|
|
Монография посвящается моим учителям – преподавателям кафедры Океанологии Географического ф-та МГУ им. М.В. Ломоносова профессорам Н.Н.Зубову, А.Д.Добровольскому, О.И. Мамаеву.
“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.).
Предисловие Понятие “течения”, океанские или морские, двояко. Во-первых, это океанические или морские динамические образования, в которых огромная масса воды вовлечена в движение. К ним относятся крупномасштабные течения, среди которых всем известные: Гольфстрим, Куросио, мощные Экваториальные течения и т.д. Во-вторых, под словом “течения” подразумеваются конкретные движения, перемещения масс воды. Чтобы различить оба понятия, к слову “течения” мы будем иногда приписывать или использовать вместо него словосочетание “движения воды”. К примеру, можно выразится так: “скорость течений, движений воды в Гольфстриме составляет …. см/с.” После этого пояснения понятно, где речь идёт о течениях, как о динамических образованиях, а где о движениях воды. Течения имеют различные пространственно-временные масштабы, механизмы и происхождение. По пространственно-временным масштабам их принято разделять на переменные по скорости и направлению, вектор которых меняется квазициклически с периодичностью приблизительно до сорока суток, а также на устойчивые или квазиустойчивые, по направлению соизмеримые с масштабами океана или моря, получившие название крупномасштабных течений или крупномасштабной циркуляции, в которую вовлечены практически все воды океана от поверхности до дна. Приповерхностные воды в Северном полушарии совершают антициклоническое движение по часовой стрелки и, соответственно, в Южном циклоническое –– против часовой стрелки. В основном в океанах средние скорости крупномасштабных течений небольшие, ~ 10 см/c. Но в западных и экваториальных областях они проявляются в виде мощных струйных течений со скоростями до 2,5 м/с, как в Гольфстриме, Куросио, Сомалийском и др. течениях. С учётом кинематических свойств движения воды, течения можно разделить на дрейфовые, градиентные и длинноволновые. Основные вызывающие их причины: ветер, колебания атмосферного давления, неравномерное положение поверхности воды, обусловленное осадками, испарением, нагревом океана, соединением вод различной плотности. При этом одна и та же причина может создать течения, имеющие различные механизмы и пространственно-временные масштабы. К примеру, дрейфовые течения создаются ”влекущим” действием ветра. Перемещение масс воды в пространстве осуществляется неравномерно и создаёт наклон уровня поверхности океана и, соответственно, градиентные течения. Ветер и колебания атмосферного давления создают волны, в том числе и долгопериодные, в частности, волны Россби с периодом до 40 суток. Они имеют такие параметры, как орбитальные движения частиц воды и волновой перенос, т.е. фактически это волновые течения. Очевидно, что течения – важная гидрологическая характеристика, определяющая перемещения вод океана, поведение в нём поля солёности и температуры, различных взвешенных и растворённых элементов естественного и антропогенного характера, существенно влияющая на погоду и климат Земли. Интерес к океанским течениям человечество проявляет с глубокой древности, в основном в утилитарных целях, например, в судовождении, не касаясь их природы. Сейчас исследователи изучают возникновение и влияние течений на экологию Мирового океана, климат и погоду. В этом случае необходимо знать природу течений, их параметры, свойства, закономерности развития и многое другое. Некоторые исследователи стремились и раньше объяснить природу течений, их закономерности, свойства, режимные характеристики. Так, Аристотель полагал, что причина океанических течений кроется в гидрологическом цикле. Испарения в тропиках, по его мнению, понижают уровень океана, а дожди в приполярных областях его повышают, в результате чего морские воды перемещаются от высокого уровня на полюсах к более низкому в тропиках. Фактически он рассматривал течения как градиентные. В XVIII в. Англичане Ричард Кирван и Бенджамин Томсон высказали предположение, что течения поддерживаются за счёт различий плотности морской воды, т.е. считали их, как и Аристотель градиентными. Первым, кто предположил, что течения могут быть дрейфовыми, ветровыми был англичанин Уильям Дампир [1699 г.] [Фащук, 2002]. В начале двадцатого века такие представления о течениях были математически описаны норвежскими учёными Сандстрёмом и Хелланд-Хансеном и немецким учёным Экманом, и им был присвоен статус теорий - градиентных геострофических течений [Sandström, Helland-Hansen, 1903], и ветровых течений [Ekman, 2006]. Эти представления безальтернативно просуществовали до начала шестидесятых годов 20-го века, популярны они и сейчас. В начале шестидесятых годов в океанах доказательно были зарегистрированы мощнейшие динамические образования - долгопериодные волны, получившие название волн Россби. Практически те же самые волны в зоне, близкой берегу, стали называться континентальными шельфовыми волнами [Гилл, 1986, Ле Блон, Майсек, 1981]. Позже такие же образования были обнаружены советскими исследователями в замкнутых морях - Каспийском и Чёрном [Бондаренко, 1993, Иванов, Янковский, 1993]. Анализ течений, создаваемых волнами Россби и крупномасштабными течениями подсказал учёным, что оба явления должны быть связаны физически. Большинство исследователей считали, что волны Россби сформированы неустойчивостью крупномасштабных течений. По мнению других - течения формируются названными волнами в результате передачи их энергии течениям. В основном рассматривались два механизма: отрицательной вязкости и нелинейного взаимодействия волн, т.е. механизмы медленной передачи энергии волн течениям, так называемый механизм “накачки” [Лаппо, 1979, Монин, 1978, Гилл, 1986, Ле-Блон, Майсек, 1981]. Как видим, ещё в шестидесятых - семидесятых годах прошлого века некоторые учёные усомнились в безальтернативности представлений о течениях как только ветровых, дрейфовых и градиентных, термохалинных. Однако объяснения формирования течений волнами не получили должного развития из-за их недоказанности экспериментально, и консервативности учёных, их склонности придерживаться прежних представлений о явлениях. К моменту открытия волн Россби (начало шестидесятых годов) мнение о ветровой и термохалинной природе течений прочно закрепилось в науке как единственно верное. Большинство учёных и сейчас считает, что крупномасштабные течения только градиентные, геострофические и, частично, дрейфовые. В 2004 году отечественными учёными [Бондаренко, Жмур и др., 2004] экспериментально были получены доказательства связи волн и течений. Они оказались одновременными, высоко достоверными, при коэффициенте корреляции 0,9. Эта связь объяснена с позиции гипотезы формирования течений волнами. Однако сам механизм не был объяснён, хотя ясно, что это не передача энергии в виде отрицательной вязкости и не нелинейное взаимодействие волн, и не передача энергии неустойчивостью течений, поскольку связь параметров волн и течений носила высокодостоверный одновременный характер. Так как анализировались только три эксперимента в различных частях Мирового океана, возник вопрос о репрезентативности выводов применительно ко всему Мировому океану. Впоследствии учёными [Бондаренко, Борисов, Жмур, 2008] было доказано, что течения всего Мирового океана в значительной степени длинноволновые, сформированные волнами Россби. При исследованиях использовались многочисленные дрифтерные наблюдения. Однако, как и прежде, механизм формирования течений волнами объяснён не был. Работы продолжались и механизм формирования крупномасштабных течений волнами Россби был установлен [Бондаренко, Жмур, 2006]. Показано, что крупномасштабные длинноволновые течения представляют собой не что иное, как орбитальные движения частиц волн и их волновой перенос (типа Лагранжева или Стоксова переносов). Исследования базировались на анализе натурной информации, впрочем как и все предыдущие. Проведены многочисленные измерения течений, температуры воды и солёности. Установлено, что линии токов волн напоминают линии токов Большой уединённой волны, открытой Дж. Расселом в 1834г, которую впоследствии назвали солитоном [Макеев, 2010]. Знакомясь в Интернете с литературой по волнам Россби мы обнаружили статью [Бетяев, 2007], из которой следовало, что К. Россби имел представления о природе океанских течений такие же, как и мы. Поскольку это важно, приведём дословно выдержку из статьи: “Они называются вихрями Россби в честь выдающегося шведского геофизика Карла Густава Россби (1898–1957), который обнаружил фундаментальную роль таких вихрей в динамике океана и в глобальной циркуляции атмосферы. Планетарные течения, такие, как Гольфстрим, Куросио – всё это вихри Россби”. Вихри Россби и волны Россби это одни и те же образования. Сейчас эти образования называют волнами Россби. К этому выводу К. Россби пришёл не зная о существовании волн Россби в океане, их обнаружили только в шестидесятых годах. Также показано [Бондаренко, Жмур, 2007], что в основном эти движения частиц воды волн Россби в горизонтальной и вертикальной плоскостях ответственны за формирование термохалинного поля вод Мирового океана и его поверхности, а поэтому оказывают существенное влияние на погоду и климат Земли. Так, волны Россби формируют некоторые всем известные явления: крупномасштабные течения (отмечалось раньше), апвеллинг-даунвелинг, Эль-Ниньо - Ла-Нинья, пассаты, тайфуны и т.д. [Бондаренко, 1998, Бондаренко, Жмур, 2004]. Следует обратить внимание на то, что градиентные, дрейфовые и волновые течения это принципиально различные формы движения воды, обладающие различными свойствами, параметрами, характером связи с источником их возбуждения. Достаточно отметить, что волновые течения, орбитальные движения частиц воды обладают свойством суперпозиции, отсюда и отсутствием потерь энергии на трение и турбулентность. В то же время градиентные и дрейфовые течения обладают противоположными свойствами: взаимного влияния движений частиц воды в потоке и, отсюда, наличием турбулентности, и как следствие этого - большими потерями энергии (особенно в ветровых течениях). При проведении натурных и теоретических исследований течений учёный должен знать, что измерено при регистрации океанских и морских течений различными методами и приборами. Выясняется, что зачастую измерения волновых течений неадекватно отражают реальное развитие процесса, а отсюда возникают и ложные представления о течениях и их свойствах. Данная работа носит экспериментально-теоретический характер. При выполнении исследований автор активно использовал натурные наблюдения, значимые по информативности. Предложенные новые представления о течениях обоснованы тщательным и разносторонним анализом натурных наблюдений течений, температуры морской воды и её солености. В исследованиях использованы стационарные наблюдения течений и температуры морской воды, многочисленные дрифтерные измерения этих же параметров, съёмки температуры поверхности океана из космоса. Приведен богатый по информативности натурный материал по течениям, который может быть использован в дальнейших исследованиях. О конкретном содержании монографии можно судить по названиям глав, отражающих суть работы, и кратким аннотациям к главам. В работе приведены: - схемы течений Мирового океана, созданные исследователями в основном до конца ХХ в и нашими. Даётся краткое описание течений, изображенных на схемах и их анализ, а также сравнительный анализ различных схем с точки зрения оценки достоверности изображённых на них течений (гл. I.). - общие представления о динамике основных видов течений, которые по их кинематическим свойствам можно разделить на градиентные или термохалинные, ветровые (дрейфовые) и длинноволновые (гл. II). - экспериментальные исследования долгопериодных волн Россби и течений. Демонстрируется одновременная, высокодостоверная корреляционная связь волн и течений. Анализируя эти связи и многочисленные измерения течений дрифтерами, авторы названных выше работ пришли к выводу, что динамику вод Мирового океана в значительной степени определяют течения долгопериодных волн (гл. III). - сведения о долгопериодных волнах экспериментального и теоретического характера, о реально наблюдаемых в океанах и морях волнах, сопоставительный анализ их и теории. Отмечается, что реально наблюдаемые волны имеют существенные различия с их теоретическими идентификаторами. Из этого делается вывод, что реально наблюдаемые волны не достаточно полно описаны математически (гл.IV). - экспериментальные исследования инерционных волн. Показано, что эти постоянно наблюдаемые, энергетически устойчивые явления представлены в виде волнового поля с большим временем жизни и возбуждения; изменение скорости течений инерционных волн существенно определяется закономерностью их модуляционного построения (гл.V). - на примере Гольфстрима показано, что собой представляют крупномасштабные течения и как они формируются волнами Россби (гл.VI). - закономерности формирования глубинных и поверхностных противотечений Мирового океана волнами Россби (гл. VII). - закономерности поступления тёплых вод Атлантики в Северный Ледовитый океан в виде турбулентного обмена вод океанов, но не адвективно (гл. VIII). - оценка принятых методов измерения, которые не обеспечивают получение репрезентативной информации о волновых течениях океанов и морей. Исследователи, использующие эту информацию зачастую получают неверные представления о волновых течениях и самих волнах (гл. IX). - закономерности формирования волнами Россби термохалинного поля вод морей и океанов, когда вертикальные движения частиц воды в реальных волнах Россби формируют температуру воды морей и океанов и тем самым температуру их поверхности (гл. X). - экспериментальные исследования апвеллинга–даунвеллинга прибрежной зоны моря, который формируется континентальными шельфовыми волнами и связанными с ними физически и корреляционно крупномасштабными течениями (гл. XI). - закономерности формирования явления Эль-Ниньо – Ла-Нинья. Показано: это не что иное как апвеллинг-даунвеллинг и формируется волнами Россби и крупномасштабными течениями. Получена хорошая корреляционная зависимость амплитуд колебаний скорости течения волн с температурой океанской поверхности, показателем развития Эль-Ниньо – Ла-Нинья (гл. XII). - закономерности формирования атмосферных вихрей волнами Россби. Установлено, что волны создают подъём воды и тем самым формируют температуру поверхности океанов в виде аномалий округлой формы. В свою очередь эти аномалии формируют атмосферные, которые поддерживаются и развиваются за счёт передачи тепловой энергии океана, подаваемой волнами на его поверхность (гл. XIII). - закономерности теплового взаимодействия океана и атмосферы. Показано, что оно в основном осуществляется с помощью волн Россби. Прослеживается устойчивая связь течений волн Россби с температурой поверхностных вод океана. В свою очередь изменения температуры вод океана сказываются на изменениях температурного режима атмосферы, а отсюда - погоды и климата Земли (гл. XIV). - методы измерения течений и их анализ. Показано какие из них обеспечивают получение репрезентативной информации и какие – не обеспечивают (гл. XV).
Глава I. Общие представления о течениях Мирового океана. Схемы течений.
Приведены схемы течений Мирового океана, созданные исследователями в основном до конца ХХ в и наши. Даётся краткое описание течений, изображенных на схемах и их анализ, а также сравнительный анализ различных схем с точки зрения оценки достоверности изображённых на них течений. Некоторые схемы крупномасштабных течений ХХ в. При построении этих схем их авторы использовали некие свои представления о течениях и весьма ограниченные натурные сведения о них, полученные в основном по информации о сносе судов в океане. В некоторых случаях течения рассчитывались динамическим методом по информации о плотности воды. Приведём здесь только некоторые из известных в океанологической практике схем течений: Схема Шота средних многолетних течений Мирового океана для зимы Северного полушария, построенная в 1943г [Каменкович, Кошляков, Монин, 1982] (рис. 1), схема Крупномасштабных течений на поверхности Мирового океана [Каменкович, Кошляков, Монин, 1982] (рис. 2), схемы течений Мирового океана [Большой Советский атлас Мира] (рис. 3), схема основных черт циркуляции поверхностных вод Северной Атлантики по Сведрупу, Джонсону и Флемингу [Стоммел, 1963] (рис.4), схема течений Гольфстрима, построенная Франклином [Пери, Уокер, 1979] (рис. 5), схемы течений внутренних морей: Чёрного (а) и Каспийского (б) моря [Книпович, 1921, 1933] (рис. 6). Схемы течений Мирового океана автора. Приведены схемы среднемноголетних течений, полученных по данным многочисленных дрифтерных их измерений и описание режимных характеристик по этим измерениям и информации, полученной по данным стационарных измерений течений. В составлении схем течений активно участвовал сотрудник Государственного океанографического института О.П. Никитин. Пользуясь случаем, выражаем ему благодарность.
Рис. 1. Схема средних многолетних поверхностных течений Мирового океана для зимы северного полушария (Schott, 1943). Фронты: СПФ – северный полярный; САФ – субантарктический (субтропическая конвергенция); ЮПФ – южный полярный (антарктическая конвергенция). Дивергенции: СПД – субполярная; СТД – северная тропическая; ЮТД – южная тропическая; АД – антарктическая. Конвергенции: ССТК – северная субтропическая; СТК – северная тропическая; ЮТК – южная тропическая; ЮСТК – южная субтропическая. Течения (цифры в кружочках): 1 –Агульясское, 2 – Алеутское, 3 – Аляскинское, 4 – Антарктическое круговое (Антарктическое Циркумполярное), 5 – Антильское, 6 – Бенгельское, 7 – Бразильское, 8 – Восточно-Австралийское, 9 – Восточно-Гренландское, 10 – Восточных ветров, 11 – Гвианское, 12 – Гольфстрим, 13 – Западно-Австралийское, 14 – Западно-Гренландское, 15 – Ирмингера, 16 – Калифорнийское, 17 – Канарское, 18 – Куросио. 19 – Лабрадорское, 20 – Межпассатные противотечения, 21 – Мозамбикское, 22 – Мыса Горн, 23 – Ново-Гвинейское, 24 – Норвежское, 25 – Ойясио, 26 – Перуанское, 27 – Португальское, 28 – Северо-Атлантическое, 29 – Северо-Тихоокеанское, 30 – Северо-Восточное муссонное, 31 – Северные пассатные, 32 – Сомалийское, 33- Флоридское, 34 – Фолклендское, 35 – Формозское, 36 – Южные пассатные. Устойчивость течений (характеризуемая длинной стрелок): 1 – устойчивы, 2 – выше средней, 3 – ниже средней, 4 – неустойчивы. Скорость течений (характеризуемая шириной стрелок), см/с: 5 – больше 77 см/с, 6 - от 51 до 77 см/с, 7 – от 26 до 51 см/с, 8 – от 0 до 26 см/с. Рис.2.Схема Крупномасштабных течений на поверхности Мирового океана [Каменкович, Кошляков, Монин, 1987]. А н т а р к т и к а: 1 – Прибрежное антарктическое, 2 – Антарктическое циркумполярное. Т и х и й о к е а н: 3 – Западно-Новозеландское, 4 – Восточно-Новозеландское, 5 – Восточно-Австралийское, 6 – Южно-Тихоокеанское, 7 – Перуанское, 8 – Южное пассатное, 9 – Эль-ниñо, 10 – Межпассатное противотечение, 11 – Минданао, 12 – Северное пассатное, 13 – Мексиканское, 14 – Калифорнийское, 15 – Формозское, 16 – Куросио, 17 – Северо-Тихоокеанское, 18 – Курильское, 19 – Аляскинское, 20 – Восточно-Беринговоморское. И н д и й с к и й о к е а н: 3 – Южно-Индоокеанское, 4 – Мадагаскарское, 5 – Западно-Австралийское, 6 – Южное пассатное, 7 – Сомалийское, 8 – Западно-Аравийское, 9 – Восточно-Аравийское, 10 – Западно-Бенгальское, 11 – Восточно-Бенгальское, 12 – Экваториальное противотечение, 13 – Мыса Игольного. А т л а н т и ч е с к и й о к е а н: 3 – Фолклендское, 4 – Южно-Атлантическое, 5 – Бразильское, 6 – Бенгельское, 7 – Южное пассатное, 8 – Ангольское, 9 – Гвианское, 10 – Межпассатное противотечение, 11 – Гвинейское, 12 – Зелёного Мыса, 13 – Антильское, 14 – Северное пассатное, 15 – Канарское, 16 – Гольфстрим, 17 – Северо-Атлантическое, 18 – Лабрадорское, 19 – Ирмингера, 20 – Баффиново, 21 – Западно-Гренландское. А р к т и к а: вежское, 2 – Нордкапское, 3 – Восточно-Гренландское, 4 – Западное Арктическое, 5 – Тихоокеанское. Линии из кружочков – дивергенции, из крестиков – конвергенции.
Рис.3. Схема течений Мирового океана (Большой Советский атлас Мира).
Рис. 4. Схема основных черт циркуляции поверхностных вод в Северной Атлантике, по Свердрупу, Джонсону и Флемингу (Стоммел, 1942).
Рис. 5. Схема Гольфстрима, построенная Франклином [Пери, Уокер, 1979]
Рис.6.Схемы крупномасштабных течений Чёрного (а) и Каспийского (б) моря. Упрощённый вариант автора схем [Книпович,1921, 1933].
Тихий океан. Приведены: векторы средних по ансамблю дрифтерных наблюдений течений Северного (а) и Южного (б) полушарий Тихого океана (рис. 7а, б.), трассы дрифтеров, запущенных в воды Северного (а) и Южного (б) полушарий Тихого океана (Рис. 8а, б). Красным цветом выделены участки трасс дрифтеров, в которых их скорость перемещения, следовательно, и скорость течения превышала 50 (а) см/с, а жёлтым цветом - меньше указанных значений. На (рис. 9а, б.) изображены трассы дрифтеров, запущенных в воды Северного (а) и Южного (б) полушарий Тихого океана. Красным цветом выделены участки трасс дрифтеров, в которых их скорость перемещения, следовательно, и скорость -течения превышала 75 (б) см/с, а жёлтым цветом - меньше указанных значений. Заметно выделяются течения с большими скоростями: среди них Куросио (1) со скоростями ~ 40 – 50 см/c и Восточно-Австралийское (2) со скоростями ~ 30 cм/с, Приэкваториальные и Циркумполярное. Приэкваториальные течения (назовём их так) охватывают зону приблизительно от 15о с. ш. до 8о ю. ш. и имеют западное направление, за исключением полосы шириной ~ 300 км около 8о с. ш., которые, скорее всего, на схемах рис. 1,2 , названы Межпассатным противотечением.
Рис. 7а, б. Векторы средних по ансамблю дрифтерных наблюдений течений Северного (а) и Южного (б) полушарий Тихого океана. 1 – Куросио, 2 – Восточно- Австралийское, 3 – Калифорнийское, 4 – Перуанское течение. В зону Приэкваториальных течений входят Северные и Южные пассатные течения. Максимальные скорости поверхностных течений на экваторе, ~ 25 см/с и уменьшаются к северу и югу до скоростей ~ 10 cм/с. Напомню, что здесь речь идёт о средне годовых течениях. В приэкваториальных течениях выделяются полосы направленные вдоль экватора в которых течение направлено на запад или восток. Так в полосе, южная граница которой проходит по параллели 80 с.ш. течения западные, в полосе между 80 с.ш. и 50 с.ш.- восточные, далее на юг течения западные. Фактически все приэкваториальные течения, за исключением течений в полосе 80 с.ш. - 50 с.ш. направлены на запад. В последние двадцать пять лет на экваторе Тихого океана по программе TOGA TAO выполнены продолжительные (с 1982г по настоящее время) стационарные измерения течений на различных горизонтах, что позволило надёжно установить их режимные характеристики.
Продолжение...
Сведения об авторе.
|
