“Я глубоко убеждён, что в развитии теории океанической циркуляции

близится кризис, обусловленный тем, что слишком много людей вычисляют

и слишком мало людей анализируют хорошие наблюдения”

(В.Б. Штокман, 1970 г. [16]).

      

                

Введение 

               

Под словом “течения”, океанские и морские подразумевается следующее. С одной стороны

 это некие динамические образования, в которых перемещается огромная масса воды. Так, нам хорошо

известны крупномасштабные течения: Гольфстрим, Куросио, мощные Экваториальные течения и т.д. С

другой стороны под этим словом подразумевают конкретные движения, перемещения масс воды океанов

и морей. Часто в этом случае отмечают какие-то свойства и параметры течений. Я думаю, читатель по

смыслу текста статьи сможет различить эти понятия, где речь идёт о динамических образованиях, а где

движениях воды. Иногда к слову течения мы будем приписывать словосочетание: “движения воды” или

просто использовать это словосочетание для пояснения, что под течением подразумевается движение воды.

Течения имеют различные пространственно - временные масштабы, механизмы и  вызваны различными

причинами.

По пространственно - временным масштабам течения океанов и морей принято разделять на

переменные по скорости и направлению, вектор которых меняется неким квазициклическим

образом с периодичностью приблизительно до сорока суток и устойчивые или квазиустойчивые по

направлению, соизмеримые с масштабами океана или моря. Течения, которые образованы такими

движениями воды получили название крупномасштабных течений, крупномасштабной циркуляции.

В крупномасштабную циркуляцию океанов вовлечены  практически все его воды от поверхности до

дна. Приповерхностные воды в Северном полушарии совершают антициклоническое движение (по

движению часовой стрелки)  и циклоническое – в Южном.  В целом по океану скорости движения

воды  небольшие, ~ 10 см/c. Но в западных и экваториальных областях океанов, небольших по

площади,  они проявляются в виде мощных струйных течений, движений воды со скоростями до

2,5 м/с, как, например, в Гольфстриме, Куросио, Сомалийском и Экваториальных течениях и т. д.

С учётом кинематики течения, движения воды  можно разделить на такие виды: дрейфовые,

градиентные и длинноволновые. Считается, что основными причинами, вызывающими течения

является ветер  и колебания атмосферного давления, а также неравномерное положение уровенной

поверхности воды, обусловленное  такими процессами, как осадки, испарение с поверхности океана,

 соединение вод различной плотности и т. д. и тот же самый ветер. При этом одна и та же причина

может создать течения, имеющие различные механизмы и пространственно-временные масштабы.

Так, движение воздушных масс - ветер в атмосфере создаёт так называемые дрейфовые течения,

вызванные ”влекущим действием ветра”. Перемещение масс воды в пространстве осуществляется

неравномерно, что создаёт наклон уровенной поверхности океана и, соответственно, градиентные

течения. Ветер и колебания атмосферного давления могут создать волны, в том числе и

долгопериодные, в частности волны Россби с периодом до 40 суток. Волны имеют такие параметры,

как орбитальные движения частиц воды и волновой перенос, фактически это волновые течения.

Далее мы расскажем какие существуют представления о природе, кинематике, свойствах и параметрах

крупномасштабных течений, как изменялись представления о крупномасштабных течениях Мирового

океана по мере накопления информации о них. Изложим наши представления о течениях. Всё это

рассмотрим преимущественно на примере течения Гольфстрим и течений Северного полушария

Атлантического океана.  

   

                                                              

 Существующие и существовавшие представления о природе Крупномасштабных течений и

Гольфстрима

 

 

Система Западных пограничных течений от п-ва Флорида до Большой Ньюфаундлендской банки

получила название течения Гольфстрим. Считается, что Гольфстрим – это струйное течение,

расположенное у восточного побережья Северной Америки, в том месте, где зона материкового шельфа,

окаймляющего побережье континента, переходит в прибрежный склон. Гольфстрим – тёплое 

поверхностное течение, температура воды в котором в отдельных          местах иногда достигает 30^o C.

Но от берега его отделяют, так называемые, склоновые воды, распреснённые и

прохладные. Холодными они становятся севернее, ближе к Ньюфаундленду, где чувствуется влияние

по-настоящему холодного Лабрадорского течения. Начинается Гольфстрим в проливе между Флоридой

и Карибскими островами и сначала не удивляет наблюдателя чрезмерными скоростями течений. Но

к северу он набирает силу, расход его увеличивается, и скорости течения иногда достигают 2,5 м/с.

Это уже скорости, характерные для горных рек и очень редко имеющие место в океанах, но в

Гольфстриме они наблюдаются часто. Относительно большие скорости течений Гольфстрима

наблюдаются вплоть до района большой Ньюфаундлендской банки.

Рис. 1. Так раньше изображался Гольфстрим, в виде реки в океане, вытекающей из

Мексиканского залива через Флоридский пролив [8].

 

Многие исследователи  Гольфстрима сравнивают его с течением реки в океане [8] (рис. 1). Они

считают, что Гольфстрим часто меняет свое положение (меандрирует) и настолько неустойчив, что

определить его границы просто невозможно. Считается, что положение струи Гольфстрима может

существенно измениться за 2 – 3 недели. По мнению М.Н. Кошлякова [8] Гольфстрим – очень сильное

струйное, градиентное, термохалинное и геострофическое течение. В южной части Гольфстрима он

имеет ширину 70 –100 км, а в северной, около Ньюфаундленда около 500 км. Глубина Гольфстрима

от поверхности приблизительно равна 500м. Считается,  что Гольфстрим проходит вдоль границы

раздела холодной (и менее солёной) склоновой воды на западе и севере и тёплой (и более солёной)

воды Саргассова моря на востоке и юге. Такая граница раздела вод называется гидрофронтом.

Считается, что меандрирование струи Гольфстрима приводит к образованию вихрей за её пределами с

диаметром до 400 км, скорость течения в которых достигает 1,5 м/с. Слева от струи Гольфстрима

(т. е. северо-западнее струи) образуются аномалии тёплой воды, которые принимаются за тёплые

вихри - антициклоны, а справа (юго-восточнее) – аномалии холодной воды, которые принимаются за

холодные вихри - циклоны. Все эти представления о динамике вод Гольфстрима были получены

преимущественно путем анализа термохалинных  (температуры и солёности) параметров воды, но

 не прямых  измерений течений. При этом предполагалось, что поле плотности воды и течений

Гольфстрима и предполагаемых вихрей находятся в режиме геострофического приспособления,

т. е. их течения геострофические.

В поведении Гольфстрима и в целом струйных  течений океанов много неясного, необоснованного и

противоречивого, если рассматривать их с позиции популярных, устоявшихся, хорошо известных

научной общественности и практически общепринятых объяснений их природы. Вот некоторые из

них. Почему по всему океану течения имеют небольшие скорости, а в западных и экваториальных

областях океанов их скорости очень большие?  Не объяснено, почему массы воды за пределами

Гольфстрима с двух сторон и с глубиной движутся в обратную сторону. Фактически ложе, по

которому течёт Гольфстрим, движется в противоположную сторону его движения. Не понятно,

почему Гольфстрим пульсирует: останавливается, затем набирает скорость и через некоторое время

снова останавливается и далее всё повторяется с некоторой квазирегулярной  

периодичностью. Такое сложно объяснить ещё и потому, что смена ситуаций повторяется через очень

короткие промежутки времени, порядка 10 – 20 суток. Многочисленные попытки воспроизвести на

моделях Гольфстрим с этими его особенностями не увенчались успехом. Непонятно, почему так

быстро Гольфстрим меандрирует, меняет своё положение с периодичностью до двух – трёх недель.

Какие силы заставляют его так быстро менять своё положение? На все эти вопросы невозможно дать

ответ, если придерживаться принятых представлений о течениях, как градиентных, термохалинных и

геострофических.

Автор данной статьи на эти вопросы отвечает, но уже с позиций  длинноволновой природы течений,

малоизвестной научной общественности. Но об этом немного позже.

 

Полезно рассмотреть, как менялись представления о Гольфстриме исторически  и по мере

накопления информации о нём.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    

Когда-то полагали, что это течение порождается водами Миссисипи, но как отмечает Мори [21],

капитан Ливингстон развенчал эту гипотезу, показав, что объём воды, который река Миссисипи

выносит в Мексиканский залив, не составляет и трёх тысячных того, что переносит Гольфстрим.

Мори (1863 г) предложил свою гипотезу формирования Гольфстрима. Восточные пассатные ветры

вызывают медленный дрейф вод Атлантического океана к западу в виде Пассатного течения. Большая

часть вод Пассатного течения попадает в Карибское море, а затем в Мексиканский залив. Нагон вод

в Мексиканский залив приводит к повышению уровня воды в нём по сравнению с уровнем вод

Атлантического океана. В результате перепада уровней воды вода из Мексиканского залива через

Флоридский пролив поступает в Атлантический океан. Так образуется Гольфстрим. Это

гипотетическое объяснение формирования Гольфстрима хотя и  популярно, и в настоящее время,

никогда не было обосновано экспериментальными наблюдениями уровня океана и течений.

Такой информации ранее просто не существовало. В настоящее время ведутся наблюдения уровня

океана из космоса и установлено, что уровень воды западной части Атлантического океана у берегов

Америки превышает уровень восточной части, около берегов Европы, всего лишь на 0,2 м.

 Многие исследователи выражают сомнение в возможности создания таких мощных течений такими

незначительными перепадами уровня океана. Вообще-то разность уровней океана всё время меняется.

Так, в районе экватора Тихого океана течения меняются сезонно в направлениях восток – запад.

Считается, что течение на восток возникает при повышенном уровне океана на западе. Но вот

фиксируется случай, когда течение было восточным, но уровень океана на западе не был выше

уровня на востоке. Это указывает на то, что данные течения не являются градиентными. Мне кажется,

что если изучить поведение уровня океанов, то мы обнаружим  много убедительных примеров

опровергающих гипотезу о градиентном происхождении течений.

Как отмечалось, раньше течение Гольфстрим представлялось в виде реки вытекающей из

Мексиканского залива через Флоридский пролив (рис. 1.). Река меандрирует,  и очень быстро,

с периодом до 2 – 3 недель. Вполне справедливо задать вопрос, а могут ли так быстро меандрировать,

 раскачиваться огромные массы течения Гольфстрим? Период меандрирования должен быть равен

периоду собственных движений (раскачиваний) Гольфстрима. Не будем здесь заниматься расчётами,

но легко показать, что период собственных движений Гольфстрима минимум на три - четыре порядка

больше указанного периода меандрирования Гольфстрима (2 – 3 недели). Значит, Гольфстрим не может

меандрировать с периодом 2 – 3 недели. Тогда, как объяснить происходящее?

 

 

Рис.2. . Распределение температуры воды  (в ⁰С) на поверхности океана в районе Гольфстрима

29 апреля – 2 мая 1982 г.[14]. Т и Х – центры тёплых (антициклонических) и холодных (циклонических)

вихрей; пунктир – изобата 1000м.

 

Вполне естественно задать и другой вопрос, а на основе чего у исследователя сложилось

впечатление о таком меандрирующем характере Гольфстрима (рис. 1), ведь наблюдений течений,

необходимых для построения подобной схемы не было, их просто тогда не производили. 

Выясняется, что течения рассчитывались динамическим методом по полю плотности воды, а

точнее по информации о её температуре. Активно этим занимался известный исследователь

Гольфстрима А.Стоммел [14]. На рис. 2 приведено типичное для  района Гольфстрима распределение

 поля плотности. Допускается, как отмечалось, что течения являются градиентными, термохалинными

и геострофическим. Тогда по полю плотности (или в данном случае температуры) рассчитываются

течения с помощью динамического метода или позднее с помощью диагностических моделей.

В этом случае, рассчитанное течение должно быть направлено вдоль линий равной температуры,

так что справа по течению температура  выше, а слева ниже. Скорость предполагаемого течения 

должна быть пропорциональна градиенту температуры воды. Мы видим, что температурное поле

извивается в виде меандр, аналогичных изображённым на предыдущем рис. 2. Вот отсюда и пошло

преставление о меандрировании Гольфстрима. Справа и слева от Гольфстрима мы видим

аномалии температуры округлой формы. Если по температурному полю рассчитать течения в

аномалии, то они будут вихреобразно вращаться с циклонической или антициклонической

направленностью. Справа от Гольфстрима будут вихри - циклоны, а слева – вихри - антициклоны.

В научном мире эти предполагаемые вихри в районе Гольфстрима называют рингами, ринги

Гольфстрима.

Но мы уже показали, что течения не градиентные и тем более не геострофические. Немного позже

мы дополнительно обоснуем не градиентный, термохалинный, соответственно, и не геострофический

характер течений. Если это так, то можно утверждать, что термохалинному полю не будут

соответствовать течения, развивающиеся в режиме геострофического приспособления. В этом

случае можно считать необоснованным представление о меандрировании Гольфстрима и образовании

с его обоих сторон вихрей. Но а пока продолжим повествование  о Гольфстриме.

Приблизительно в 60 годы прошлого столетия было установлено, что расход Гольфстрима

увеличивается по мере удаления от Флоридского пролива. Тогда исследователи предположили, что

в Гольфстрим должна поступать вода из Атлантического океана. Были предложены схемы течений

подобные, изображённой на рис. 3. Исследователи предположили наличие циркуляций в движениях

воды и даже дали им собственные названия, как например,  Антильское течение. Так,

крупномасштабные течения стали называть Крупномасштабной циркуляцией.

Впоследствии было установлено, что вод Мексиканского залива в Гольфстриме нет или почти нет, а

Гольфстрим сформирован тёплыми водами Саргассова  моря, поступающими с юга и холодными водами

с севера, т.н. склоновыми. Раз так, то был сделан вывод, что из Мексиканского залива  вода не вытекает и,

следовательно, Гольфстрим не выходит из него. Тогда появились схемы течений типа (рис. 4), на которых

Гольфстрим выходит не из Мексиканского залива.

 

Рис. 3. Схема течений Северного полушария Атлантики, приведенная в [14].

 

 

Рис. 4. Схема течений Северного полушария Атлантики, приведенная в [12].

 

Эти все схемы течений есть плод неких представлений, фантазий их авторов относительно природы и свойств

течений, но не прямых их измерений течений. Прямых измерений течений, и тем более репрезентативных, как

отмечалось, тогда просто не было. Первые репрезентативные измерения течений в  районе Гольфстрима

начали производится  с семидесятых  годов прошлого столетия. Было установлено, что однонаправленное

движение вод прослеживается  до горизонта ~  500 м, а ниже существует противотечение, скорости которого

увеличиваются с глубиной и у дна они максимальны. Скорости этих противотечений существенны, так во

Флоридском проливе они достигают ~ 50 см/с. Вдоль Гольфстрима, справа и слева от него существуют

поверхностные противотечения со скоростями порядка 5 – 10 см/c.  Всё это известно, но объяснение этому

до недавнего времени дано не было. Но об этом немного позже.