Альберт Леонидович Бондаренко
Крупномасштабные течения
и долгопериодные волны
Мирового океана
ПРЕДИСЛОВИЕ
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,
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, наряду со словом “течения” подразумеваются конкретные
движения, перемещения масс воды. Чтобы различить оба понятия, к слову “течения”
мы будем иногда использовать 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 стрелке. 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 XX-го века 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, Бондаренко и др., 1993, Бондаренко,
1994, Бондаренко, 1998, 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, Монин и др., 1974, 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 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 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, 2007].
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, Незлин, 1986].
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 их называют волнами Россби. К этому
выводу К. Россби пришёл, не зная о существовании волн Россби в океане, их
обнаружили только в шестидесятых годах прошлого столетия.
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, Бондаренко, Жмур, 2005, Бондаренко,
2006, Бондаренко, Серых, 2010, 2011].
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 зарубежными исследователями в основном до конца ХХ в и автора
монографии. Даётся краткое описание течений, изображенных на схемах и их анализ с точки зрения оценки
достоверности показанных 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,
делается вывод, 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. (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 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 вихри, 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);
-
основы динамики океана и атмосферы: общее и различия. Показано, что динамика
океанов и атмосферы во многом схожа. В океанах и атмосфере существуют волны
солитоны. В океанах они формируют практически все основные движения воды,
течения, а в атмосфере – движения воздуха, ветер и такие образования, как
циклоны и антициклоны (гл. XV).
-
методы измерения течений и их анализ. Показано, какие из них обеспечивают
получение репрезентативной информации и какие – не обеспечивают (гл. XVI).
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.