Альберт Леонидович Бондаренко
Крупномасштабные течения
и долгопериодные волны
Мирового океана
Глава IX
Что собой представляют океанские и морские течения, движения воды?
Что измеряется приборами?
Приведены
исследования, показывающие, что длинноволновые течения принципиально отличны от
градиентных и дрейфовых. В этом случае принятые методы измерения не
обеспечивают получение репрезентативной информации о длинноволновых течениях
океанов и морей. Исследователи, использующие эту информацию, получают неверные
представления о длинноволновых течениях и
процессах, их создающих.
Под течениями обычно понимается перемещение водных масс в пространстве. Каких по объёму масс, не оговаривается. Скорее всего составители этого понятия считали, что в природе происходит некое однородное по относительно большому пространству перемещение водных масс. Видно, считалось, что если в некой фиксированной точке течение имеет определённые параметры, то и в соседнем значительно удалённом окружении параметры течения такие же. Представлялось, что масса воды движется в пространстве, как единое целое, адвективно. В этом случае считалось, что измеренные параметры течений можно приписывать течениям значительно удалённым от точки измерения.
Более детальные исследования структуры океанских течений показало, что это далеко не так. Может оказаться, что в ближайшем окружении течения будут иметь совершенно различные параметры. Так отмечены случаи, когда запущенные одновременно в фиксированной точке дрифтеры “разбегались” в различных направлениях. Скорее всего, учитывая такую сложную структуру течений, А. Лакомб [Ла Комб, 1974] дал иное определение течений: течение это движение частиц воды. Скорее всего элементарных, на уровне молекул. На наш взгляд это обобщающее и более правильное определение. Для решения ряда задач исследователя интересует информация о пути движения отдельных частиц воды, а отсюда и в целом массы воды. Например, такая задача стоит при исследовании обмена вод океанов.
Ранее мы выделяли два вида течений, движений воды: движения воды в дрейфовых, градиентных течениях и в волновых. В дрейфовых и градиентных течениях движения частиц воды происходят в связанном режиме, в виде движений массы воды как некоего единого целого по некоторому объёму. В этом случае понятие течений можно было бы сформулировать и так: течение это движение некоторых объёмов воды, предположим, соизмеримых с приёмной частью измерителя течений или больших объёмов. Определение понятия течения, данное А. Ла Комбом, может быть одинаково применимо к этим двум видам движения воды.
При градиентных или дрейфовых течениях приёмник измерителя течений “работает” в режиме присоединённой массы воды и показания будут соответствовать движениям масс воды. Например, по параметрам движения дрифтера в этом случае можно определить сколько, куда и с какой скоростью воды перемещается.
В волновых течениях приёмная часть прибора “работает” в режиме воздействий на неё движений частиц волны, движущихся каждая по своей орбите. Отдельные частицы воды волн, распространяющиеся в режиме суперпозиции, воздействуют на приёмную часть прибора, и она воспринимает их как силу суммарного воздействия. В этом случае направление результирующей силы воздействия частиц воды не обязательно совпадает с направлением перемещения частиц воды, а следовательно, и масс воды. Поэтому в данном случае по показаниям прибора невозможно доказательно определить направление перемещения масс воды. Предположим, частицы и, следовательно, массы двух волн перемещаются в разных направлениях. Тогда сила воздействия на прибор равна векторной сумме сил воздействий частиц воды этих двух волн.
Применительно к дрейфовым и градиентным течениям всё ясно. Прибор тарируется в режиме градиентного потока, поэтому по показаниям прибора мы правомерно переходим к параметрам движения масс воды. В волновых течениях много неопределённого и непонятного. С помощью прибора, тарированного по градиентным течениям, мы пытаемся определить параметры волнового течения, существенно отличного от градиентного течения.
Можно рассмотреть два варианта построения волн - солитонов Россби: волны - солитоны изолированы друг от друга (рис. 39а) и совмещены (39б). В первом варианте на дрифтер оказывает влияние силовое поле только одной волны, в которой он находится (рис.39а), во втором – и силовое поле соседних волн - солитонов (рис. 39б).
Рис. 39а, б. Линии токов в волнах Россби – солитонах: изолированных друг от друга (а), и совмещённых (б). Линии токов представлены в виде эллипсов, стрелки – направление течений.
Мгновенно течения (орбитальные движения частиц воды) будут направлены по линиям токов в сторону направления стрелок. Скорость течения будет пропорциональна плотности линий токов, и в районе линии 1-5 она будет максимальной. Допустим, что эти волны - солитоны распространяются влево с некой фазовой скоростью. В точках 2, 4 скорости течений будут максимальны, а в точках 1, 3, 5 – равны нулю. Тогда, если измерительный прибор установить в точке 1 стационарно, то при движении волн - солитонов будет зафиксировано пульсирующее течение, направленное вправо, скорость которого будет меняться от нуля (в изолированных солитонах) или от некоторой величины (в совмещённых солитонах), до некоторого максимума и затем снова до нуля, далее всё будет повторяться. Время пульсаций скорости течений будет равно периоду волн Россби, т.е. времени прохождения волны мимо неподвижной точки, предположим мимо измерителя течений, первоначально установленного, предположим, в точке 1. Нечто подобное в реальности, когда течения пульсируют, мы уже наблюдали (рис. 23а, б, в, г).
Если отфильтровать по “записи” эти пульсации, то будет выделена некая квазипостоянная однонаправленная часть течений, которая исследователями обычно рассматривается, как постоянное течение и переменное, пульсирующее волновое течение с периодом волн Россби. В подобных случаях считается, что масса воды перемещается по линии 1 - 5 вправо. Это фикция, регистрируемая прибором. На самом деле волны не переносят одно направленно массы воды и это хорошо известно исследователям, а масса воды в виде орбитальных движений частиц воды вращается в волне по траекториям схожим с линиями токов вокруг некоего неподвижного положения равновесия (рис.28а, б). Эта проблема уже рассматривалась нами в гл.III.
При фазовой скорости равной нулю траектории движений частиц волны совпадают с линиями токов. В противном случае они различаются, окружность траектории будет меньше окружности линий токов. В реальности в районе Гольфстрима нередко нам приходилось наблюдать вращательные движения дрифтера с диаметром окружности 50 км при длине волн Россби порядка 200 – 300 км.
Если стационарно установленные приборы разместить несколько в стороне от линии 1 – 5, в области I – I’ – II – II’, то они зафиксируют пульсирующие течения, вектор которых будет меняться не только по модулю, но и направлению, и постоянные. При этом в области I – I’ – II – II’ постоянные течения будут сильными (на рис 39а, б они обозначены большими жирными стрелками). За пределами этой области, например, выше III – III’ или ниже IV – IV’ течения будут слабыми и направлены в противоположную сторону (обозначены пунктирными стрелками).
Если течения измерять дрифтерами, в изолированных или совмещённых волнах - солитонах, (рис. 39а, б) и их выпустить вдоль линии 1 – 5, предположим в точке 1, то они зафиксируют такие же течения, как и при стационарных измерениях, с теми же пульсациями. Но за счет Допплерова эффекта период их будет несколько отличен от периода волн Россби, т.е. за счёт движения измерителя течений – дрифтера.
Если дрифтер поместить в изолированные волны - солитоны (рис. 39а), то он будет отслеживать орбитальные движения частиц воды солитона, т.е. перемещения масс воды, что в принципе и требуется при регистрации течений.
Если солитоны будут совмещены, то на движения дрифтера будет влиять движения частиц воды обоих солитонов и в этом случае будет зафиксирована картина течений схожая с картиной регистрации течений в стационарном режиме. Будет зафиксирована некоторая пульсирующая и постоянная часть течений в виде сильных и слабых течений, как показано на рис. 39б.
Рис. 40. Линии токов в волнах Россби – солитонах (по вертикальному сечению).
Следует отметить, что существует много моделей волн Россби, но не одна из них не похожа на реальные волны, даже на качественном уровне. Поэтому мы больше ориентируемся на натуру, т. е. на реальные измерения течений. Согласно исследованиям автора, такие вихреобразные движения воды существуют не в Гольфстриме, а с его боков и в экваториальных течениях океанов. В струе Гольфстрима должны существовать вращательные вихреобразные движения воды в вертикальной плоскости, на что указывает пульсирующий характер модуля скорости течений и появление аномалий температуры воды. Последнее указывает на подъём глубинных вод на поверхность океана и опускание поверхностных вод на глубину. Течения пульсируют не только в Гольстриме, но и за его пределами, что указывает на то, что вращения воды происходят в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Вертикальные скорости течений малы. Так, при скорости течений Гольфстрима 1 м/с, скорость вертикальных движений небольшая, всего 1 мм/с.
Если измерять течения стационарно в фиксированных точках у поверхности воды или на различных горизонтах или с помощью дрифтера у поверхности моря, то получим картину течений схожую, описанной ранее.
Таким образом, при измерениях течений волн Россби в морях и океанах получаем в основном ложное представление о течениях, поскольку прибор регистрирует не движения отдельных, определённых частиц воды волны перемещающихся по своим орбитам, а некое суммарное воздействие различных частиц воды последовательно разных орбит. Фактически мы не регистрируем движения частиц воды – течения, не отслеживаем перемещения частиц воды, что в принципе следует делать, а регистрируем их воздействие на прибор, что, как видим, не одно и то же. Постоянных течений нет, но они в измерениях получаются, переменные течения регистрируются в виде движений воды, пульсаций совершенно не похожих на движения частиц воды в волнах Россби.
Таким образом, при регистрации волн Россби зачастую в измерениях получается картина, в которой ложно присутствуют постоянные течения и в искажённом виде течения волн Россби. В подобной ситуации мы не можем строго доказательно по движениям дрифтера или показаниям стационарно установленного прибора определить реальные течения, их величину и направление. Из анализа следует, что, скорее всего, волновые течения, перемещения масс воды в волне крайне незначительны.
Вполне естественно задать вопрос: дрифтер движется быстро под воздействием частиц воды, судя по всему сильных воздействий. Значит, частицы должны быстро перемещаться! Но мы видим, что массы воды перемещаются крайне медленно. Тогда можно допустить, что частицы воды перемещаются, в виде импульсов: быстрого и кратковременного движения и более продолжительной остановки.
Из изложенного становится понятным, почему “течения” вроде бы существуют и регистрируются, а массы воды не переносятся, почему воды не перемешиваются или перемешиваются слабо и многое другое. Эта проблема требует дальнейшего изучения. Ведь без её решения мы не можем решить проблему движения масс воды в океане, а отсюда и многое другое, связанное с этими движениями. Нам кажется, что для решения этой проблемы следует использовать информацию о движениях водных масс или меченных частиц воды, например, облучённых.
Мы уже ранее демонстрировали на примере океанских волновых течений, что дрифтер может перемещаться в пространстве однонаправлено, хотя и пульсационно, в то время, как частицы воды, а следовательно, и массы воды, перемещаются около некоего положения равновесия, т.е. адвективно вместе с дрифтером не перемещаются. Это одна сторона проблемы волновых движений и их измерений. С другой стороны мы отмечали, что прибор реагирует на воздействия частиц воды, “удары” частиц воды по прибору. Но как сопоставить показания прибора с ударами и движениями частиц воды, а отсюда и перемещениями масс воды мы не знаем.
Ранее мы чисто условно приняли, что вектор течений, т.е. движений частиц воды в определённый момент времени направлен вдоль линий токов, а скорость движения частиц воды, скорость течения равна плотности линий токов. Но прибор измеряет удары частиц, а не скорость их движения. Как их сопоставить? Как перейти от показаний прибора к скорости движения частиц воды и, отсюда, перемещению водных масс мы не знаем. Таким образом в данном случае течения, как перемещения масс воды мы не измеряем, а измеряем некое воздействие частиц воды на прибор. Только предполагаем, что скорость перемещения частиц, а отсюда и масс воды соответствует течению по показаниям прибора.
Наблюдения указывают на то, что это так и есть. Так в [Бондаренко и др., 1985, Бондаренко и др., 1987, Бондаренко, 1993] приводится случай наблюдения перемещения гидрофронта по солёности через два пункта расположенных в центре мелководного Северного Каспия, в которых измерялось течение и соленость. В какой-то момент времени через эти пункты прошёл на север гидрофронт. Гидрофронт был зафиксирован первоначально в точке расположенной южнее, а затем севернее. Скорость движения гидрофронта равна расстоянию между пунктами, деленному на разность времени фиксации гидрофронта в двух точках. Эта скорость движения гидрофронта оказалась равной скорости течения, в данном случае равного ~ 25 см/с. Всё это свидетельствует, что масса воды в волнах перемещается со скоростью измеренного течения.
Однако по другим, весьма многочисленным наблюдениям, этого вывода сделать нельзя. Вот некоторые из примеров.
Первый пример. Измерение дрифтерами течений Гольфстрима. На рис. 22б приведена типичная трасса дрифтера, запущенного в Гольфстрим, на рис. 23б модуль скорости его движения. Считается, что скорость движения дрифтера равна скорости движения воды, т.е. скорости течения. Хотя этот вывод не однозначен и его следует обосновывать. Мы видим (рис.22б), что дрифтер совершает преимущественно однонаправленные движения. Но модуль его скорости меняется квазипериодически от величины, равной приблизительно нулю до некоторой существенной величины, т.е. модуль скорости движения дрифтера пульсирует (рис.23б) и очень быстро, с периодом волн Россби в 10 – 20 суток. Подобным образом ведут себя дрифтеры и в других крупномасштабных течениях (см. рис. 21а, б, в, г, 22а, б, в, г, рис.23а, б, в, г). Если придерживаться принятых представлений о природе течений как градиентных, термохалинных и геострофических, то невозможно объяснить, какая причина и сила заставляет массы воды вести себя таким образом: останавливаться, набирать скорость, снова останавливаться и т.д. По измерениям течений с помощью фильтра выделяем однонаправленное квазипостоянное и квазипериодическое пульсирующее течение. Необъяснимым является, также и следующее. Хорошо известно, что воды Гольфстрима сформированы склоновыми водами с севера и северо-запада, а также водами Саргасова моря, но не Мексиканского залива. Из Мексиканского залива в океан вода практически не поступает. Это удивляет исследователей, течение существует, мы видим (рис. 21б), а вода не поступает. В это трудно даже поверить, но это так. Как это объяснить? На этот вопрос ответ был дан. Мы уже отмечали, что океанские и морские течения, в данном случае Гольфстрима, сформированы течениями волн. Вместе с тем хорошо известно, что волны однонаправленно воды не переносят, а отсюда и сформированное ими течение не переносит однонаправленно воды. Вот почему, течение выходит из Мексиканского залива, а воды из залива не поступают в Гольфстрим.
Второй пример. Измерение дрифтерами течений Чёрного моря. Чаще всего дрифтеры перемещаются вдоль кромки шельфа, преимущественно приблизительно вдоль линии равной плотности воды, изопикнов. Считается, что такие течения термохалинные, геострофические, что вроде бы и не противоречит таким ситуациям. Так ведут себя течения часто, но далеко не всегда. Иногда дрифтеры перемещаются не параллельно изопикнам, а под некоторым углом, нередко соизмеримым с 90o (рис. 22а). Дрифтер нередко очень быстро пересекает Чёрное море, приблизительно за две недели, средняя скорость его движения бывает большой, порядка 20 – 40 см/c и при этом пульсирует (cм. рис. 23а). В этой ситуации трудно объяснимо является то, что движения дрифтера и, предположительно, течения направлены не вдоль изохалин. Дрифтер движется одинаково как в сторону увеличения плотности воды, так и против увеличения. Такое течение не может быть геострофическим и даже просто градиентным. Понятно, что оно длинноволновое.
Поскольку дрифтер пересекает море очень быстро и с большой скоростью, то и массы воды вроде бы должны быстро переноситься и перемешиваться. Но, судя по всему, они не переносятся и не перемешиваются, а остаются на месте. всегда более плотные воды находятся в центральной части моря, а менее плотные - на окраине. Как это объяснить? Всё также. Волны не переносят масс воды, а отсюда они остаются на месте.
Третий пример. В водах мелководного Северного Каспия обычно доминируют течения долгопериодных волн, приходящих из Среднего Каспия [Бондаренко, 1993] . Скорости волновых течений достигают больших величин, порядка 60 см/с, но они не создают заметных изменений уровня моря. Однако при ветре возникают дрейфовые течения, именно они заметно измененяют уровнь моря. Колебания уровня моря хорошо коррелируют с параметрами ветра, его скоростью, направлением и продолжительностью действия.
Каковы же при этом бывают скорости течений? Автор настоящей работы исследовал этот вопрос. Так, во время знаменитого шторма 1952г [Бондаренко, 2001], создавшего катастрофический подъём уровня моря в Северо-восточной части Северного Каспия до четырех метров, средние скорости дрейфовых течений составляли всего 5 см/с.
Волновые течения не переносят воду однонаправленно или переносят её в крайне малых количествах, предположим, в виде Лагранжева или Стоксова переносов. С другой стороны, орбитальные движения частиц воды в волнах это не что иное, как периодические волновые течения. Таким образом волна имеет периодические, квазипериодические и однонаправленные поступательные движения воды, течения. Эти течения слабо проявляются в движениях уровня моря и, следовательно, в перемещениях масс воды. Значит эти течения крайне малы.
Итак. В морях и океанах доминируют длинноволновые течения, в основном сформированные волнами Россби, но не градиентные геострофические и ветровые. Фактически это течения волн, они образованы орбитальными движениями частиц воды волн и их волновым переносом. Волны не переносят массы воды в пространстве, а следовательно и течения их не переносят. Частицы воды волн перемещаются в режиме суперпозиции. Условно принято, что скорость течения пропорциональна плотности линий токов. Что представляют волновые течения, как движения воды? Нам не ясно, как перейти от измеренной скорости течения к перемещениям воды волной. Чисто условно считаем, что масса переносится со скоростью течения измеренного прибором.
Сведения об авторе.
Альберт Леонидович Бондаренко, океанолог, доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Института водных проблем РАН. Область научных интересов: динамика вод Мирового океана, взаимодействие океана и атмосферы. Достижения: доказательство существенного влияния океанических волн Россби на формирование термодинамики океана и атмосферы, погоды и климата Земли.