимости от сезона, местоположение экваториального фронта апвеллинга также меняется. [25] Этот тип фронта можно найти в основном в Атлантическом и Тихом океанах . [9] Однако в Индийском океане эти фронты не такие сильные. [9] Вероятно, это связано с разницей между океаническими бассейнами, поскольку Индийский океан простирается лишь немного к северу от экватора, в то время как другие бассейны достигают северного полюса . [9]
Субтропический регион окружен ветрами, дующими на восток в более высоких широтах , и ветрами, дующими на запад в более низких широтах . Экмановский перенос, связанный с этими ветрами, в обоих случаях направляет поток воды в сторону субтропиков , что приводит к конвергенции более холодной воды из средних широт и более теплой воды из тропиков здесь. [26] Это приводит к образованию субтропического фронта конвергенции. Поскольку водные массы по обе стороны фронта имеют разную температуру, это создает сильный температурный градиент и делает такие фронты термическими фронтами. [27] Кроме того, накопление воды в этом регионе приводит к небольшому повышению уровня моря . Это увеличивает давление на водную толщу и приводит к даунвеллингу . [2] В некоторых случаях это может поддерживать местные морские сообщества, поскольку организмы, такие как саргассум , которые плавают в верхних слоях океана, будут двигаться к фронту вместе с водой и оставаться в верхних слоях вблизи фронта. [28] Примеры субтропических фронтов конвергенции можно найти, среди прочего, в Саргассовом море и северной части Тихого океана , а также в южных частях Атлантического , Индийского и Тихого океанов . [9]
Два типа фронтов могут образовываться вокруг кромок морского льда в зависимости от глубины, на которой они возникают. Основное различие между ними возникает из-за высвобождения соли во время образования морского льда , называемого отторжением рассола . Это создает конвекцию , вызванную соленостью, перенося соленые воды на большую глубину. Во время таяния морского льда соленость поверхностных вод уменьшается из-за поступления пресной воды. Это создает локальный фронт солености между более солеными более глубокими водами и талой поверхностной водой с низкой соленостью. [9]
Фронты верхнего и нижнего слоев могут быть разделены там, где океанские течения сталкиваются перпендикулярно льду, что часто происходит, например, в заливах . [29] Однако, например, на ледяных полуостровах , низкая боковая турбулентность может привести к совпадению этих фронтов. [29]
В целом, примеры фронтов пограничной ледяной зоны можно найти в Лабрадорском и Гренландском морях , а также в Южном океане . [9]
Очень важный набор фронтов происходит в Южном океане . Этот бассейн характеризуется интенсивным Антарктическим циркумполярным течением (ACC), текущим на восток, которое является одной из самых мощных систем течений на Земле. Кроме того, различные водные массы , которые встречаются в этом бассейне, связаны с сильными градиентами плотности, которые достигают большой глубины и приводят к сильно наклоненным изопикническим поверхностям (плоскостям постоянной плотности), которые становятся мелкими к югу. [30] Вместе эта динамика приводит к образованию сильных и устойчивых фронтов. Используя традиционное определение фронтов, это единственный океанический бассейн, где можно найти циркумполярные фронты. Тем не менее, структура фронтов вокруг Антарктиды перестраивается несколько раз, что приводит к разделению одного фронта на многочисленные более мелкие субфронты. [30]
В пределах ACC (с севера на юг) определены фронты: Субантарктический фронт (SAF), Антарктический полярный фронт (APF) и Южный фронт ACC (SACCF). Однако к югу от этих трех фронтов можно определить еще два фронта: Южный пограничный фронт (SBF) и Антарктический склоновый фронт (ASF). ASF формируется между шельфовой водой около Антарктического континента и прибрежной океанической водой, и поэтому его также можно рассматривать как фронт шельфового разлома. [9] Однако в этом случае на фронт влияет дополнительный процесс, а именно катабатические ветры . Они переносят воздух высокой плотности с более высокой высоты вниз по склону под действием силы тяжести и помогают поддерживать западное течение над шельфом и, таким образом, фронт. [30]
Фронты важны во многих аспектах. Некоторые типы фронтов, такие как фронты апвеллинга и конвергенции, являются участками выраженного обмена между глубиной и поверхностью океана и могут катализировать образование мезомасштабных вихрей и субмезомасштабных нитей. [3] Фронты апвеллинга могут выносить питательные вещества на поверхность и приводить к росту фитопланктона . Этот рост фитопланктона может, в свою очередь, поддерживать другие морские организмы в этом районе. Некоторые фронты создают горячие точки морского биоразнообразия и биогеохимических процессов , когда они впрыскивают макроэлементы из соседней богатой питательными веществами водной массы в ограниченную по питательным веществам и физически стабильную эвфотическую зону , усиливая новую первичную продукцию. [31] Действительно, фронты Южного океана разделили этот океан на ряд отдельных биофизических зон и, следовательно, ряд отдельных местообитаний, которые, в свою очередь, поддерживают отдельную биоту . [3] Поскольку прибрежные воды, как правило, более богаты питательными веществами, чем морские воды, шельфовые морские фронты часто отмечают резкие биогеохимические границы. Однако сильное перемешивание, которое происходит на некоторых фронтах, может обеспечить питательными веществами эвфотическую зону и повысить производительность . [18] Избыток углеродной биомассы, произведенный на фронтах, может экспортироваться вниз, питая более глубокие пелагические и бентосные сообщества . Нисходящий транспорт углеродной биомассы является важным путем в глобальном углеродном цикле , особенно в мелководных морях, где часть органического углерода, зафиксированного фотосинтезом, накапливается в донных отложениях . [31]
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )