Экологические проблемы Каспийского моря

Ветровое перемешивание протекает во все сезоны на обширных свободных от льда пространствах моря под воздействием интенсивных ветров, не затухающих даже летом. Оно выравнивает температуру, соленость и плотность в верхнем (0—10 м, местами 0—20, 0—30 м) слое воды. На нижней границе однородного слоя создаются резкие вертикальные градиенты характеристик. Они препятствуют дальнейшему проникновению ветрового перемешивания вглубь и создают устойчивую структуру вод.

Конвективное перемешивание повсеместно развито главным образом осенью и зимой вследствие охлаждения и соответственно уплотнения поверхностных вод, а в северной части моря и за счет осолонения верхнего слоя при льдообразовании. В восточных районах конвекция возникает и летом, когда интенсивное испарение увеличивает соленость и, следовательно, плотность воды на поверхности. Наиболее существенно осенне-зимнее конвективное перемешивание. Летом этот процесс проявляется в значительно меньших масштабах.

Вследствие большой меридиональной протяженности Каспийского моря и различия гидрометеорологических условий в нем на его обширных пространствах наблюдается три типа конвекции, по классификации Н. Н. Зубова (1947). Полярный тип характерен для северной части, где происходит льдообразование. Субполярный тип свойствен средней и большинству районов южной части моря, где плотностное перемешивание протекает лишь благодаря охлаждению поверхностных вод. Субтропический тип локализован у восточного берега южной части моря, где летом происходит осолонение поверхностных слоев за счет испарения.

Основные черты конвективного перемешивания в Каспийском море рассмотрены А. Н. Косаревым (1975), отметившим, что условия для развития конвекции связаны прежде всего с довольно однородным распределением солености от поверхности до дна. Вместе с тем под влиянием различных природных факторов (неодинаковое от места к месту охлаждение, распреснение, рельеф дна, течения и др.) формируются местные особенности плотностного перемешивания. Они проявляются главным образом в различии глубины проникновения конвекции к концу ее развития (конец февраля — начало марта). При этом распространение осенне-зимнего конвективного перемешивания вглубь ограничивает либо дно, либо плотностная структура вод — обычно горизонты залегания резко выраженного пикноклина. В северной части моря зимняя вертикальная циркуляция доходит до дна и сопровождается льдообразованием.

В среднем Каспии конвекция достигает в основном горизонта 200 м, а в некоторых районах (разрез Дербент—Песчаный) может проникать до 300 м и более. Это объясняется усилением здесь выхолаживания вод и особенностями рельефа дна района. В центральных районах Южного Каспия глубина распространения плотностного перемешивания равна 80—100 м, а в иранских водах она не превышает 40—60 м. Сравнительно слабое развитие конвекции здесь объясняется небольшим охлаждением поверхности моря и довольно близким залеганием к поверхности зимнего максимума устойчивости.

Хорошо развитая в северной и средней частях моря зимняя вертикальная циркуляция в условиях неровного рельефа дна способствует возникновению по существу конвективного процесса — сползания вод по склонам. В мелководном Северном Каспии и в районе «свала глубин» Среднего Каспия поверхностные воды охлаждаются вплоть до температуры замерзания, что значительно увеличивает их плотность. В результате конвективного перемешивания эти воды высокой плотности достигают дна (100—200 м) на северном склоне среднекаспийской впадины. Поскольку их плотность больше, чем нижележащих, они начинают погружаться (оползать) вниз по склону. Глубина их сползания может быть различной в зависимости от солености и температуры поверхностных вод. Осолонение северной части моря вследствие сокращения стока Волги привело к увеличению плотности на «свале глубин» и тем самым улучшились возможности сползания вод по склону. В настоящее время условная плотность поверхностных вод в этом районе в феврале достигает 11,2—11,4 единиц, что позволяет им опускаться до придонных горизонтов котловины Среднего Каспия.

В ее придонных горизонтах существуют условия, благоприятные для возникновения и развития вертикального перемешивания под наиболее глубоких слоев путем придонной конвекции. Она возбуждается вследствие появления здесь отрицательной устойчивости, обусловленной сверхадиабатическим градиентом, температуры (т. е. повышением с глубиной потенциальной температуры), что в придонных слоях Южного Каспия вызывается притоком тепла от дна. По расчетам А. Н. Косарева (1975), толщина конвективного слоя в основном 100—200 м от дна южнокаспийской впадины.

В отличие от других морей в Каспийском в результате осенне-зимней конвекции не образуется холодный промежуточный слой. Температура слоя, охваченного зимней вертикальной циркуляцией, всегда остается выше температуры нижележащих слоев, что исключает возможность образования холодного промежуточного слоя.

Хотя воды Каспийского моря довольно однородны по структуре, совокупность физико-химических и биологических признаков позволяет выделить в нем вполне определенные водные массы. Одним из индексов каждой из них служит температура воды, а другим — соответствующее ей содержание растворенного кислорода (O2, мл/л), так как именно эта величина, а не мало изменяющаяся по вертикали соленость, наиболее показательна для своеобразных каспийских вод. В связи с этим для анализа гидрологической структуры и выделения водных масс в средней и южной частях Каспийского моря используются в основном TO2-кривые, а соленость привлекается как вспомогательная характеристика. На основе отмеченных и биологических критериев в Каспийском море выделены следующие водные массы: северокаспийская, верхняя каспийская, глубинная среднекаспийская и глубинная южнокаспийская.

Рис. 3. Течения на поверхности Каспийского моря

Общая циркуляция вод Каспийского моря формируется под воздействием ветра, пространственной неравномерности поля плотности, силы Кориолиса, конфигурации берегов и рельефа дна. В северной части моря, кроме того, имеют значение речной сток и колебания уровня. Совокупность этих факторов обусловливает сложную картину течений, которые образуют в общем циклоническую циркуляцию вод (рис. 6). Она соответствует среднемноголетним гидрометеорологическим условиям над морем, может заметно изменяться под влиянием конкретной гидрометеорологической обстановки и осложняется под влиянием местных факторов. Из рисунка видны ее основные особенности. Под влиянием преобладающих ветров северных румбов создается дрейфовый поток вод из северной части моря вдоль его западного берега на юг. Апшеронский полуостров делит это течение на две ветви. Одна из них (главная) огибает Апшерон и движется на юг до Иранских берегов, где поворачивает на восток, а вблизи шельфа восточного берега — на север, проникая в среднюю и северную часть моря. Другая ветвь отклоняется Апшеронским полуостровом на восток и у восточных берегов соединяется с водами, идущими на север. У полуострова Мангышлак эти воды частично отклоняются на запад и замыкают циклонический круговорот в Среднем Каспии, частично уходят в северную часть моря. В Южном Каспии, между Апшероном и устьем Куры, образуется местная антициклональная циркуляция.

Скорость и устойчивость дрейфовых течений в средней и южной частях моря изменяются в зависимости от силы и продолжительности ветра и неодинаковы от места к месту. По инструментальным наблюдениям наиболее значительные скорости (до 80 см/с) отмечаются у западных берегов Среднего Каспия при сильных северных ветрах. При слабых и неустойчивых ветрах этих направлений течения имеют скорость 5—10 см/с, а при умеренных ветрах 30—40 см/с. У восточных берегов в соответствии с ветрами преобладают течения со скоростью до 10 см/с, но наблюдаются потоки со скоростями до 30 см/с.

Каспийское море преимущественно неспокойное. Частые ветры развивают волны, которые довольно быстро затухают после прекращения ветра. Преобладают неправильные волны, часто переходящие в толчею. Относительно спокойным море бывает с мая по июль, наиболее бурным — с ноября по март. В это время часто наблюдается волнение более 6 баллов. Штормовые ветры вызывают крупные волны. Так, в районе Нефтяных камней при скорости ветра 40 м/с максимальная высота волн, наблюдаемая по вехе, установленной на глубине 12 м, достигала 9—10 м, а над глубинами 20—30 м визуально наблюдались волны высотой 10—11 длиной около 200 м, периодом 12,4 с. По расчетным данным в открытых районах моря с глубинами порядка 100 м максимальная высота воля может быть 13 м.

Рис. 4. Многолетние изменения уровня Каспийского моря (по данным в/п Баку) наблюденного (1) и рассчитанного (2)

Замкнутому Каспийскому морю свойственны значительные вековые, межгодовые и сезонные изменения уровня. Вековой ход уровня Каспия показан на рис. 7. Наивысшая отметка (−22,5 м) наблюдалась в начале XIX в., наинизшая (−28,7 м) — в 1973 г.

Столь значительные изменения положения уровня моря объясняются разными причинами. По современным представлениям главная из них — изменение крупномасштабных атмосферных процессов, протекающих над Евразией. Смещение путей циклонов к северу в связи с потеплением Арктики вызвало преобладание антициклональной погоды в холодную половину года в средних широтах и, в частности, почти во всем водосборном бассейне Каспийского моря. В связи с этим здесь уменьшилось количество зимних осадков, соответственно сократился сток Волги, что вызвало резкое падение уровня Каспия.

К естественному снижению стока добавилось его частичное изъятие для хозяйственных нужд, что еще несколько уменьшило приток речной воды в море и тем самым способствовало понижению уровня. Сезонные изменения уровня Каспия характеризуются максимумом в июне—августе, минимумом — в декабре—феврале. Они вызваны сезонными различиями составляющих водного баланса, главным образом речного стока. Время наступления и продолжительность весеннего пика половодья Волги в основном определяют наиболее высокое положение уровня в году. Осенне-зимняя межень обусловливает самое низкое стояние уровня за год.

В бесприливном Каспийском море хорошо выражены сгонно-нагонные колебания уровня. Они наиболее значительны и часто повторяются в северной части моря в ноябре—декабре. Под воздействием сильных продолжительных ветров нагонное повышение уровня в это время здесь может достигать 2—3 м, а сгонное понижение 1,5—2,0 м. В апреле, июле—августе сгонно-нагонные явления наиболее редки. В Среднем и Южном Каспии в 70—80% случаев наблюдаются нагоны 11—30 см, а сгоны — 6—25 см. Она также приурочены преимущественно к осенне-зимнему сезону.

В Каспийском море отмечаются и сейшеобразные колебания уровня, высота которых достигает 35 см, а период может изменяться от 8—10 мин до нескольких часов. Эти колебания уровня несущественны. Главное место в природе Каспия принадлежит вековым и многолетним изменениям уровня.

Каспийское море ежегодно замерзает только в мелководной северной части. Глубокие районы Среднего и Южного Каспия всегда свободны ото льда. Начало льдообразования и границы распространения льдов определяются главным образом синоптическими процессами и в некоторой степени притоком тепла из средней части моря. При средних гидрометеорологических условиях образование льда начинается в крайних северо-восточных районах моря с середины ноября и распространяется от берега. К концу этого месяца лед покрывает прибрежную зону всего Северного Каспия, во второй декаде декабря льды появляются в его мористых районах, а во второй половине января вся северная часть оказывается покрытой льдом.

В осенне-зимнее время в Северном Каспии наблюдаются припай и дрейфующие льды. Однако на протяжении этого сезона льды неустойчивы. При вторжениях теплого воздуха дрейфующий лед может частично таять, а в промежутке времени между датами первого появления льда и устойчивого льдообразования исчезать полностью. При затоках холодного воздуха идет усиленное льдообразование.

Средняя многолетняя толщина льдов в Северном Каспии изменяется от 25—30 до 60 см, в суровые зимы в отдельных районах может достигать 130 см, а наслоенных льдов — 2—3 м. При среднемноголетних гидрометеорологических условиях со второй половины февраля начинается разрушение льда, в первую очередь у западных берегов Среднего Каспия. Далее освобождаются ото льда открытые районы Северного Каспия и, наконец, его северо-восток. В конце марта — начале апреля море окончательно освобождается ото льда.

Несмотря на довольно короткое время существования льдов и Каспийском море, они существенно влияют на его гидрологические условия. Кромка льдов служит определенной фронтальной зоной, для которой характерна резкая горизонтальная изменчивость гидрометеорологических характеристик. Кроме того, в прикромочной зоне, расположенной обычно в районе свала глубин, происходит опускание охлажденных поверхностных вод, которые далее сползают по склонам в глубокие слои, усиливая зимнюю вертикальную циркуляцию.

1.3. Гидрохимические условия. 

Основные гидрохимические особенности проявляются в величинах и распределении основных составляющих химического состава воды (биогенные вещества, кислород, щелочность и др.). Среднегодовая концентрация фосфатов в Северном Каспии изменяется в пределах от 4,5 до 6,6 мкг/л. До зарегулирования Волги она была примерно вдвое выше. Наибольшие величины фосфатов отмечаются в осенне-зимний сезон, наименьшие — летом во время массового развития фитопланктона. Содержание нитратов и нитритов в Северном Каспии невелико: от десятых долей до нескольких микрограммов на литр. Их больше в западной части Северного Каспия, где в основном распространяются волжские воды, и очень мало на востоке. В Среднем и Южном Каспии концентрация кремния может варьировать от 100 до 3000 мкг/л. С глубиной количество кремния увеличивается

Количество растворенного кислорода в каспийских водах характеризуется довольно высокими показателями. Его наибольшее содержание (8,5—9,5 иногда 10 мл/л) наблюдается зимой в северной части моря благодаря низкой температуре воды и хорошему перемешиванию. В теплые сезоны с повышением температуры воды и усилением биохимических процессов концентрация кислорода в морских водах уменьшается. В Среднем Каспии зимой содержание кислорода на поверхности 7,5—8,5 мл/л, бывает и больше, В южной части моря, где температура воды в это время несколько выше, оно равно 7,0—7,5 мл/л. Летом распределение этого газа на поверхности Среднего и Южного Каспия довольно равномерное и его количество характеризуется величинами 5,0—6,0 мл/л.