Альберт Леонидович Бондаренко
Крупномасштабные течения
и долгопериодные волны
Мирового океана
Глава I
Общие представления о течениях Мирового океана
Схемы течений
Приведены схемы течений Мирового океана, созданные исследователями в основном до конца ХХ в и автора монографии. 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, созданныев в 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 В. Франклином в 1770г [Пери, Уокер, 1979] (рис. 5), схемы течений внутренних морей: Чёрного (а) и Каспийского (б) моря [Книпович, 1921, 1933] (рис. 6).
Схемы течений Мирового океана, созданные автором данной работы. 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, выражаю 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-Ниньо, 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: Норвежское, 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).
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.
Рис. 4. Схема основных черт циркуляции поверхностных вод в Северной Атлантике, по Свердрупу, Джонсону и Флемингу (Стоммел, 1942).
Рис. 5. Схема Гольфстрима, построенная В. Франклином в 1770 г. [Пери, Уокер, 1979]
Рис.6. Схемы крупномасштабных течений Чёрного (а) и Каспийского (б) морей. Упрощённый вариант автора схем [Книпович,1921, 1933].
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.
В зону Приэкваториальных течений входят Северные и Южные пассатные течения. Максимальные скорости поверхностных течений на Экваторе, ~ 25 см/с, они уменьшаются к северу и югу до ~ 10 cм/с. уточню, что здесь речь идёт о среднегодовых 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.
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 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.
Рис. 8а, б. 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 50 (а) см/с, а жёлтым цветом - меньше указанных значений.
Рис. 9а, б. 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.
В Приэкваториальной зоне существует (по измерениям на Экваторе) две системы течений: переменные - с годовой периодичностью в направлениях запад – восток, и подповерхностные постоянные, направленные на восток.
Максимальные скорости переменных течений наблюдаются у поверхности, до 0,8 м/с, с глубиной они уменьшаются до нуля на горизонте ~ 270 м. Эти переменные по скорости и направлению течения носят сезонный характер. Летом для Северного полушария переменное течение направлено на запад, а зимой на восток.
Максимальные скорости постоянных течений наблюдаются на Экваторе на горизонте ~ 80 м, с глубиной и к поверхности океана они уменьшаются: на горизонте 270 м они практически равны нулю, а у поверхности имеют западное направление со скоростью ~ 30 cм/c. В целом воды этим течением переносятся на восток, и только небольшой слой воды до горизонта 25 м у поверхности океана переносится на запад. Это постоянное подповерхностное течение, получившее название течения Кромвелля, прослеживается до 2о северной и южной широты. Более подробно о экваториальных течениях Тихого океана изложено в гл. XII.
Циркумполярное течение, направленное на восток, прослеживается от 50о ю. ш. на севере и, скорее всего, на юге до Антарктиды. Скорости ~ 20 – 30 cм/с. Около Антарктиды измерения течений дрифтерами не производились, поскольку океан покрыт льдами. Согласно схеме Шотта (рис.1) непосредственно около берегов Антарктиды существует течение, направленное в сторону противоположную Циркумполярному течению. Оно получило название течения Восточных ветров. Хотя, как мы увидим в дальнейшем, оно никакого отношения к ветрам не имеет, природа его иная. Скорее всего, такое течение действительно существует, поскольку существует некая закономерность его образования. Этот вопрос мы рассмотрим позже, в гл.VI, VII.
Если взять за образец течение Гольфстрим и Приэкваториальные течения Тихого океана, которые нам хорошо знакомы, то можно допустить, что области с большими скоростями течений в струйных течениях западных пограничных и экваториальных областей океанов сосредоточены в верхнем слое океана, до горизонта 300 – 500 м. Отсюда можно допустить, что такие течения, как Куросио и Циркумполярное, также сосредоточены в верхнем слое океана. Обычно под течением существует глубинное противотечение, а с обоих сторон течения – поверхностные противотечения. Эти противотечения гораздо слабее самого течения. Так около Гольфстрима, средняя скорость которого 0,5 – 1 м/с, поверхностные противотечения имеют скорости ~ 5 - 10 см/с, скорости глубинного противотечения больше. Во Флоридском проливе скорости глубинных противотечений достигают ~ 50 см/с при максимальных скоростях поверхностных течений до 2,5 м/с [Kielmann, DUing, 1974]. При этом скорости противотечений увеличиваются с глубиной. Это даёт основание считать, что остальные струйные течения также сопровождаются подобными противотечениями. Так, течение Восточных ветров около Антарктиды фактически является противотечением Циркумполярного течения. А знаменитое сильное подповерхностное противотечение Кромвелла можно рассматривать как течение и тогда по отношению к нему пассатные течения, более слабые, окажутся противотечениями. Природа этих противотечений будет рассмотрена позже, в гл.VII На настоящий момент мы должны усвоить, что сильные течения обычно сопровождаются противотечениями, глубинными и поверхностными.
Около 30о с. ш. и ю. ш. существует обширная зона очень слабых течений со скоростями ~ 3 см/с. Севернее 30о с. ш. и южнее 30о ю. ш. в целом воды океана переносятся на восток, а между этими широтами – на запад.
В восточных окраинах океана: вдоль берегов Северной Америки прослеживается слабое Калифорнийское течение (3) на юго-восток со скоростями ~10 cм/с и вдоль берегов Южной Америки – Перуанское течение (4) на север со скоростями ~ 15 – 20 см/с.
Атлантический океан. Приведены: векторы средних по ансамблю дрифтерных наблюдений течений Северного (а) и Южного (б) полушарий Атлантического океана (рис. 10а, б.), на (рис. 11а, б) приведены трассы дрифтеров, запущенных в воды Северного (а) и Южного (б) полушарий Атлантического океана. Красным цветом выделены участки трасс дрифтеров, в которых их скорость перемещения, следовательно, и скорость течения превышала 50 см/с (а), а жёлтым цветом - меньше указанных значений.
Рис. 10а, б. Векторы средних по ансамблю дрифтерных наблюдений течений Северного (а) и Южного (б) полушарий Атлантического океана. Течения: 1 – Гольфстрим, 2 – Гвианское, 3 – Бразильское, 4 – Лабрадорское, 5 – Фолклендское, 6 – Канарское, 7 – Бенгельское.
Рис. 11 а, б. Трассы дрифтеров, запущенных в воды Северного (а) и Южного (б) полушарий Атлантического океана. 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.
Рис. 12 а, б. Трассы дрифтеров, запущенных в воды Северного (а) и Южного (б) полушарий Атлантического 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: Западные пограничные течения, среди них Гольфстрим (1) со скоростями ~ 50 – 100 см/c и Гвианское (2) со скоростями ~ 50 cм/с, Бразильское (3) ~ 30 см/c; противотечения: Лабрадорское (4), скорость которого ~ 40 cм/c и Фолклендское (5) c такими же скоростями, Приэкваториальные и Циркумполярное. Приэкваториальные течения охватывают зону приблизительно от 80 с. ш. до 80 ю. ш. и имеют в основном западное направление, за исключением полосы шириной ~ 300 км около 70 с. ш., которые на схемах рис. 1, 2 названы Межпассатным противотечением.
Скорости приэкваториальных течений ~ 20 - 30 см/с. По течениям экваториальной зоны Атлантического океана имеется меньше информации, чем Тихого океана. Однако можно считать, что режимы течений этих зон имеют много схожих черт. Так переменные течения имеют сезонную изменчивость, а постоянное подповерхностное течение, получившее название течения Ломоносова имеет схожие параметры с течением Кромвелла [Бубнов, 1990, Монин, 1978]. Поверхностные приэкваториальные течения можно разделить на две области: севернее 8ою.ш., течения в которых направлены на восток и южнее, этой широты – на запад.
Циркумполярное течение, направленное на восток, прослеживается от ~ 40о ю. ш. на севере и, скорее всего, на юге до Антарктиды. Скорости ~ 20 – 30 cм/с.
Около 30о с. ш. и ю. ш. так же как и в Тихом океане, существует зона очень слабых течений со скоростями ~ 3 см/с. Севернее 30о с. ш. и южнее 30о ю. ш. в целом воды океана переносятся на восток, а между этими широтами – на запад.
В восточных окраинах океана, вдоль берегов Северной Африки существует слабое Канарское течение на юг со скоростями ~10 cм/с (6), вдоль берегов Южной Африки заметно выделяется Бенгельское течение на северо-запад со скоростями ~ 15 – 20 см/с (7).
Индийский океан. Приведены: векторы средних по ансамблю дрифтерных наблюдений течений Индийского океана (рис. 13), трассы дрифтеров, запущенных в воды Индийского океана (рис. 14а). Красным цветом выделены участки трасс дрифтеров, в которых их скорость перемещения, следовательно, и скорость течения превышала 50 см/с, а жёлтым цветом - меньше указанных значений. Рис. 14б - трассы дрифтеров, запущенных в воды Индийского океан. Красным цветом выделены участки трасс дрифтеров, в которых их скорость перемещения, следовательно, и скорость течения превышала 75 см/с, а жёлтым цветом - меньше указанных значений.
Заметно выделяются течения с большими скоростями: Западные пограничные течения, среди них: Сомалийское (1) со скоростями ~ 50 – 100 см/c, Мадагаскарское (2) со скоростями ~ 50–75, Мыса Игольного (3) со скоростями ~ 50 cм/с., Экваториальное течение шириной ~ 300 км преимущественно восточное со средними скоростями ~ 40 см/c, Южное пассатное течение расположенное около 140 ю. ш. шириной ~ 700 км со скоростями ~ 30 см/с и Циркумполярное. Сомалийское, Экваториальное и Южно-пассатное течения образуют хорошо заметную антициклоническую циркуляцию вод.
Рис. 13. Векторы средних по ансамблю дрифтерных наблюдений течений Индийского океана. Течения: 1 – Сомалийское, 2 – Мадагаскарское, 3 – Мыса Игольного, 4 – Западно-австралийское, 5 – Мадагаскарское.
Рис. 14а, б. Трассы дрифтеров, запущенных в воды Индийского океана. Красным цветом выделены участки трасс дрифтеров, в которых их скорость перемещения, следовательно, и скорость течения превышала 50 см/с (а) и 75 см/с (б) а жёлтым цветом - меньше указанных значений.
Экваториальное течение, точно так же как и Приэкваториальные течения, имеют сезонную изменчивость в направлениях запад – восток. Эти течения называют Муссонными. На экваторе заметно выделяется постоянное подповерхностное течение Тареева [Бубнов, 1990] со скоростями до одного метра в секунду, аналогичное течениям Кромвелла в Тихом океане и Ломоносова в Атлантическом океане.
Циркумполярное течение, направленное на восток, прослеживается от ~ 40о ю. ш. на севере и на юге до Антарктиды. Скорости ~ 20 – 30 cм/с, такие же как и в Тихом и Атлантическом океане. Около 300 ю. ш., как и во всех океанах, существует зона очень слабых течений со скоростями ~ 3 см/с. Севернее 300 ю. ш. в целом воды океана переносятся на запад, а южнее – на восток. В восточных окраинах океана: вдоль берегов Австралии существует относительно слабое Западно-Австралийское течение (4) на север со скоростями ~10 cм/с.
Таким образом, в структуре и параметрах течений океанов много общего. Выделяются области с большими скоростями течений: западные пограничные течения, приэкваториальные, включающие области экваториальных и пассатные течения, а также Циркумполярное течение. Прослеживается некоторое сходство в направленности течений Атлантического и Индийского океанов: в северной части приэкваториальной зоны этих океанов течения направлены на восток, а в южной – на запад. Выделяется большая зона с очень слабыми течениями около 30о ю.ш. и слабые течения восточных областей океанов, направленные в сторону экватора.
Чёрное море. Приведены: векторы средних по ансамблю дрифтерных наблюдений течений Чёрного моря (рис. 15), трассы дрифтеров, запущенных в воды Чёрного моря. Красным цветом выделены участки трасс дрифтеров, в которых их скорость перемещения, следовательно, и скорость течения превышала 20 см/с (а) и 40 см/с (б), жёлтым цветом - меньше указанных значений (рис.16а, 16б).
Рис.15. Векторы средних по ансамблю дрифтерных наблюдений течений Чёрного моря.
Рис. 16 а, б. Трассы дрифтеров, запущенных в воды Чёрного моря. Красным цветом выделены участки трасс дрифтеров, в которых их скорость перемещения, следовательно, и скорость течения превышала 20 см/с (а) и
40 см/с (б), жёлтым цветом - меньше указанных значений
Заметно выделяется циркуляция течений циклонической направленности вдоль берега со скоростями ~ 20 – 30 cм/с. Ширина этого течения, получившего название Основного Черноморского течения (ОЧТ) по расстоянию от берега в море равна ~ 50 км. Максимальные скорости течения ~70 см/с.
Но иногда дрифтеры, можно предположить, что и поток воды, перемещаются не вдоль берега, а поперёк моря, что мы и видим на рис. 16 а, б. В целом можно считать, что всё море находится в движении со средними скоростями течений, превышающими 10 см/с. Согласно, инструментальным измерениям с буйковой станции установленной в глубоководной части Чёрного моря [Титов, 1980] в заметном движении находится только верхний слой воды до горизонта ~250 м.
Сопоставительный анализ схем течений существующих ранее и автора данной работы. Не стоит проводить детального сопоставительного анализа существующих схем течений (рис. 1-6) с моими (рис. 7-16). Это с успехом может сделать читатель. Напомню только, что наши схемы построены по непосредственным документальным измерениям течений, в то время, как наши предшественники при построении своих схем течений больше руководствовались некими своими представлениями о течениях и меньше натурными их измерениями, и при этом весьма ненадёжными. Поэтому расхождения в изображениях течений часто существенны. Вот как изображена схема Гольфстрима, построенная Франклином в 1770 г (рис.5). В то время существовало представление о Гольфстриме, как о реке вытекающей из Мексиканского залива через Флоридский пролив. В последствии представления о природе Гольфстрима изменились, было установлено, что он сформирован водами Саргассова моря и склоновыми водами поступающими со стороны Северной Америки. Соответственно появились схемы, на которых изображено лишь слабое поступление вод из Мексиканского залива, и более существенное - со стороны Саргассова моря. Так появилось, в частности, знаменитое Антильское (рис. 2, 4) или Флоридское течение. Согласно же приведенным мною схемам (рис. 7-16) течение “выходит” из Мексиканского залива через Флоридский пролив и никакого Антильского течения не существует. Там, где на схемах оно нанесено, скорости течений вообще очень слабые, ~ 3 см/с, и, при этом, неупорядоченные по скорости и направлению.
Ближе всего с моими согласуется схема течений Шотта (1943г) (рис.1), на которой приводятся не только направления течений, но и их скорости. Эти течения представлены не в виде условных линий токов, а в виде векторов, расположенных в пространстве по площади океана, что позволяет видеть область перемещений воды с теми или иными скоростями течений. Приятно удивляет схема Шотта своей информативностью, ибо, как мы знаем, она была построена в те времена (до 1943г), когда не было удовлетворительных измерений течений. Обозначенные им скорости течений часто схожи с реальными. Можно сказать, что Шотт обладал богатым воображением и его представления о динамике течений были близки к реальности.