Тепловые характеристики эстуариев очень сложны и значительно различаются. Поскольку в эстуариях происходит смешение пресной и соленой воды, результирующая плотность воды определяется температурой и соленостью. Как уже отмечалось в главе 2, плотность воды соленостью менее 25‰ при температурах несколько выше точки замерзания больше, чем в.точке замерзания. Таким образом, эстуарии, имеющие соленость вод меньше 25‰, обладают многими свойствами пресноводных систем; для них, в частности, характерно перемешивание. При солености выше 25‰, когда максимальная плотность воды достигается в точке замерзания, эстуарии по своим характеристикам приближаются к океаническим системам.
На характеристики эстуариев огромное влияние оказывают приливы. Во время прилива в эстуарий проникают океанические воды, а во время отлива солоноватые воды уходят из эстуария. Скорость прилива в эстуарии зависит от его физических размеров: часто она достигает 2,5 м/с; в некоторых случаях вдвое больше. В результате действия прилива в эстуарии возникают колоссальные силы перемешивания. Специалисты по аквакультуре должны учитывать эти силы при расчете устанавливаемых в эстуариях подводных заградительных сооружений.
Скорость и объем потока пресной воды, входящего в верхнюю зону эстуария, зависят от характеристик источника пресной воды. Сильные дожди, выпавшие в районе бассейна реки, могут существенно нарушить нормальные условия в эстуарии. Такое нарушение наблюдалось, например, во время прохождения урагана Апнес. Сток в Чесапикский залив увеличился на порядок, что вызвало смещение границы пресных вод в заливе на 50 миль. Такие изменения оказались гибельными для некоторых организмов эстуария, например для некоторых двустворчатых моллюсков. На перемешивание и циркуляцию в эстуариях влияют также ветровые силы, причем, как правило, тем сильнее, чем больше размеры эстуария. Штормовые морские ветры также оказывают влияние на эстуарии, поскольку обычно увеличивают скорость приливов.
Существует четыре классических типа циркуляционных систем, характеризующих условия в эстуарии: эстуарий с галоклином1, эстуарий с горизонтальной границей, эстуарий с вертикальной границей, вертикально и горизонтально однородный эстуарий. Иногда как отдельный, пятый тип эстуариев выделяют фьорды.
Эстуарий с галоклином (рис. 3.13) образуется, когда речной сток превосходит приливный поток и отношение ширины эстуария к его глубине относительно мало. Примером эстуария такого типа может служить устье реки Миссисипи. Речная пресная вода, имеющая меньшую плотность, течет над соленой водой. Если бы верхняя граница клина соленой воды представляла собой гладкую невозмущенную поверхность, распространение воды происходило бы до точки, где превышение дна реки над уровнем поверхности моря равно нулю (см. рис. 3.13). Однако из-за значительной инерции речной воды граница клина соленой воды смещается вниз по течению тем дальше, чем больше объем речного стока. На поверхности раздела клина соленой и речной воды происходит интенсивное перемешивание. Однако это перемешивание неполное; образовавшаяся в результате частичного перемешивания более легкая вода вытекает из эстуария над слоем соленого клина. Более полное перемешивание происходит при движении водных масс эстуария вниз по течению.
Горизонтальная граница в эстуарии образуется, если отношение объема речного стока к приливному потоку уменьшается в результате увеличения приливного потока или уменьшения речного стока. Увеличение отношения ширины эстуария к глубине приводит к образованию горизонтальной границы, поскольку в этом случае увеличивается приливный поток. Относительное возрастание приливного потока вызывает интенсивное перемешивание, разрушающее клин соленой воды. В результате возникает слой перемешанной воды над относительно горизонтальной поверхностью. Эстуарий с горизонтальной границей схематично показан на рис. 3.14. На рисунке граница слоя горизонтального перемешивания имеет некоторый наклон, вызванный действием силы Кориолиса. Втекающая в эстуарий соленая вода под действием силы Кориолиса отклоняется вправо (в северном полушарии). Пресная вода, текущая в противоположном направлении, также отклоняется под действием силы Кориоли-са вправо относительно направления течения, т. е. к противоположной стороне эстуария. Наклон увеличивается, пока сила Кориолиса не уравновесится возникающей разностью плотностей.
В эстуарии с горизонтальной границей перемешивание происходит на большой площади. В таком эстуарии соленая вода движется вверх по течению в нижних слоях, а менее соленая вода — по течению в поверхностных слоях. Поток соленой воды в устье намного превышает поток пресной воды. Например, в устье Чесапикского залива, который является примером эстуария с горизонтальной границей поток морской воды в 39 раз превышает поток пресной воды.
Эстуарии с вертикальной границей возникают в результате значительного, возрастания скоростей прилива, когда резко увеличивается сила Кориолиса. В этих эстуариях слой перемешивания расположен почти в вертикальной плоскости (рис. 3.15). Сонная вода втекает в эстуарий справа (если смотреть вверх по течению, в северном полушарии), а пресная вода вытекает в левой части эстуария. Примером эстуария с вертикальной границей является эстуарий реки Раритан в штате Нью-Джерси.
В природе существует очень мало горизонтально-, и вертикально-однородных эстуариев, поскольку для осуществления такой однородности поперечное сечение эстуария должно .иметь строго определенную конфигурацию. Эстуарий должен быть достаточно узким, для предотвращения прохождения любого потока, вверх по течению. Длина эстуариев может лишь в несколько раз превышать амплитуду приливного перемещения вод. Перемещение соленой воды вверх по течению в таких эстуариях осуществляется только за счет турбулентности.
Фьорды иногда клиссифицируют как особый тип эстуариев. Фьорд представляет собой длинное узкое углубление береговой линии с небольшой глубиной дорога и характерен для районов, в которых осадки и сток превышают испарение. Пресная вода вытекает из фьорда в близких к поверхности слоях, а некоторое количество соленой воды может втекать в него через порог. Ниже уровня порога образуется резервуар относительно-стоячей воды, часто с низким уровнем содержания кислорода.
Таким образом, тип циркуляции в эстуарии зависит ют параметров речного стока, скорости прилива, ширины и глубины эстуария. При прочих равных условиях с уменьшением речного стока, увеличением скорости прилива, ширины и глубины эстуария, тип эстуария изменяется от эстуария с клином соленой воды к эстуарию с горизонтальной границей и затем к эстуарию с вертикальной границей.
Если речной сток велик по сравнению с приливным, возникнет большой градиент солености и перемешивание обусловлено только подповерхностными волнами. Когда приливное течение превышает речной сток, клин соленой воды разрушается в результате перемешивания, возникшего при увеличении скоростей прилива. Возникает эстуарий с горизонтальной границей. Дальнейшее увеличение скоростей прилива еще больше увеличивает перемешивание и в результате действия силы Кориолиса приводит к возникновению эстуария с вертикальной границей. Увеличение ширины вызывает уменьшение скорости в данной точке и, как следствие, уменьшение эффективного стока или скорости. Таким образом, расширение эстуария оказывает такое же действие, как и уменьшение речного стока. Увеличение глубины эстуария уменьшает скорость прилива и, следовательно, влияет на изменение типа эстуария, так же как и уменьшение скорости прилива. Эстуарий с горизонтальной и вертикальной однородностью обязательно должен быть нешироким.
В действительности далеко не во всех эстуариях наблюдаются картины циркуляций, аналогичные описанным выше. Например, в Балтиморской гавани — эстуарии Чесапикского залива — наблюдается четырехслойная циркуляция: в двух слоях вода переносится вверх по течению, в двух — вниз по течению. Каждый эстуарий является целостной системой, и для установления характерной для него картины циркуляции необходимо проведение соответствующих наблюдений. Со временем характер циркуляции в эстуарии может изменяться в зависимости от внешних факторов, напримео при весеннем увеличении речного стока.
При расчете энергетического баланса эстуария учитываются те же возможности получения и расхода энергии, что и для озера. Кроме того, важную роль для эстуария играет приливный поток. Энергетический баланс определяется влияющей на плотность соленостью, объемом и температурой речного стока, объемом и температурой приливного потока, конфигурацией и размерами эстуария, величиной солнечного излучения и скоростью испарения. Эти факторы также определяют характер циркуляции эстуария.
Циркуляция и энергетические соотношения, характерные для природных водоемов, являлись предметами длительных дискуссий. Вопрос о том, в какой мере эти проблемы касаются рыбного хозяйства и аквакультуры, будет рассмотрен в последующих главах. Однако уже здесь полезно привести несколько характерных примеров. Для существования многих промысловых видов рыб, г также видов, пригодных для искусственного разведения, требуется кислород и определенные температуры воды. Знание характера циркуляции водоема и среды обитания данного вида рыб позволяет с большей точностью локализовывать скопления. Для поиска скоплений некоторых видов рыб уже сейчас используются температурные данные. Картирование поверхностных температур океанов и больших озер может производиться методом дистанционного спутникового зондирования. При устройстве хозяйств аквакультуры знание картины циркуляции может способствовать правильному расположению водозаборных устройств и садков. Например, для эффективной работы устричных ферм соленость воды должна составлять 17‰ или больше. Следовательно, при создании устричной фермы в эстуарии для получения воды необходимой солености следует брать воду из придонных слоев эстуариев с горизонтальной циркуляцией или из правой части (если смотреть вверх по течению, находясь в северном полушарии) эстуария с вертикальной циркуляцией. Несколько приведенных примеров показывают необходимость изучения характера циркуляции природных водоемов. В последующих главах будут приведены другие примеры.
Примечания
1. Галоклин — резкий градиент солености на определенной глубине.