По программе ПОЛИМОДЕ в Бермудском треугольнике

Реки в океане

Для многих выражение «реки в океане» может показаться странным, даже абсурдным, ибо в океане нет речных русл в обычном понимании этого слова, нет и четких границ, которые бы направляли речной поток. И все‑таки природа сумела «канализировать» перенос водных масс в океане и без четких границ, что делает океанские течения еще более внушительными. «Реки в океане» с незапамятных времен протекают в одних и тех же местах, их расход лишь слегка меняется со временем. Они несут тепло холодным берегам и охлаждают теплые, представляя собой самый грандиозный процесс, протекающий в жидкой оболочке Земли. Так, например, течение Гольфстрим несет воды в сотни раз больше, нежели самая полноводная река Амазонка в нижнем течении, а Антарктическое циркумполярное течение — в десять раз больше, чем Гольфстрим.

Рассмотрим подробнее эти глобальные переносы, определяющие облик океанской циркуляции, или, иными словами, проследим путь «рек в океане». Основные и, возможно, наиболее характерные особенности распределения течений — это наличие субтропических циркуляционных колец, система течений в экваториальной области океана и течение в Южном полушарии, опоясывающее Землю. Каждая система течений разграничивается ярко выраженными океанскими фронтами, представляющими собой зоны, где температура и соленость очень быстро меняются в поперечном направлении.

Самым внушительным океанским течением является Антарктическое циркумполярное течение, или, как его еще называют, течение Западных ветров. Опоясывая земной шар и пересекая три океана, оно достигает в ширину 2 500 км и проникает на глубину 3000–5000 метров. За одну секунду течение переносит более 200 млн. кубических метров воды со скоростью 25–30 см в секунду. Исследования показали, что его отклонение от параллелей обусловлено взаимодействием с рельефом дна, причем при уменьшении глубины океана течение отклоняется влево, а при повышении — вправо.

Иными характерными представителями группы течений, направленными вдоль параллелей, являются экваториальные, или пассатные течения. Они известны еще со времен Колумба, который, наблюдая за движением своего судна, пришел к заключению, хотя и довольно приблизительному, что в тропических зонах Атлантического океана вода перемещается на запад. Пассатными они называются потому, что вызываются господствующими здесь пассатами. Эти ветры дуют по обе стороны экватора круглый год, способствуя переносу на запад огромных масс воды, образующих Северное и Южное Пассатные течения.

Ближе к экватору пассатные ветры ослабевают, а в области экватора вообще исчезают. Здесь расположена так называемая штилевая зона. В результате неравномерности ветрового поля в ней образуется Межпассатное противотечение, направление которого — восточное, т. е. обратное движению пассатных течений. Амплитуда колебания его скорости довольно велика, что объясняется годовыми колебаниями скорости ветра.

Схема распределения течений на поверхности Мирового океана

I —5 — Северное и Южное экваториальные течения, 6 — Куросио; 7 — Восточно — Австралийское течение; 8 — Гольфстрим; 9 — Бразильское течение; 10 — Агульясово течение; 11 — Северо — Тихоокеанское течение; 12 — Северо — Атлантическое течение; 13 — Антарктическое циркумполярное течение; 14 — Калифорнийское течение; 15 — Перуанское течение; 16 — Канарское течение; 17 — Бенгальское течение; 18 — Западно — Австралийское течение; 19–21 — Экваториальные противотечения; 22 — Аляскинское и Алеутское течения; 23 — Норвежское течение; 24 — Западно — Шпицбергенское течение; 25 — Восточно — Гренландское течение; 26 — Лабрадорское течение; 27 — Течение Ирмингера; 28 — Оясио; 29 — Фолклендское течение.

Интересно отметить, что система экваториальных течений в каждом из океанов имеет свои особенности, связанные с размерами, формой и общим расположением океана. Например, в Тихом океане экваториальное противотечение зарождается у берегов Филиппин и движется на восток со средней скоростью 40–60 см в секунду. Пройдя 8500 миль, оно достигает берегов Южной Америки. То же происходит и в Атлантическом океане, но там из‑за небольших размеров океана течения распространяются на относительно небольшие расстояния.

В Индийском океане система течений испытывает сильное влияние муссонов. С другой стороны, «поведение» этого океана, расположенного в Южном полушарии, несколько иное. Например, когда дует северо-восточный муссон, направление которого почти совпадает с направлением пассатных ветров, система функционирует так же, как и в других океанах. Однако изменение направления муссона порождает необычную ситуацию, при которой экваториальное противотечение просто — напросто исчезает.

В последние тридцать лет результаты усилившихся в этот период наблюдений приводят к неожиданным открытиям, особенно когда они ведутся в районе «кухни» земной погоды — в тропиках и на экваторе. Первый сюрприз был преподнесен довольно необычным образом. В 1951 году американский океанограф Таунсенд Кромвелл возглавил экспедицию, имевшую задачу исследовать условия жизни некоторых видов морских организмов в экваториальных широтах Тихого океана, т. е. целью этой экспедиции отнюдь не являлось изучение морских течений. Для выполнения задачи экспедиции необходимо было опустить рыболовные снасти на глубину в несколько сот футов. На поверхности их удерживали специальные поплавки. Так как измерения проводились в области Южного Пассатного течения, отличающегося стабильностью, то естественно Кромвелл ожидал, что снасти, опущенные в воду, и поплавки будут относиться течением на запад.

Вертикальный разрез струи течений: а) течения Ломоносова; 6) течения Кромвелла. По замкнутым кривым скорость течений, выраженная в см/с для течения Ломоносова, а в узлах (миль/час) — для течения Кромвелла, одинакова. На нижнем рисунке показаны линии одинаковых температур в области течения Кромвелла.

И вот неожиданно для ученого рыболовные снасти стало относить на восток. Удивлению его не было границ, и Кромвелл тут же решил выяснить причину этого «недоразумения». Он приказал опустить в воду все измерительные приборы, которыми располагали на судне. Оказалось, что никакой ошибки нет. Под поверхностным течением, движущимся на запад, располагается мощный поток, направленный на восток. В честь открывателя это подповерхностное течение в Тихом океане было названо течением Кромвелла.

Спустя восемь лет после открытия экваториального противотечения в Тихом океане экспедицией советских ученых, ведущей наблюдения в Атлантическом океане на НИС «Михаил Ломоносов», было обнаружено подповерхностное противотечение, подобное течению Кромвелла, которое ныне носит имя Ломоносова. А на следующий год советская экспедиция на НИС «Витязь» обнаружила и в Индийском океане подобное противотечение. Таким образом было установлено, что подповерхностное течение является характерным свойством экваториальной циркуляции Мирового океана.

Для всех подповерхностных противотечений в области экватора характерна струйность, а также то, что они направлены строго вдоль экватора. Их ширина сравнительно невелика (+ 2° от экватора), скорость меняется слабо, а вертикальная мощность составляет приблизительно 200–250 метров. Самым быстрым из всех является течение Кромвелла, чья скорость в стержне 150 см/с, в то время как скорость течения Ломоносова и течения в Индийском океане соответственно достигает 120 и 80 см/с.

Откуда берутся те колоссальные водные резервы, которые непрерывно «питают» глубинные противотечения? Для ответа на этот вопрос необходимо исследовать воды, из которых они состоят. Например, в Атлантическом океане стержень струи состоит из вод с повышенной соленостью. Таковы приблизительно воды Южного Пассатного течения. Можно предположить, что в западных областях океана в непосредственной близости от берегов происходит трансформация течений, которая заставляет некоторые из них изменить свое направление.

Вскоре после открытия глубинных противотечений ученые заинтересовались их происхождением. Естественно напрашивался вывод, что коль скоро течения зарождаются в западных областях океана, значит, и их источник следует искать там. Так бассейн Карибского моря и близлежащих, восточных областей океана стал объектом пристального внимания.

Пассатные течения, достигнув берегов американского континента, меняют свое направление. Северное Пассатное, достигнув Малых Антильских островов, дает начало Антильскому течению, а часть вод вливается в Карибское море. Воды Южного Пассатного течения, обогнув «кромку» Южной Америки, также вливаются в Карибское море, тем самым давая начало Гвианскому течению, которое огибает северо — восточные берега континента (см. рис. на с. 42). Оба течения известны с давних пор. Направление движения их вод подсказывает нам, что они не в состоянии «питать» своими водами течение Ломоносова. Однако после 1961 г. в научной печати стали появляться сообщения о том, что в результате измерений обнаружено течение восточного направления между Антильским и Гвианским течением.

Вновь организована специальная экспедиция для поисков в этом районе противотечения. В 1967 году открыто и описано течение, о существовании которого ученые уже предполагали. Экспедиция была проведена на судне «Академик Курчатов», которому было суждено занять почетное место на страницах истории океанографии.

Во время рейса этого судна было открыто Антильско—Гвианское противотечение. Оно разделяет Антильское и Гвианское течения. Его ширина около 80— 150 миль, а его воды проникают на глубину 1000–1500 метров. Объем вод, переносимых этим течением, в два раза меньше объема вод, которые переносит Гольфстрим, однако их вполне достаточно для того, чтобы беспрерывно питать течение Ломоносова, а также пассатное противотечение на поверхности океана.

«Кухня земной погоды» ставит перед учеными все новые вопросы. Так, в научных кругах считалось, что течение Кромвелла и течение Ломоносова несут свои воды вдоль экватора. Не прошло и пятнадцати лет, как ученые усомнились в этом «факте». В 1974 году вновь экспедиция на «Академике Курчатове». И вот установлено: течение Ломоносова извивается, подобно реке, в районе экватора. Амплитуда его отклонения — около одного географического градуса, а период — почти сутки.

Мы рассмотрели часть течений Мирового океана, которые направлены почти вдоль параллелей. Для того,' чтобы картина была более полной, нужно упомянуть также Северо — Атлантическое и Северо — Тихоокеанское течения. Первое представляет собой продолжение Гольфстрима, а второе — продолжение Куросио. Оба течения направлены на восток, подобно Антарктическому циркумполярному течению. Причем надо отметить, что по обеим сторонам течения вода имеет различную температуру. Севернее от течений температура на 10–15 градусов ниже, нежели в их южной периферии.

Возникает вопрос: возможно ли, чтобы в океане существовали течения, распространяющиеся только вдоль параллелей? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо взглянуть на карту мира. Сразу становится ясно, что это возможно единственно в умеренных широтах южного полушария. Там берега континентов не являются препятствием для течения Западных ветров. В иных же частях океана берега континентов представляют собой непреодолимое препятствие для течений. И тогда подобно рекам, на пути которых возникает какая‑то возвышенность, течения меняют свое направление и движутся вдоль берегов континентов. По мнению некоторых ученых, именно это способствует созданию интенсивных потоков у восточных и западных берегов. Иные ученые оспаривают эту точку зрения, но об этом будет сказано ниже. А теперь давайте вновь обратимся к карте течений.

Сразу становится заметна замкнутость циркуляционных систем, образованных различными течениями, т. е. так называемых циркуляционных колец. Центры таких колец находятся внутри океана, в субтропических районах Земли, а по периферии, например, на севере Атлантического океана, распространяются Северное Пассатное течение, Гольфстрим, Северо — Атлантическое течение и Канарское течение. Обычно эти кольца называют субтропическими, и они примечательны своей асимметрией по направлению с запада на восток. Асимметрия выражается в том, что у западных берегов интенсивность течения намного выше, нежели у восточных. (См. рис. на с. 43). При этом объем водных масс, переносимых западными течениями, значительно больше, чем у восточных. Другой характерной особенностью субтропических течений является то, что в Южном полушарии они выражены гораздо слабее, что объясняется климатической однородностью этих районов Земли.

Гольфстрим и Куросио — наиболее изученные течения в Мировом океане. Мощность Гольфстрима возрастает на 7 % на каждые 100 км, причем у Флоридского пролива течение переносит уже 30 млн. кубических метров воды в секунду, а на расстоянии 2000 км от пролива это количество возрастает до 90 млн. кубических метров. Этот мощный поток движется в узкой прибрежной полосе практически по изобатам, т. е. линиям одинаковой глубины. У мыса Хаттерас течение выходит в открытый океан.

Подобным поведением отличается и Куросио, но, в отличие от Гольфстрима, оно несет на одну треть воды меньше. Пройдя Филиппины, Куросио устремляется на северо — запад к берегам Японии, приблизительно до 35° с. ш., где оно меняет свое направление и продолжается на восток уже как Северо — Тихоокеанское течение.

Часть вод, перенесенных на север Гольфстримом и Куросио, возвращается назад Канарским и Калифорнийским течениями. Канарское течение переносит около 16, а Калифорнийское — 13 миллионов кубических метров воды в секунду. Для них, также как и для их южных аналогов, характерны мощные восходящие движения, способствующие увеличению биологической продуктивности, глубинные противотечения в непосредственной близости от континентов и противотечения на поверхности.

Например, в области Калифорнийского течения прибрежное противотечение (течение Дэвидсона) хорошо выражено зимой, когда ослабевают северные ветры. Для всех течений восточных океанских областей характерно то, что они не только частично компенсируют западные течения, но и представляют собой циркуляционные системы, связанные с вертикальным подъемом и опусканием водных масс, которые формируются в результате специфического распределения ветрового поля и расположения континентов.

Погода и климат

Все мы привыкли к ежедневным сводкам погоды. И хотя многие еще относятся к прогнозу погоды с известны! долей предубеждения, тем не менее, все знают, что над территорией нашей страны периодически проходят огромные циклоны и антициклоны, теплые или холодные воздушные массы. Они почти всегда перемещаются с запада на восток, что совпадает с направлением главного воздушного потока в средних географических широтах, у которого есть свой аналог и в океанах. Это Северо — Атлантическое и Северо — Тихоокеанское течения. Несут ли эти два течения циклоны и антициклоны? Проводя аналогию между циркуляцией атмосферы и океана, можно предположить, что ответ будет положительным. Однако каждое предположение нуждается в доказательстве.

Обратимся же к данным экспериментов и проследим, можно ли на основании этих данных утверждать о существовании циклонов и антициклонов в океанах. Но прежде рассмотрим вопрос о циклонах и антициклонах в атмосфере. Что позволяет ученым — метеорологам судить об их наличии в атмосфере и как они следят за процессом их образования и развития?

Как известно, суша, особенно в густонаселенных районах земли, покрыта плотной сетью метеорологических станций. На каждой из них проводятся измерения атмосферного давления, температуры, скорости ветра, количества осадков и др. Если данные о значениях геопотенциала[1] в определенный момент времени, полученные многими метеорологическими станциями, нанести на карту и соединить точки с одинаковым геопотенциалом, то получим распределение геопотенциала в данный момент. При сравнении двух подобных карт, но относящихся к разным отрезкам времени, можно сделать вывод, что воздушные массы, перемещаясь в пространстве, трансформируются. То же самое про — исходит и с полями температуры, скорости ветра и т. д.

Изолинии высоты изобарической поверхности 500 миллибаров 15. VIII. 1977 г. Н и В обозначают места снижения и поднятия изобарической поверхности. Они определяют места циклонов и антициклонов в атмосфере.

Изолинии высоты изобарической поверхности 500 миллибаров 16.VIII. 1977 г. Кроме трансформации основных барических центров, хорошо заметен поворот всей картины в направлении с запада на восток.

Изолинии высоты изобарической поверхности 500 миллибаров, усредненные за август 1977 г. После усреднения циклоны и антициклоны (особенно в средних широтах), заметные на прежних двух рисунках, исчезли.

В научной практике очень часто используется прием усреднения данных. Предположим, что данные о геопотенциале на огромной территории Земли усреднены по времени за один месяц, и на основе этих данных составим карту распределения геопотенциала. Сравнивая вновь полученную карту с картами, отражающими две моментные ситуации за такой же период, мы видим, что некоторые циклонические и антициклонические образования исчезают и что поле усредненного атмосферного давления характеризуется значительно большей гладкостью изолиний[2].

Карты первого типа отражают погоду, чьи основные элементы — циклоны и антициклоны, представляющие собой области, где давление ниже или выше нормального. В результате существующей разности давлений воздушные массы совершают кругообразное движение, причем у циклонов оно идет в направлении против часовой стрелки, а у антициклонов — по часовой стрелке.

Размеры атмосферных циклонов и антициклонов по горизонтали исчисляются несколькими тысячами километров, а время их нахождения в каждом районе — всего несколько дней. Если же усреднить поле геопотенциала за период намного больший, чем несколько дней, то мы увидим, что недолговечные образования, определяющие погоду, «компенсируют» друг друга и остаются лишь те особенности распределения метеорологических элементов, которые изменяются сравнительно медленно. Они‑то и представляют собой климатические характеристики в разных частях рассматриваемой территории.

Изменчив ли океан?

А сейчас снова вернемся к океану и проследим, как накапливались экспериментальные данные. Вначале сведения об океанских течениях черпали преимущественно из бортовых журналов, в которых обычно отмечали отклонения судна от намеченного курса. В зависимости от отклонения определялась скорость, и то довольно неточно, лишь поверхностного слоя морских вод. В дальнейшем с развитием океанографии стало возможным планомерное проведение морских экспедиций с целью получения экспериментальных данных. Но мы не станем рассматривать рабочие инструменты наших коллег в прошлом, а остановимся лишь на том, когда и как измеряли в океане.

Обычно исследовательское судно имеет точно заданный курс, в определенных точках которого и проводятся различного рода измерения. Разумеется, невозможно, чтобы один и тот Же корабль осуществлял синхронные измерения в двух точках пространства. Именно з®о и определяло дальнейший ход обработки океанографических данных. В силу того, что они были слишком нерегулярны, а их плотность в пространстве очень невелика, поступали следующим образом. Океан делился на квадраты, и все данные, полученные разными экспедициями в разное время в этих квадратах, суммировались и усреднялись. Таким образом, вследствие усреднения данных «кратковременные» элементы океанической динамики выпадали из поля зрения ученых.

Подобно усреднению поля геопотенциала, о котором мы уже говорили, усреднение океанографических данных позволяло ученым прошлого понять только общую структуру океанической динамики, или, иными словами, они изучали «климат океана». Однако такой способ получения и обработки данных не давал им возможность узнать те особенности, которые в каждый рассматриваемый момент определяют «погоду океана».

И тем не менее, сто пятьдесят лет назад были высказаны некоторые соображения о том, что океан изменчив, что течения, температура, соленость и пр. меняются как в пространстве, гак и во времени. К такому выводу пришел английский исследователь Джеймс Реннел. За семнадцать галсов, которые он проделал между Галифаксом и Бермудскими островами, Реннел установил, что местоположение и ширина Гольфстрима меняются со временем и что эти изменения нельзя отнести только к разряду сезонных. По его словам, отсутствие синхронных наблюдений является «непоправимым дефектом» океанографического эксперимента.

Несмотря на то, что ученые уже давно считали океанические течения меняющимися во времени, они очень пессимистично относились к вопросу о возможности их изучения. Реннел разделил течения в океане на четыре категории: дрейфовые (т. е. вызванные ветрами) потоки, локальные и временные. О последних он сказал следующее: «Нет никакой необходимости заниматься подобными течениями. Они не подчиняются никаким правилам, и поэтому изучение их бесполезно».

Новые эксперименты — новые идеи

В мировой науке известно немало случаев, когда абсурдная на первый взгляд идея вскоре перестает казаться нелепой и получает всеобщее признание. Но чтобы утвердить или отвергнуть эту идею, необходимы эксперименты. К сожалению, на деле теория и практика часто расходятся.

Пытаясь охарактеризовать начальный этап развития океанографических исследований, норвежский ученый-океанограф Г. Сведруп сказал, что много людей проводили измерения в океане, но лишь немногие из них размышляли над полученными результатами. И наоборот, в сороковых — пятидесятых годах советский океанограф В. Б. Штокман отметил, что «ныне слишком мно — го ученых занимались теоретическими исчислениями и слишком мало проводили целенаправленные измерения». Именно этот анахронизм явился причиной того, что в последнее время с новой силой заговорили об изменчивости океана. Но прежде необходимо было преодолеть кризис в области эксперимента, который наблюдался вплоть до семидесятых годов нашего века. Сегодня можно утверждать, что идея Реннела о проведении синхронных измерений уже осуществлена, а его скептическое замечание относительно бесплодности изучения изменяющихся во времени океанских движений уже давно опровергнуто. Основным направлением океанографических исследований как в теоретическом, так и в практическом плане, стало изучение именно изменчивости океана, ибо только она поможет раскрыть тайны механизмов формирования движений в океане.

Реализация идеи долговременных экспериментов в области исследования изменчивости крупных океанских процессов началась с работ В. Б. Штокмана. В 1935 году руководимая им экспедиция в течение трех недель на двух заякоренных судах проводила измерения флюктуации течений в Каспийском море. Результаты измерений показали, что изменения скоростей течений не всегда связаны с изменчивостью в атмосфере, как считалось до тех пор. Даже в безветренный период динамика течений в районе исследований отличалась большим разнообразием. Это позволило предположить, что изменение скоростей, а также иных гидрофизических характеристик подчинено каким‑то неизвестным пока механизмам, скорее всего связанным с самими течениями.

В 1956 году эксперимент, подобный Каспийскому, был проведен и в Черном море уже представителями нового поколения ученых, которые в настоящее время стоят в авангарде советской океанографической науки. Эксперименты носили полигонный характер. Это означает, что для проведения измерений выбиралась определенная морская акватория (полигон), где в течение продолжительного времени на заякоренных судах или буйковых станциях проводятся гидрофизические исследования.

Первым полигонным экспериментом, включающим все главные компоненты современных экспериментов, следует считать эксперимент 1967 года в Аравийском море. Но прежде нам хотелось бщ рассказать о некоторых интересных особенностях динамики Индийского океана, которые в той или иной степени характерны и для остальных океанов.

Специфика течений в этом океане обусловлена его географическими особенностями (близость полуострова Индостан к экватору), из‑за чего невозможно образование северного субтропического циркуляционного кольца, как это имеет место в Атлантическом и Тихом океанах. Следствием этой особенности являются муссоны, которые очень хорошо выражены именно в этой части земного шара. В зависимости от направления муссонов могут быть выделены два периода: летний, когда дует юго — западный муссон, и зимний, соответствующий северо — восточному муссону. Между этими двумя периодами наблюдаются два коротких интервала: октябрь — ноябрь и март — апрель.

В зимний период система течений Индийского океана включает Северное Пассатное течение (Северо — восточное муссонное), Сомалийское течение и противотечение в экваториальной зоне. Северо — восточное муссонное течение зарождается в ноябре, причем скорость его достигает максимума в феврале (южнее острова Цейлон, например, скорость превышает одну морскую милю в час). В этот период значительная часть вод, достигнув полуострова Индостан, устремляется на северо — запад, следуя параллельно западному берегу полуострова. Часть этих вод вливается в Красное море, а остальная часть продолжает двигаться на юг, где они, смешиваясь с водами пассатного течения, способствуют усилению Сомалийского течения. Воды последнего питают Экваториальное противотечение, которое зимой расположено между 3 с. ш. и 5 ю. ш. и простирается к востоку до берегов Индонезии. Нужно сказать, что в период северо — восточного муссона циркуляция в океане выражена сравнительно слабо и затрагивает лишь верхние слои океана.

В отличие от течений других океанов, течения Индийского океана имеют различный характер в период зимнего и летнего муссонов. Летом у берегов Сомали зарождается течение, подобное Гольфстриму и Куросио, направленное на север.

Сегодня уже известно, что для океанических движений, масштабы которых соизмеримы с размерами океанов, характерен особый вид колебаний. Эти колебания представляют собой длинные (размером в несколько сотен километров) планетарные волны, названные по имени своего открывателя — шведского геофизика Карла Густава Аренда Россби волнами Россби. Подобные волны существуют и в атмосфере, но там их размеры в десятки раз больше. Для того чтобы возникли волны Россби, необходимо какое‑то внешнее возмущение, которое бы отклонило огромные воздушные или водные массы в направлении север — юг. В результате возникающих при вращении Земли сил появляется горизонтальное колебание этих масс, которое распространяется на запад. И вот именно здесь становится понятной; роль муссонов в зарождении двух типов течений в Индийском океане — летнего и зимнего. Эти ветры и служат тем внешним возмущением, которое приводит в движение водные массы.

В летний период муссона ветер меняет свое направление на 180°, увлекая огромные массы воды в направлении север — юг. Это совершенно изменяет характер течений в Индийском океане. Они становятся более интенсивными и проникают на большую глубину. Волны Россби распространяются на запад и несут с собой энергию, полученную внутри океана. Эта энергия «накапливается» у берегов Сомали, где спустя некоторое время возникает мощное Сомалийское течение — аналог Гольфстрима. Таким образом, на протяжении шести месяцев структура системы течений в Индийском океане полностью совпадает со структурой течений в остальных океанах.

Схема расположения приборов на автономной буйковой станции (АБС): 1 — радиоотражатель; 2 — буй (поплавок); 3 — трос; 4 — автономные регистрирующие приборы; 5 — якорь.

А теперь продолжим наш рассказ об эксперименте в Аравийском море. Он проводился в квадрате, каждая сторона которого составляла 5°, при помощи семи автономных буйковых станций (АБС). Такие станции представляют собой поплавок на поверхности моря, к основе которого прикреплен крепкий металлический трос длиною в тысячи метров. Другой конец троса заякорен на дне, а между якорем и поплавком (буем) устанавливаются самопишущие измерительные приборы. Во время работ на Аравийском полигоне такие приборы работали на глубине до 1200 метров на протяжении двух месяцев.

Целью советских ученых было изучение океанических движений во времени и пространстве. Эксперимент увенчался успехом. Последующие расчеты показали, что во время работ на полигоне через него прошел холодный океанский циклон. Так впервые в океанографии целенаправленными измерениями было подтверждено, что в океане существуют вихревые образования — циклоны и антициклоны. В силу того, что их размеры меньше размеров крупных океанских течений и больше размеров мелкомасштабных движений в океане, для них был принят общий термин — синоптические движения, по аналогии с физически подобными возмущениями в атмосфере.

Результаты, полученные во время Аравийского эксперимента, далеко превзошли даже самые смелые ожидания. Была доказана тесная связь между волнами Россби и вихрями в океане. По этому поводу американский ученый П. Райнз сказал: «Слабые вихри — это волны». Действительно, общим у них является то, что и те, и другие — осциллирующие (зачастую синусоидальные) и распространяются на запад на огромные расстояния. Тем самым они способствуют переносу энергии к западным берегам океанов и интенсифицируют течения в этих районах.

Вопрос о циклонах и антициклонах заинтересовал не только советских ученых, но и их американских коллег. В этом плане особую известность получила экспедиция на американском судне «Эрайез» в 1959–1960 гг. Эта экспедиция должна была провести ряд глубоководных исследований течений Атлантического океана. Считалось, что они перемещаются равномерно на север со скоростью меньше сантиметра в секунду. Но во время проведения эксперимента поплавки двигались хаотически, причем со скоростью, достигавшей на глубине четырех километров 10 сантиметров в секунду. Это открытие привело к изменению программы работ. Окончательная обработка данных позволила предположить, что открыты вихревые образования диаметром почти 200 километров, с временным периодом от нескольких недель до нескольких месяцев и с большой энергетической плотностью. Ученые пришли к выводу, что для более тщательного изучения этих образований необходимо провести долговременный эксперимент с более густой пространственной сеткой измерений.

Вихри в океане и атмосфере

Большинство людей считает, что вихрь — это круговое движение. Обычно это понятие связывается с явлениями, наблюдаемыми в водных потоках, ручьях, а также с воздушными вихрями. Нам трудно себе представить вихревое образование, чьи размеры по горизонтали исчисляются несколькими сотнями километров, а в высоту достигают несколько километров. Таковы обычно масштабы вихрей в океане, а в атмосфере они в десятки раз больше. Характерное время[3] океанических вихрей несколько месяцев, а атмосферных — всего несколько дней. Но несмотря на эти отличия, и океан и атмосфера _ генерируют вихревые образования — циклоны и антициклоны, которые, перемещаясь в пространстве, переносят водные и воздушные массы на огромные расстояния.

Как уже отмечалось, после усреднения за продолжительный отрезок времени элементы атмосферной циркуляции, связанные с вихрями в атмосфере, исчезают. Означает ли это, что влияние вихрей на глобальные процессы в атмосфере несущественно? Прежде чем ответить на этот вопрос, сделаем небольшое отступление в области термодинамики. Все знают, что молекулы находятся в непрерывном движении и постоянно взаимодействуют друг с другом. Внешним выражением движения молекул в твердых телах, жидкостях и газах является температура. Что же произойдет, если мы возьмем, например, металлический прут и нагреем его с одного конца? Молекулы в этом конце начнут двигаться быстрее и станут чаще сталкиваться друг с другом. Более быстрые молекулы, ударяясь о более «ленивые», отдадут им часть своей энергии, в результате чего постепенно движение всех молекул станет более интенсивным, т. е. повысится температура и в том конце, который не нагревался.

Когда мы приготовляем себе пищу на электроплитке, конечно, никто из нас даже не думает о том, какую бесценную услугу оказывают нам молекулы, переносчики тепла. Мы их не видим, да и кто станет задумываться над этим, когда всех интересует лишь конечный результат нагревания. Однако это невидимое движение волнует ученых.

А теперь снова вернемся к атмосфере. Выражаясь образно, циклоны и антициклоны — это гигантские молекулы диаметром в тысячу километров, которые играют в общей циркуляции атмосферы совершенно определенную роль. Их задача — извлекать энергию из тех областей, где она наиболее сконцентрирована (например, в экваториальной и тропической областях), и переносить ее в места, где ее немного (например, на север). Эти «гигантские молекулы» привлекли пристальное внимание ученых тогда, когда встал вопрос о механизмах движений в атмосфере, а точнее, о структуре движений. В этом смысле циклоны и антициклоны, хотя они и недолговечны, подробно «рассказывают» о сущности атмосферных процессов, оставляя и свой след в состоянии атмосферы.

Нам все еще неизвестно, каково значение океанических вихрей для общей циркуляции океана. Ответить на этот вопрос нам поможет некоторая аналогия между движением в атмосфере и океане. Но несмотря на то, что океанические вихри — аналоги атмосферных, все же нельзя с уверенностью утверждать, что их значение такое же, как и атмосферных. Прежде необходимо подробно рассмотреть структуру вихрей в океане, их поведение, эволюцию и т. д. И только тогда можно дать однозначный ответ на вопрос, откуда берется энергия в океане, куда она уходит и какова роль вихрей в формировании динамики океана.

Удачным методом изучения движения жидкости и газов на Земле является их моделирование в лабораторных условиях. В этом отношении можно использовать опыт конструкторов самолетов. Они помещают свои небольшие модели в искусственные каналы, направляют на них воздушную струю и изучают поведение самолета. Но при оценке результатов необходимо учитывать лабораторные масштабы модели. Такой подход очень часто используется и при исследовании вихрей в океане и атмосфере, которые отличаются особыми размерами во времени и пространстве. В основном эти размеры определяются относительными изменениями плотности жидкости в вертикальном направлении. Например, в атмосфере отношение вертикального изменения плотности к самой плотности приблизительно в 250 раз больше такого отношения для океана. Вследствие этого размеры океанических циклонов и антициклонов приблизительно в 16 раз (√250) меньше размеров их атмосферных аналогов. Этот теоретический вывод не раз подтверждался и на практике.

Как можно определить характерное время для циклонов и антициклонов в атмосфере и океане? Это можно сделать и путем теоретических расчетов, и экспериментальным путем. Опыт показывает, что соотношение характерных времен атмосферных и океанических вихрей приблизительно равно соотношению горизонтальных масштабов океанических вихрей к масштабу атмосферных. Эта зависимость имеет серьезное теоретическое объяснение. Чтобы его понять, необходимо вновь вспомнить о пионере в области теоретической метеорологии и океанографии— шведском геофизике Россби.

Мы уже говорили о том, что в результате активности муссонов в Индийском океане зарождается Сомалийское течение. Но при чем тут вихри, спросите вы. забыв слова американского океанографа П. Райнза о том, что слабые вихри — это волны. Слабые вихри в данном случае — это такие вихри, у которых скорость кругового движения по отношению к скорости поступательного движения вихря невелика. В результате атмосферной активности над океаном в нем возбуждаются волны Россби, которые распространяются на запад. Они взаимодействуют друг с другом, усиливаются и вызывают подлинно «сильные» вихри. В них скорость орбитального движения превышает скорость перемещения вихря как единого целого иногда более чем в сто раз.

Одной из величайших заслуг Россби является то, что он открыл теоретическую зависимость частоты планетарных волн от их длины. Согласно этой зависимости, частота пропорциональна длине волны, а это означает, что ее период обратно пропорционален ее длине. С другой стороны, длина волн Россби равна характерным масштабам вихрей в океане и атмосфере.

Сегодня теория Россби находит свое подтверждение при изучении вихрей в атмосфере и океане. Исследования показывают, что характерное время обратно пропорционально их горизонтальным размерам. Отсюда мы легко сможем привести к определенному масштабу процессы в атмосфере и океане. Так как характерные размеры вихрей в океане в 16 раз меньше размеров атмосферных вихрей, период последних в 16 раз короче, чем у первых. Это означает, что горизонтальный масштаб для океана — 100 км будет соответствовать атмосферному масштабу 1600 км, т. е. океаническому периоду в тридцать дней будут соответствовать два атмосферных дня.

Чтобы лучше понять аналогию и различия между океаническими и атмосферными вихрями, нужно изучить карты их эволюции. Временные периоды между двумя состояниями океана должны быть в шестнадцать раз больше таких же периодов атмосферы, а линейные размеры рассматриваемой области океана должны быть в 16 раз меньше. Невольно напрашивается вывод, что количество вихрей в рассматриваемых океанских и атмосферных областях приблизительно одинаково. Эти вихри перемещаются в пространстве и изменяются во времени. Но самый важный вывод — следующий: океан заполнен вихрями намного плотнее, нежели атмосфера, ибо океанические вихри меньше атмосферных.

Карты погоды в — атмосфере и в океане. На них отмечены около четырех вихрей (циклоны и антициклоны). Отличия атмосферных вихрей от океанских налицо: атмосферный район занимает площадь 80° по параллели и 40° по меридиану, в то время как океанский имеет размеры 4x4 географических градуса. Карты атмосферного давления вычерчены через два дня, а соответствующий интервал для океана — один месяц. На каждом рисунке три цифры означают месяц, день, год. Н — циклоны, низкое давление, В — антициклоны, высокое давление.

Океанические циклоны и антициклоны есть почти везде, но особенно часто они встречаются в непосредственной близости от крупных течений, а также в Арктике, Средиземном и Черном морях. Размеры и время жизни вихрей зависят от температуры и солености водных масс, но они существуют повсюду и подчиняются одним и тем же законам. Не случайно говорят, что океан представляет собой «мозаику» вихревых образований.

Течения и их кольца

Кроме вихревого движения в океане, о котором мы уже рассказывали, существует и иной вид вихрей — так называемые «ринги», или кольца (по — английски кольцо — ring), которые отрываются от крупных океанических течений.

Чтобы понять механизм образования колец, необходимо провести аналогию между течениями в океане и рекой. Как известно, протекая по равнине, реки петляют (или меандрируют), образуя при этом нечто подобное островам. Конечно, большие океанические течения отличаются от движения водных масс в реках. Но наблюдения показывают, что Гольфстрим меандрирует, что объясняется неустойчивостью его струи. Иными словами, малое возмущение струи, возникшее в силу какой‑то причины, постепенно начинает возрастать, как будто по струе проходит волна.

Меандрирование Гольфстрима было известно океанографам еще сорок лет назад. Ученые знают также множество примеров кольцевидных образований в океане. Однако около десяти лет назад ученые все еще не могли ответить на вопрос, что вызывает эти явления.

Течение Гольфстрим. Мощное атлантическое течение, которое питают водные массы из тропических и экваториальных областей океана (на рисунке они обозначены пунктиром). Между двумя линиями объем воды, переносимой течением, одинаков, т. е. вблизи берега оно усиливается (линии сближаются). После отрыва от континентального шельфа Гольфстрим начинает меандрировать.

После отрыва от береговой зоны Североамериканского континента Гольфстрим, подобно огромной петляющей реке, распространяется во внутренние области океана. Из‑за неустойчивости его струи некоторые петли (меандры) отрываются и образуют кольца. Эти кольца самостоятельно движутся на запад и юго — запад.

Ныне огромное количество накопленных данных о полярных фронтах в океане позволяет нам дать ответ, хотя, может быть, и не исчерпывающий, на вопрос о том, как образуются кольца. Северо — Атлантическое течение можно рассматривать как фронтальную поверхность, разделяющую два разных типа водных масс. К северу от него лежат холодные тяжелые воды северной части Атлантического океана, а к югу — теплые воды Саргассова моря. Интересно отметить, что ширина течения всего несколько сот километров. Основные силы, приводящие в движение воды данного течения (сила, возникшая в результате разницы в давлении между северной и южной периферией фронта, и отклоняющая сила вращения Земли), четко сбалансированы. И тем не менее на океан оказывают воздействие множество меняющихся со временем факторов, которые очень часто могут возбудить возмущение в струе течения. А это значит, что более холодные и тяжелые воды могут проникать на юг. В свою очередь воды Саргассова моря проникают на север, и течение начинает петлять.

После того, как огромная масса холодной воды проникнет на юг, течение уже не в состоянии «удержать» ее. Так от струи течения отрывается меандр и движется в океане как самостоятельное образование. При этом сохраняется вращательное движение водных масс, из которых он состоит. Скорость вращательного движения порой очень велика, достигая двух — трех метров в секунду.

К югу от Гольфстрима кольца образованы холодными водными массами и движение осуществляется против часовой стрелки. Они распространяются на юг и юго — запад, причем в процессе исследований было установлено, что время их жизни — от года до четырех лет. Обычно к югу от течения существуют 8—14 колец одновременно. Часть этих колец «растворяется» в Саргассовом море, иные же достигают Флоридского пролива и берегов Америки и сливаются с основным течением — Гольфстримом.

Почему океанические кольца столь долговременные образования? Ответ на этот вопрос может дать подробный анализ их структуры. Измерения показали, что кольца — исключительно высокоэнергетические элементы циркуляции океана. Во время образования 95 % их энергии — энергия потенциальная, образующаяся в результате специфического распределения температур. Например, на глубине 400–800 метров, на которой в Саргассовом море существуют наиболее значительные изменения температуры по вертикали, разница в температуре ядра и периферийных областей циклона Гольфстрима достигает 10–12 на расстоянии около 100 км. Это означает, что холодные водные массы в ядре кольца подняты на 600–700 метров выше их нормального для окружающей воды горизонта залегания!

Внутри колец Гольфстрима глубинные воды, поднимаясь к морской поверхности, образуют огромные куполы холодной воды.

Расчеты показали, что потенциальная энергия вихрей, оторвавшихся от Гольфстрима, исчисляется 10²⁴ эрг. Специалисты обычно называют ее доступной потенциальной энергией. Чем старее циклон, тем ниже опускаются изотермы, при этом освобождающаяся энергия превращается в кинетическую энергию вращательного движения. Так как силы трения не в состоянии быстро превратить кинетическую энергию в тепло и так как водный обмен между вихрем и окружающей ее жидкостью не очень большой, то вихрь надолго сохраняет свою «индивидуальность». Обычно он исчезает тогда, когда ядро начинает заполняться более теплыми водами, поступающими с периферии. В результате этого изотермы «тонут», уменьшается потенциальная энергия вихря и он растворяется в окружающей водной массе.

Турбулентность и отрицательная вязкость

Быстрое развитие океанографии в последние двадцать лет привело к коренным изменениям в этой области. Ранее считалось, что существующие теории достаточно доступно и правильно объясняют явления, обусловливающие специфический характер движения в океане. С расширением и углублением исследований положение существенно изменилось. Сегодья в океанографической теории и практике главный упор делается на изучение внутренней структуры течений. Отсюда и главная трудность. Оказывается, что течения меняются во времени и пространстве, поэтому кажется, что невозможно раз и навсегда определить динамический облик океана.

Взять хотя бы кольца Гольфстрима. Как уже известно, они образуются после того, как течение выйдет за пределы континентального шельфа. Но одни из них образуются западнее, другие — восточнее. Одни кольца распространяются севернее течения, другие — на юг от него. Пути колец в океане различны, как и различно время их существования. Кроме того, кольца отличаются друг от друга размерами и т. д. Означает ли это, что все океанические течения хаотичны и абсолютно не поддаются описанию? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны хотя бы вкратце рассмотреть некоторые общие свойства движущейся жидкости.

Движение жидкости можно разделить на два вида — ламинарное и турбулентное. У ламинарных течений (обычно медленных) струя представляет собой единое целое и обмен между разными слоями течения происходит на молекулярном уровне. Это означает, что из одного слоя молекулы — носители определенных свойств переходят в соседний слой, тем самым передавая молекулам этого слоя свои свойства. При возрастании скорости силы молекулярного трения не могут «погасить» возмущения, возникающие в струе, вследствие чего ее устойчивость уменьшается. Таким образом создаются условия для проникновения целых объемов из одного слоя теченйя в другой, с сохранением специфических характеристик (температура, соленость, содержание газов и др.). Этот вид движений называется турбулентным. В отличие от ламинарных, которым присуща упорядоченность движущихся частиц, турбулентное движение отличается хаотичностью.

При изучении некоторых сложных явлений в науке очень часто используется метод сравнения их с более простыми. Случай с турбулентным движением аналогичен. При этом считается, что «перескакивающие» из слоя в слой частицы подобны молекулам в ламинарном потоке. Разница, однако, в том, что при турбулентном движении диффундирующие объемы несоизмеримо крупнее молекул. Иными словами, переносимая субстанция гораздо больше, чем в ламинарном потоке. Существуют и другие принципиальные различия. В то время как за молекулой можно наблюдать длительное время (примером тому — движение макромолекул), турбулентные порции, или как их еще называют — турбулентные вихри, спустя некоторое время растворяются в окружающей их жидкости.

Принято считать, что роль турбулентных вихрей аналогична роли молекул в медленно движущихся средах. Как движение молекул приводит к выравниванию в пространстве всех характеристик, так и турбулентный обмен ведет к полному смешиванию жидкостей. Подобно молекулярному трению, существует и турбулентное, только оно намного сильнее первого.

По мнению советского ученого А. Н. Колмогорова, турбулизация в жидкой среде происходит следующим образом. После того, как струя теряет свою устойчивость, от нее начинают отрываться большие турбулентные вихри. Они также являются неустойчивыми образованиями (у них свое время существования или пути смешивания). Дробление вихрей идет до тех пор, пока вся энергия вихря не диссипирует, т. е. превратится в теплоту. Этот каскадный процесс лежит в основе превращения энергии струи в энергию вихря, а затем в теплоту.

В настоящее емя одновременное изучение всех видов океаническ. э и атмосферного движений — от мельчайших до соизмеримых с размерами нашей планеты — невозможно. Но тем не менее было бы неправильным не учитывать при описании общей циркуляции океана мелкие процессы. В таком случае они должны быть включены, или, выражаясь научным языком, параметризированы, т. е. необходимо найти какое‑то количественное выражение их влияния на макромасштабные процессы.

Так каково же отношение турбулентности к океаническим вихрям и кольцам? В отличие от атмосферных циклонов и антициклонов, вихри в океане отличаются небольшими размерами. Поэтому необходимо при численном моделировании циркуляции океана или при измерении океанических полей использовать небольшие пространственные интервалы. Так, при размерах вихря 200 км измерения или расчеты следует проводить примерно через каждые 20 км. Легко подсчитать, что если мы захотим покрыть Мировой океан сеткой, узлы которой будут расположены через каждые двадцать километров, таких точек будет почти миллион. Уровень современных технических возможностей и несовершенство электронно — вычислительных машин в настоящее время исключают это. Значит, нужно параметризировать влияние циклонов и антициклонов в океане на крупномасштабные движения. А чем синоптические возмущения отличаются от турбулентных вихрей?

Траектории погруженных в глубину аппаратов нейтральной плавучести (их относительный вес равен относительному весу морской воды). Одна из задач современной океанографии — объяснить и описать «хаотичность» этих траекторий, применив физические законы движения вод в океане.

Каскадные процессы дробления турбулентных вихрей относились к вихрям, чьи горизонтальные и вертикальные размеры близки. Однако можно ли считать таковыми циклоны и антициклоны в океане? Если они достигают дна во внутренних районах Саргассова моря, то их высота, например, будет почти в сорок раз меньше диаметра. Это означает, что их можно считать двухмерными образованиями. Отсюда возникает вопрос, вправе ли мы законы трехмерной турбулентности применять к двухмерным движениям?

Изучение двухмерной турбулентности, сначала представлявшее чисто теоретический интерес, имеет огромное практическое значение. Оно связано с попыткой разгадать принципы функционирования гигантской термодинамической машины океан — атмосфера, объяснить основные закономерности формирования климата и синоптической изменчивости нашей планеты.

Теорию двухмерной турбулентности трудно изложить популярно. Упомянем лишь об ее основном выводе. Он интересен своей парадоксальностью. Дело в том, что в определенных случаях движения более мелких размеров передают энергию движениям планетарных масштабов, т. е. речь идет об отрицательной вязкости. Если не объяснить это явление, то может сложиться впечатление, что «хаос создает порядок». В действительности это не так. Из‑за двухмерного характера крупных атмосферных и океанических вихрей движения в них более или менее упорядочены. При слиянии двух образований с упорядоченным движением может возникнуть новый элемент циркуляции океана, намного больший, чем вихри, — Сомалийское течение, например. Возможно и то, что какое‑либо оторвавшееся от Гольфстрима кольцо вновь вернется к течению, тем самым отдав ему свою энергию.

А сейчас можно перейти к основному вопросу, который волнует океанографов: как атмосфера передает механическую энергию океану и как она распределяется в нем. Ответ дать нетрудно. Чтобы преодолеть пассивность и инертность океана и повлиять на крупномасштабные процессы в нем, необходимо периодическое воздействие определенного фактора в течение длительного времени. Подобное воздействие, например, может оказать смена муссонов. Они возбуждают колебания (волны Россби), которые в дальнейшем, вследствие взаимодействия, усиливаются и генерируют вихри в океане, которые, в свою очередь, распространяются к его западным берегам. Там они сливаются друг с другом и поглощаются главным потоком (в данном случае Сомалийским течением), отдавая ему свою энергию.

Это постоянно протекающий процесс во всех океанах. Он в значительной степени аналогичен процессу зарождения и эволюции циклонов и антициклонов в атмосфере. Как известно, циклоны и антициклоны определяют погоду, поэтому выражение «погода в океане» можно считать вполне закономерным. Хотя и медленно, эта погода изменяется, океан «живет» по своим правилам и законам. Это подтверждается и рядом экспериментальных данных.

Итак, океан меняется, но как? Ныне существует много теорий изменения океана. Необходимы сложные практические измерения, подтверждающие или отрицающие теоретические данные, чтобы проверить и изучить законы, управляющие «погодой в океане».