При определении водных масс океанографы используют понятие, сходное с тем, которое применяется к воздушным массам. Водные массы различают преимущественно по температуре и солености. Также полагают, что водные массы формируются в определенном районе, где они находятся в поверхностном перемешанном слое и где на них оказывают воздействие постоянные атмосферные условия. Если в течение длительного периода времени вода остается в стационарном состоянии, ее соленость будет определяться рядом факторов: испарением и выпадением осадков, поступлением пресной воды с речным стоком в прибрежных районах, таянием и образованием льдов в высоких широтах и т.д. Точно так же ее температура будет определяться радиационным балансом водной поверхности, а также обменом тепла с атмосферой. Если соленость воды будет уменьшаться, а температура повышаться, плотность воды понизится и водная толща станет устойчивой. В этих условиях может сформироваться только поверхностная водная масса небольшой толщины. Если, однако, соленость будет возрастать, а температура понижаться, вода станет более плотной, начнет погружаться, и может сформироваться водная масса, достигающая значительной мощности по вертикали.
Чтобы различать водные массы, данные о температуре и солености, полученные на разных глубинах в некотором районе океана, наносят на диаграмму, у которой по оси ординат откладывается температура, а по оси абсцисс - соленость. Все точки соединяются друг с другом линией в порядке возрастания глубин. Если водная масса совершенно однородна, она будет представлена одной-единственной точкой на такой диаграмме. Именно этот признак служит критерием для выделения типа вод. Скопление точек наблюдений вблизи такой точки покажет присутствие вод определенного типа. Но температура и соленость водной массы с глубиной обычно меняются, и водная масса характеризуется на T-S диаграмме определенной кривой. Эти вариации могут быть обусловлены небольшими колебаниями свойств воды, образованной в различное время года и опустившейся на разные глубины в соответствии с ее плотностью. Их можно также объяснить изменениями условий на поверхности океана в том районе, где происходило формирование водной массы, и вода может опускаться не вертикально, а вдоль некоторых наклонных поверхностей равных плотностей. Поскольку q1 является функцией только температуры и солености, на T-S диаграмме можно провести линии равных значений q1,. Представление об устойчивости водной толщи можно получить, сравнивая график T-S с простиранием изолиний q1.
Консервативные и неконсервативные свойства
Сформировавшись, водная масса, как и масса воздушная, начинает двигаться из очага формирования, подвергаясь по пути трансформации. Если она останется в приповерхностном перемешанном слое или уйдет из него, а затем возвратится вновь, дальнейшее взаимодействие с атмосферой вызовет изменения температуры и солености воды. Новая водная масса может возникнуть в результате перемешивания с другой водной массой, и ее свойства будут промежуточными между свойствами двух первоначальных водных масс. С того момента, как водная масса перестает подвергаться трансформации под воздействием атмосферы, ее температура и соленость могут изменяться только в результате процесса перемешивания. Поэтому такие свойства называются консервативными.
Водная масса обычно имеет определенные химические характеристики, присущую ей биоту, а также типичные соотношения температуры и солености (T-S соотношения). Полезным показателем, характеризующим водную массу, часто бывает величина концентрации растворенного кислорода, а также концентрация биогенных веществ - силикатов и фосфатов. Морские организмы, присущие определенной водной массе, называются видами-индикаторами. Они могут оставаться в пределах данной водной массы, поскольку ее физические и химические свойства удовлетворяют их или же просто потому, что они, являясь планктоном, переносятся вместе с водной массой из района ее формирования. Эти свойства, однако, изменяются в результате химических и биологических процессов, протекающих в океане, и поэтому называются неконсервативными свойствами.
Примеры водных масс
Достаточно наглядным примером могут служить водные массы, которые формируются в полузамкнутых водоемах. Та водная масса, которая образуется в Балтийском море, обладает низкой соленостью, что вызвано значительным превышением речного стока и количества выпадающих осадков над испарением. Летом эта водная масса достаточно нагревается и поэтому обладает очень низкой плотностью. Из своего очага формирования она вытекает через узкие проливы между Швецией и Данией, где происходит ее интенсивное перемешивание с нижележащими водными слоями, поступающими в проливы со стороны океана. Перед перемешиванием ее температура летом близка к 16°С, а соленость составляет менее 8%0. Но к тому времени, когда она достигает пролива Скагеррак, ее соленость в результате перемешивания повышается до величины порядка 20%о. В силу низкой плотности она остается на поверхности и быстро трансформируется в результате взаимодействия с атмосферой. Поэтому эта водная масса не оказывает заметного влияния на районы открытого океана.
В Средиземном море испарение превосходит приток пресной воды, поступающей в виде осадков и речного стока, и поэтому соленость там увеличивается. В северо-западной части Средиземного моря зимнее охлаждение (связанное в основном с ветрами, называющимися мистраль) может привести к конвекции, которая охватывает всю водную толщу до глубин более 2000 м, в результате чего формируется чрезвычайно однородная водная масса с соленостью более 38,4% и температурой около 12,8°С. При выходе этой водной массы из Средиземного моря через Гибралтарский пролив она подвергается интенсивному перемешиванию, и наименее перемешанный слой, или ядро, средиземноморской воды в прилегающей части Атлантики имеет соленость 36,5%0 и температуру 11 °С. Этот слой обладает высокой плотностью и поэтому погружается до глубин порядка 1000 м. На этом уровне он распространяется, подвергаясь непрерывному перемешиванию, но его ядро все же можно распознать среди других водных масс большей части Атлантического океана.
В открытом океане Центральные водные массы образуются на широтах примерно от 25° до 40°, а затем погружаются вдоль наклонных изопикн и занимают верхнюю часть главного термоклина. В Северной Атлантике такая водная масса характеризуется T-S кривой с исходным значением 19°С и 36,7% и конечным значением 8°С и 35,1%. В более высоких широтах формируются промежуточные водные массы, которые характеризуются низкой соленостью, а также низкой температурой. Наиболее широко распространена Антарктическая промежуточная водная масса. Она имеет температуру от 2° до 7°С и соленость от 34,1 до 34,6%0 и после погружения примерно на 50° ю. ш. до глубин 800-1000 м распространяется в северном направлении. Наиболее глубокие водные массы формируются в высоких широтах, где вода зимой охлаждается до очень низких температур, часто до точки замерзания, так что соленость определяется процессом замерзания. Антарктическая придонная водная масса обладает температурой - 0,4°С и соленостью 34,66%0 и распространяется в северном направлении на глубинах более 3000 м. Северо-Атлантическая глубинная придонная водная масса, которая образуется в Норвежском и Гренландском морях и при перетекании через Шотландско-Гренландский порог испытывает заметную трансформацию, распространяется к югу и перекрывает Антарктическую придонную водную массу в экваториальной и южной частях Атлантического океана.
Концепция водных масс сыграла большую роль при описании процессов циркуляции в океанах. Течения в глубинах океанов одновременно и очень медленны, и очень переменчивы, чтобы их можно было изучать с помощью непосредственного наблюдения. Но T-S анализ помогает выделить ядра водных масс и определить направления их распространения. Однако чтобы установить скорость, с которой они перемещаются, необходимы другие данные, такие, как скорость перемешивания и скорость изменения неконсервативных свойств. Но их обычно получить не удается.