Куда течёт Гольфстрим?

 

 

 

 

Объяснение закономерностей формирования Гольфстрима, приведенное в работе [2]

 

 

 

Даётся несколько иное, отличное от данного ранее, объяснение формирования крупномасштабных течений  

волнами Россби. Дано на примере формирования Гольфстрима.

         Формирование Гольфстрима легко объяснить с позиции известных закономерностей

трансформации волн Россби в прибрежных зонах океанов. Эффект трансформации волн в прибрежных

зонах и, соответственно, увеличения орбитальных скоростей частиц воды волн (течений) хорошо знаком, и

не только специалистам океанологам. Так, например,  волны цунами в открытом океане имеют не

большие амплитуды колебания скорости течения. Но при подходе к берегу или относительно мелководным

участкам океана их амплитуды сильно увеличиваются, точно также увеличиваются и течения. Всё это

читателю должно быть хорошо известно, в частности,  из серии телевизионных передач о цунами,

произошедшем в Индийском океане в декабре 2004г. 

         Аналогичное, происходит и с волнами Россби. Они приходят из  открытого океана, в

данном случае Атлантического. По мере приближения к материку их направление распространения

изменяется, становится юго-западным и южным, и в целом вдоль кромки шельфа материка. Это

специфическое свойство волн Россби, распространяться вдоль берега так, что берег находился

справа по отношению направлению распространения волны. При этом к области Гольфстрима волны

подходят под разными углами и лишь в последствии, южнее широты 38⁰ они выстраиваются в

систему одно направленных волн, распространяющихся приблизительно вдоль кромки шельфа. Этим и

определяется строго направленный характер течений южнее широты 38° и некоторое их раскачивание

вправо – влево севернее этой широты.

         В открытой части океана, амплитуды колебаний скорости течений волн Россби  небольшие

(порядка 10 - 20 см/с.), но при подходе к западной окраине океана, они трансформируются за счёт

влияния  берега материка и дна океана. Период и длина волн уменьшаются, а амплитуды колебания

скорости течения волн сильно увеличиваются (до 2,5 м/с) за счёт увеличения их удельной кинетической

энергии. Увеличение скоростей течений происходит за счёт концентрации энергии волн и течений

в меньших объёмах воды, в зоне близкой берегу. Так, в открытой части океана энергия волн распределена

по всей глубине почти равномерно, но при подходе к прибрежной зоне она сосредотачивается в

приповерхностном слое океана. Если учесть, что удельная кинетическая энергия волн определяется

соотношением V²_o/4., то при амплитудах колебаний скорости течений волн (Vo) в открытой части океана

равных 10 см/c, она составит 25 см²/с², а при средних амплитудах Гольфстрима 50см/с – 625cм²/c².

Энергия увеличивается в 25 раз, скорее всего за счет концентрации энергии волн в верхнем слое

океана и резонансного возбуждения. Такое происходит не только в прибрежной зоне, относительно

мелководной, для Гольфстрима, это южная его часть, но и в глубоководной северной, значительно

удалённой от берега.

 

 

Что представляют течения волн Россби в районе Гольфстрима?

 

 

Мы уже отмечали, что волны градиентно-вихревые. Движения частиц воды в них имеют вихреобразную форму.

Согласно теоретическим исследованиям [9]  линии токов волн Россби можно представить в виде солитонов,

 в виде спаренных вихреобразных движений воды в горизонтальной плоскости. Мы больше

ориентируемся на натуру, т. е. на реальные измерения течений.

 

 

 

Рис.8. Линии токов волн Росссби в виде эллипсов со стрелками течения Гольфстрима и его окружения.

Вверху – вид сверху (а) , внизу – по вертикальному сечению через Гольфстрим (б).

 

         Согласно нашим исследованиям, такие вихреобразные движения воды существуют не в Гольфстриме,

а с его боков. В струе Гольфстрима должны существовать вращательные движения воды в

вертикальной плоскости. Далее мы это обоснуем экспериментальными измерениями. В целом линии

токов течений волн Россби в Гольфстриме и его окружении схематически можно представить в виде

линий токов диполя, так (рис 8а, б). Напомним читателю, что линии токов указывают на

мгновенное направление векторов течений, или, что одно и тоже, направление силы создающей

течения. Скорость течения пропорциональна плотности линий токов. Мы видим, что в

Гольфстриме плотность линий токов гораздо больше, чем за его пределами, а отсюда, и скорости

течений больше. В точках 1, 2, 3, 4 расположенных между волнами скорости течений равны нулю, а в

точках I, II, Ш – максимальны. Такое распределение скоростей течений в волнах, фиксируется

дрифтером или стационарно установленным в потоке прибором, как пульсирующее течение,

аналогичное, изображёно на рис. 5. Такое пульсирующее течение свидетельствует о том, что движения

воды происходят в вертикальной плоскости. Помните, мы задавали вопрос, что заставляет

Гольфстрим останавливаться, затем набирать скорость и снова останавливаться? Ответ: волны Россби,

они формируют такой поток в вертикальной плоскости. Таким образом, пульсирующий характер

течений Гольфстрима указывает на их волновое происхождение. Вертикальные скорости невелики,

при  горизонтальных скоростях течений Гольфстрима приблизительно равных 1 м/c, они составляют

всего 1 мм/c.

Как и во всяких волнах, в волнах Россби масса воды в пространстве не переносится, она

перемещается по замкнутому контуру внутри волны. Создаётся только некая иллюзия переноса

масс, поскольку прибор не фиксирует движение частиц воды по орбите, которые и переносят

массу воды, а только некую горизонтальную составляющую действия на дрифтер движущихся

по различным орбитам частиц воды, или на прибор неподвижно установленный в потоке.

Они однонаправлены.

Рассматривая пульсирующее течение, исследователь считает, что движения частиц воды происходят

в горизонтальной плоскости и возвратно – поступательно по одной линии, а поэтому он

разделяет исходное измерение на некоторую квазипостоянную, характеризующую

однонаправленное движение воды и переменную, квазигармоническую по форме части

“течений”. Первую он ошибочно относит к крупномасштабным течениям, в частности Гольфстрима,

а вторую к волнам Россби. Таким образом, и создаётся иллюзия однонаправленного движения

вод Гольфстрима.

Движения воды в вертикальном направлении создают подъём глубинной воды на поверхность

океана  и опускание поверхностной на глубину, что и формирует температурные аномалии

на поверхности океана, принимаемые исследователями ошибочно за вихри и в целом

температурное поле поверхностных вод.  Ранее мы приводили такое температурное

поле поверхностных вод в районе Гольфстрима (рис. 2). Волнообразное искривление

поля температуры и наличие температурных аномалий формируется подъёмом (апвеллинг) в

одной части и опусканием – в другой части (даунвеллинг) вод в волне. Наряду с

пульсирующим характером течений, наличие температурных аномалий является

дополнительным обоснованием достоверности предложенной нами схемы течений.   

Таким образом, мы объяснили, почему Гольфстрим не переносит одно направленно массы

воды, почему вода из Мексиканского залива не поступает, каким образом возникают

противотечения, глубинные и с двух сторон Гольфстрима, каким образом возникают

температурные аномалии.

         Вернёмся снова к пульсациям течений Гольфстрима. В пульсациях скорость течения уменьшается

до нуля или до величины близкой нулю. Гольфстрим, как бы, останавливается. Такие остановки, а иногда

и непродолжительные смены направления течений Гольфстрима на обратные, происходят через

промежутки времени равные периоду волны, 10 - 20 суток. При этом промежутки времени, когда

скорости течений приблизительно равны нулю или малы, могут составлять несколько суток.

Площадь Гольфстрима, в которой скорости течений достигают малых величин, может составлять

величину соизмеримую с четвертью длины волны, приблизительно 50 км. Напомним, эти

остановки Гольфстрима исследователями воспринимались, как исчезновение струи Гольфстрима

в результате изменения её положения, т.е. меандрирования. Часто, при повторных наблюдениях течений

с судна в фиксированном месте исследователи не обнаруживали течений с большими

скоростями, измеренными ранее и характерными для Гольфстрима. Тогда они считали, что

струя Гольфстрима сместилась куда-то в сторону от него.

Более продолжительные и более масштабные остановки Гольфстрима могут происходить и по

другой причине. Мы говорили ранее о модулировании волн и изменении, в связи с этим,

скорости течений в волнах. При малых волнах в модуляциях скорость течения становится

небольшой. При этом такие промежутки времени могут быть очень продолжительными,

порядка нескольких месяцев. В этих случаях останавливается не малая часть

Гольфстрима, соизмеримая с 50 км, а большая, соизмеримая с тысячью километрами.

При этом в термохалинном поле Гольфстрима исчезнут аномалии и меандры, а зона

схождения холодных склоновых вод и тёплых вод, Саргассова моря, станет более ровной.

В это время должна снизиться биологическая продуктивность океана за счёт

уменьшения вертикального обмена вод.

 

 

Будущее Гольфстрима

 

 

В свете новых представлений природы крупномасштабных течений

интересно обсудить проблему возможности взаимного влияния изменений климата и

режима   крупномасштабных течений, в частности Гольфстрима [2].

В последнее время часто по телевидению и в Интернете обсуждаются проблемы приблизительно такого содержания. Дескать, климат на земле меняется. В результате изменения климата частично могут растаять ледники Гренландии и Северного Ледовитого океана, что приведёт к опреснению океанских вод и, соответственно, ослаблению и даже и к изменению направления Гольфстрима. Иногда исследователи считают, что Гольфстрим может “направиться” в сторону Африки. Ослаблению течений  может способствовать и изменение режима ветра над океаном. В результате этого возможно полное прекращение подачи тёплых вод Гольфстрима на север. Как следствие этого резко похолодает климат северной части Европы и Азии. Приблизительно через 30 лет, средняя многолетняя температура воздуха, например, Англии, уменьшится на 4^оС.

Мы не берёмся предсказывать, возможность изменения климата на земле. Но утверждаем, что

если климат и изменится как-то, то это не приведёт к сколь-нибудь заметным изменениям

режима крупномасштабных течений, в частности, и Гольфстрима, а отсюда, и изменениям климата.

Мы показали, что крупномасштабные течения сформированы волнами Россби, но не

являются ветровыми  и термохалинными. Динамика волн Россби никак не связана с

изменениями режима  термохалинного поля вод океана и крайне слабо связана с изменениями

режима ветра в целом над Мировым океаном. Энергетический уровень волнового поля

Мирового океана находится в состоянии предельного насыщения энергией. Поэтому, если

даже допустить, что энергетический уровень ветра или/и флуктуаций атмосферного давления в

целом над всем Мировым океаном как-то и изменится, скорее всего, несущественно, то эти

изменения не отразятся сколь-нибудь заметно на состоянии насыщения энергией волн

Россби, следовательно, и режима крупномасштабных течений, и Гольфстрима.

К этому хотелось бы добавить следующее. Если бы учёные, прогнозисты климата, присмотрелись

бы к течениям западных окраин океанов, в том числе и к Гольфстриму, то обратили бы внимание

на такую их особенность: эти течения везде, во всех океанах "прижимаются" к западным их

окраинам. Так вести себя, т.е. "прижиматься" к западным окраинам - это свойство этих

течений заложенное природой и, поэтому, они не могут покинуть эти окраины, следовательно,

и изменить своё направление.  

 

Итак.

 

Мы видели, что неправильное понимание природы течений, в частности их геострофических

свойств, в основном и явилось причиной неправильного представления о течениях Гольфстрима.

 Выяснилось, что течения Гольфстрима вовсе не термохалинные и не геострофические, а отсюда

стало ясным, что наблюдаемому термохалинному полю вод океана вовсе не соответствует

распределение реальных течений, связанных с полем режимом геострофического

приспособления. Гольфстрим не меандрирует, в нём нет и вихрей. В Гольфстриме нет

сплошного и непрерывного потока воды в виде реки и в этом смысле Гольфстрим не струйное

течение. Гольфстрим не переносит однонаправлено массы воды, как это нам представляется.

Возможно, и существуют однонаправленные перемещения воды в сторону направления течений, но

можно однозначно утверждать, что они невелики, на уровне величин второго порядка малости по

сравнению со скоростями измеренных течений. Возможно, механизмом таких течений

является Лагранжевым или Стоксовым переносом. Это требует дальнейшего изучения.

         Течения Гольфстрима это преимущественно однонаправленные пульсирующие движения частиц

воды волн Россби. В волнах, как и положено,  массы воды одно направленно практически не переносятся,

а только циркулируют внутри волны. К зоне Гольфстрима волны приходят из открытого океана.

В зоне Гольфстрима, недалёкой от берега они трансформируются, в результате чего их

энергия концентрируется в верхнем слое океана, в котором скорости течений сильно увеличиваются

за счёт концентрации энергии в меньшем объёме воды.  Эта зона с трансформированными волнами

Россби, и отсюда увеличенными скоростями течений, и есть Гольфстрим. Термохалинное поле вод в

виде меандр и термохалинных аномалий формируется вертикальными, и горизонтальными,

движениями воды волн Россби.

 

 

 

Основные закономерности поступления в Северный Ледовитый океан тёплых вод Атлантики.

Куда течёт Гольфстрим?

 

 

Воды Северного Ледовитого океана, находящиеся в зоне соприкосновения с водами Атлантического

океана, Гренландского, Норвежского и Баренцева морей гораздо теплее вод остального океана. Воды

этих морей практически никогда не покрываются льдом, в то время как остальной океан большую часть

года покрыт мощными льдами. Соответственно и воздух над этими морями и прилегающими частями

суши значительно теплее, климат мягче, чем над остальным океаном и прилегающими к нему частями 

суши.  Объяснение этому даётся простое: в Северный Ледовитый океан поступают тёплые воды 

из Атлантического океана с помощью системы течений Гольфстрим – Северо-Атлантическое –

Норвежское течение с ответвлением в Баренцево море Нордкапским течением (рис. 4).

Создаётся впечатление, что тёплые воды Мексиканского залива, частично и Атлантического океана,

как бы транзитом, в виде единого потока, адвективно поступают в Северный Ледовитый океан.

При этом считается, что эти  течения являются градиентными геострофическими течениями, в которых

сила градиента давления на воду, обусловленная наклоном уровня океана, уравновешена силой

Кориолиса [3, 6].

Исследования приведенные ранее показали, что крупномасштабные течения вовсе не градиентные и

не геострофические, как обычно считается, а длинноволновые, они сформированы волнами

Россби, Гольфстрим не переносит воды поступательно, адвективно и, следовательно, они не

попадают в таком виде в Северный Ледовитый океан. Из исследований также следует, что

Гольфстрим и другие крупномасштабные течения не изменят своего положения, как бы не

менялся климат Земли. Тогда как же тёплая вода Атлантического океана проникает в

Северный Ледовитый океан?

         Рассмотрим схему средних многолетних течений Гольфстрима, построенную  по

дрифтерным измерениям (рис. 6). На этой схеме чётко выделяется область течений Гольфстрима с

большими скоростями. В южной части Гольфстрима средние скорости течений ~ 1 м/с, а в

северной ~ 50cм/с, в то время как за пределами Гольфстрима скорости течений небольшие и

составляют ~ 10 cм/c. Слабо выражено Северо-Атлантическое течение, его скорости небольшие, ~ 20 см/с,

а около Ирландии и вообще малые, ~ 10 см/с, т. е. соизмеримы со скоростями течений остальной

части океана. Скорости Норвежского течения ~ 25 см/с. Создаётся впечатление, что не

существует непрерывного перехода Гольфстрима в Норвежское течение.

Однако исследователи руководствуются не этой схемой, а схемами типа (рис. 3), на

которых изображён довольно мощный поток Гольфстрима переходящий в Норвежское

течение. Поэтому у исследователей создалось впечатление, что из Мексиканского залива в

виде мощного потока вода вытекает в Атлантический океан и далее вдоль берега распространяется

в северо-западном направлении, в сторону Северного Ледовитого океана. Около

Ньюфаундлендской банки струя Гольфстрима заметно ослабевает и переходит в

Северо-Атлантическое течение и далее в Норвежское. Считается, как мы отмечали, что

вода из Мексиканского залива адвективно попадает в Северный Ледовитый океан.

Ранее мы показали, что течения являются волновыми и они не переносят массы воды адвективно

или переносят её в крайне малом количестве. Тогда каким же образом в Северном  Ледовитом

океане оказывается теплая вода Атлантического океана? Мы уже отмечали, что

Гольфстрим сформирован теплыми водами Саргассова моря, поступающими с юга,

слева от Гольфстрима и холодными и менее солёными водами, поступающими с севера,

справа от Гольфстрима. Эти воды сходятся где-то около Гольфстрима. В данном случае частицы

воды этих вод проникают друг в друга: воды Саргассова  моря  проникают в склоновые

воды и наоборот, таким образом, воды перемешиваются. Эта переходная зона перемешанных

вод называется гидрофронтом. Считается, что смешение вод происходит за счёт турбулентности.

Но ведь в волнах турбулентность отсутствует или она крайне мала? Тогда может речь идти о

слабой турбулентности. Тогда можно говорить о слабом смешении вод, т.е. о крайне

медленном проникновении одних вод в другие.

Скорее всего, таким же образом, в результате турбулентности,  и поступает тёплая

вода Атлантического океана в Северный Ледовитый океан, но не адвективно. Одновременно

таким же образом воды Северного Ледовитого океана проникают в Атлантический океан. Процесс

этот крайне медленный по сравнению с адвективным переносом, скорее всего на два –

три порядка медленнее. Так считается, что смена вод Северного Ледовитого океана

(при адвективном их переносе) происходит за 40 лет [15]. Тогда, если учесть что перенос

имеет турбулентный характер, эта величина может быть увеличена в сто раз, т. е. будет равна 4000 лет.

 

Теперь допустим, что данное нами объяснение природы течений неверно. Будем считать, как

это и принято: течения градиентными геострофическими, они адвективно переносят массы воды,

воды Гольфстрима попадают адвективно в Северный Ледовитый океан и дрифтер движется

вместе с переносимой течением водой, т.е. дрифтер фиксирует перемещения воды.  Тогда с 

помощью дрифтерных наблюдений должна существовать возможность проследить, куда попадает

вода Гольфстрима?

 

Рис. 9а, б, в, г. Трассы дрифтеров запущенных в воды Гольфстрима в различное время и в

разных его местах. Цифры около точек – время в сутках с начала запуска дрифтера.

 

 

Для этого мы выбрали сто трасс дрифтеров, проходящих через Гольфстрим, и проследили

за их движением. Обычно дрифтер, попадая в Гольфстрим, быстро его покидает. Время

пребывания дрифтера в Гольфстриме в основном не превышает двух месяцев.

Большинство дрифтеров, покидая Гольфстрим, направлялись в сторону Африки (см. рис. 9а),

иногда – в сторону Европы и крайне редко – в сторону островов Великобритания (9б).

Обычно при почти прямолинейном движении дрифтер пересекает океан приблизительно за

два года. Часто дрифтер длительное время совершает сложные движения в центральной

части Атлантического океана или около Гольфстрима (рис. 9в, г). В первом случае он

дрейфовал в океане приблизительно 7 лет (рис. 9в), а во втором (рис. 9г) два года, при

этом он сместился на юг и чуть не оказался снова в Гольфстриме.     Но никогда дрифтер не

попадал в Северный Ледовитый океан.

 

Вывод

Изложенное даёт основание наше объяснение природы переноса масс воды в Северный Ледовитый океан из Атлантического океана считать верным.  Вода Гольфстрима адвективно не поступает в Северный Ледовитый океан. Можно допустить, что вода Гольфстрима только частично адвективно поступает в Северный Ледовитый океан, но в крайне малом количестве, предположим в режиме Стоксова или Лагранжева переносов. В целом из Атлантического океана в Северный Ледовитый океан воды поступают за счёт турбулентного их перемешивания. Турбулентность (слабую) создают волны Россби. Процесс переноса вод турбулентным образом крайне медленный по сравнению с адвективным переносом. Поскольку турбулентный перенос вод зависит от параметров волн, которые в среднем во времени не меняются, то можно считать, что и перенос вод в Северный Ледовитый океан в перспективе не изменится,  следовательно, и не отразится на изменениях климата.

         Отдельно по статье выводов делать не будем. Читайте, изучайте статью и делайте их сами.   

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Бондаренко А.Л., Жмур В.В., Филиппов Ю.Г., Щевьев В.А. О переносе масс воды морскими и океанскими долгопериодными волнами // Морской

гидрофизический журнал. Севастополь. 2004. № 5 (сентябрь - октябрь). C. 24-34.

2. Бондаренко А.Л., Жмур В.В. Настоящее и будущее Гольфстрима// Природа.2007.№7.С.29-37.

3. Бондаренко А.Л., Борисов Е.В., Суркова Г.В. Основные закономерности поступления в Северный Ледовитый океан тёплых вод из Атлантического океана// X Международная научно-техническая конференция. “Современные методы и средства океанологических исследований”. 2007. Ч.II. М.: и-т Океанологии РАН. С.88-95.

4. Бондаренко А.Л., Борисов Е.В., Жмур В.В. О длинноволновой природе морских и океанских течений// Метеорология и гидрология. 2008. №1. С. 72 – 79.

6. Бондаренко А.Л. Основные закономерности поступления в Северный Ледовитый океан тёплых вод Атлантики. Куда течёт Гольфстрим? 2008. Известия РАН, серия географическая. В печати. Выйдет в январе.

7. Гилл А. Динамика атмосферы и океана.  М.:Мир. Т. 2. 1986. 415 С.

8. Каменкович В.М., Кошляков М.М., Монин А.С. Синоптические вихри в океане. Л.: Гидрометеоиздат. 1982. 264с.

9. Ларичев В.Д., Резник Г.М. Численный эксперимент по столкновению двумерных уединённых вихрей Россби// ДАН СССР. 1982. Т. 264. № 1. с. 229-233.

10. Лаппо С.С. Среднемасштабные динамические процессы океана, возбуждаемые атмосферой. М.: Наука. 1979. 161 с.

11. J Ле Блон П., Майсек Л. Волны в океане. М.: Мир. 1981. Ч.1. 480 с.

12. Монин А.С. Океанология. Физика океана. Т.1. М.: Наука. 1978. 455с

13. Никитин О.П., Касьянов С.Ю., Музыка Г.В. Компьютерная информационно-справочная система "Поверхностные течения Мирового океана" //  Труды ГОИН, вып.209, 2005, с. 75-89.

14. Стоммел Г. Гольфстрим. М.: Иностр. Литература, 1963. 227 с.

15. Фащук. Мировой океан. 2002. М.: ИКЦ “Академкнига” 283с.

16. Штокман В.Б. Избранные труды по физике моря. Л.: Гидрометеоиздат. 1970. 336 с.

17. Cox M.D. Equatorially trapped wave and the generation of the Somali Current// Deep-Sea Res. 1976. Vol. 23. № 12. P. 1139-1152.

18. Наlpern D., Knox R.A. and Luther D.S. Observation of 20-Day Period Meridional Current Oscillations in the Upper Ocean along the Pacific Equator// J. of Physical Oceanography. 1988. Vol.18. November.  pp.1514 -1534.

19. Knauss J.A. Further measurements and observations on the Cromwell current// J. Mar. Re. 1966.Vol.24.  P. 205-240.

20. Lighthill M.J. Dynamic response of the Indian ocеan to onset of the southwest monsoon// Philos. Trans. R. Soc. Lond. A. 1969. Vol.265. P.45-92.

21. Maury M. F. The physical Geography of the Sea and its Meteorology (Ed. J. Leighly). Harvard University (Belknap) Press, 1863, 432 pp.

22.  W.H., Moore D. In the Cromvell current driven by equatorial Rossby wav es?// J. Fluid  Mech. Vol. 33. 1968. pp.241-259.

23.   Munk W.H., Phillips N. // Rev. Geophys. 1968. V. 6. № 4.

24.  Niller P.P., Mysak L.A. Barotropic waves along an eаstern continental shelf// Geophys. Fluid Dyn. 1971. Vol.2. P.273-288.

25. Philander S.G.H. Equatorial undercurrent, measurements and theories// Rev. Geophys. Space Phys. 1973. Vol. P. 513-570.

 

 

 Сведения об авторе статьи 

Бондаренко Альберт Леонидович, океанолог, ведущий научный сотрудник Института водных проблем РАН, доктор географических наук. Специалист по динамике вод океанов и морей.