Альберт Леонидович Бондаренко
Крупномасштабные течения
и долгопериодные волны
Мирового океана
Глава VI
Основные закономерности формирования
крупномасштабных течений на примере
Гольфстрима
На
основе натурной информации показано, что крупномасштабные течения есть не что
иное, как течения волн Россби [Бондаренко, Жмур, 2007а, Бондаренко, 2009а,
2009б] .
Гольфстрим – это струйное течение, расположенное у восточного побережья Северной Америки, в том месте, где зона материкового шельфа, окаймляющего побережье континента, переходит в прибрежный склон. Гольфстрим – тёплое поверхностное течение, температура воды в котором в отдельных местах достигает 30o C. Но от берега его отделяют так называемые склоновые воды, распреснённые и прохладные. Холодными они становятся севернее, ближе к Ньюфаундленду, где чувствуется влияние по-настоящему холодного Лабрадорского течения. Начинается Гольфстрим в проливе между Флоридой и Карибскими островами. Двигаясь к северу, он набирает силу, расход его увеличивается, и в стрежне своём достигает скоростей вплоть до 2,5 м/с. Это уже скорости, характерные для горных рек и очень редко наблюдаемые в океанах, но в Гольфстриме они наблюдаются часто. Относительно большие скорости Гольфстрима наблюдаются вплоть до района большой Ньюфаундлендской банки.
В поведении Гольфстрима и в целом струйных течений океанов много неясного, необоснованного и противоречивого, если рассматривать их с позиции популярных, хорошо известных научной общественности и практически общепринятых объяснений их природы. Учёные всегда стремились понять и объяснить, почему по всему океану течения имеют небольшие скорости, а в западных и экваториальных областях они очень большие. Невозможно доказательно объяснить быстрое меандрирование (раскачивание в стороны) струи Гольфстрима, образование вихрей с очень большими скоростями (считается до 1,5 м/с), трудно объяснить, почему массы воды за пределами Гольфстрима с двух сторон и с глубиной движутся в обратную сторону. Фактически ложе, по которому течёт Гольфстрим, движется в противоположную сторону его движения. Не понятно, почему Гольфстрим пульсирует: останавливается, затем набирает скорость, через некоторое время снова останавливается, и далее всё повторяется с некоторой квазирегулярной периодичностью. Такое невозможно объяснить, ещё и потому, что смена ситуаций повторяется через очень короткие промежутки времени, порядка 10 – 20 суток. Многочисленные попытки учёных воспроизвести на моделях все эти свойства Гольфстрима не венчались успехом. Это необъяснимое в поведении Гольфстрима часто называют загадками Гольфстрима.
Автор данной работы изучил эту проблему. Оказалось, что многое необъяснимое в поведении течений Гольфстрима объяснить всё же можно, но уже с позиций представлений о природе течений непопулярных и малоизвестных научной общественности.
Рис. 29 . Меандры системы течений Гольфстрима [Стоммел, 1963].
Существующие представления о течениях Гольфстрима
Многие исследователи [Стоммел, 1963] Гольфстрима сравнивают его с течением реки в океане (рис. 29). Они считают, что Гольфстрим часто меняет свое положение и настолько неустойчив, что определить его границы просто невозможно. Считается, что положение струи Гольфстрима может существенно измениться за 2 – 3 недели в результате её меандрирования.
По мнению известного отечественного океанолога М.Н. Кошлякова [Каменкович, Кошляков, Монин, 1982]: Гольфстрим – очень сильное струйное геострофическое течение. На поверхности океана струя Гольфстрима имеет ширину 70 – 100 км. Глубина Гольфстрима от поверхности приблизительно равна 500м.
Считается, что Гольфстрим проходит вдоль границы раздела холодной (и менее солёной) склоновой воды на западе и севере и тёплой (и более солёной) воды Саргассова моря на востоке и юге. Такая граница раздела вод обычно называется гидрофронтом. Считается, что струя Гольфстрима меандрирует в пределах расстояния порядка 500 км (рис. 29, 30), о чём в принципе судят по параметрам гидрофронта.
Рис. 30. Распределение температуры воды (в 0С) на поверхности океана в районе Гольфстрима 29 апреля – 2 мая 1982 г.[Каменкович и др., 1987]. Т и Х – центры тёплых (антициклонических) и холодных (циклонических) вихрей; пунктир – изобата 1000м.
Если допустить, что течения Гольфстрима термохалинные, геострофические, как считается, то представленному здесь температурному полю воды должны соответствовать течения, направленные вдоль изотерм, так что справа относительно движения воды её температура будет выше, а слева ниже (рис. 30). Направление предполагаемых течений на рисунке указано стрелками. Считается, что скорость течения зависит от градиента температуры воды: большим градиентам соответствует и большая скорость. В соответствие с этим струя Гольфстрима должна проходить по области гидрофронта, наибольших градиентов температуры воды и приблизительно с одинаковой скоростью.
Считается, что меандрирование струи Гольфстрима приводит к образованию вихрей за её пределами с диаметром до 400 км, скорость течения в которых, как отмечалось, достигает 1,5 м/с. Слева от струи Гольфстрима (т. е. северо-западнее струи) образуются аномалии тёплой воды, которые принимаются за тёплые вихри - антициклоны, а справа (юго-восточнее) – аномалии холодной воды, которые принимаются за холодные вихри - циклоны (cм. рис. 30, 31). Все эти представления о динамике вод Гольфстрима были получены учёными преимущественно путем анализа термохалинных (температуры и солёности) параметров воды, но не прямых измерений течений. При этом предполагалось, что поле плотности воды и течений Гольфстрима и предполагаемых вихрей находятся в режиме геострофического приспособления, т. е. течения Гольфстрима и его вихрей геострофические.
Рис.31. Положение центров циклонов (белые кружки) и антициклонов (черные кружки) Гольфстрима по наблюдениям 1967 – 1976 гг.[Баранов, 1979]. Стрелки – среднее положение струи основного течения.
Так всё это считается, можно утверждать, что условно и не доказано. Где истина и где ложные представления о течениях? Попытаемся в этом разобраться.
Обратите внимание на информацию, представленную на рис. 30. Если бы Гольфстрим меандрировал, как это считается, то в соответствии с существующими представлениями о динамике его вод существовала бы зона меандрирования до 500 км, в которой присутствовали бы и циклоны и антициклоны. Но такой зоны здесь нет. Отсюда можно сделать вывод, что вроде бы Гольфстрим и не меандрирует, как считается, во всяком случае, сильно. К тому же непонятно откуда берутся огромнейшие усилия, заставляющие меандрировать, и так быстро, большие массы воды. Как отмечалось, всего за 2-3 недели. Это свойство Гольфстрима, быстро меандрировать, не нашло объяснения в исследованиях учёных.
Рис. 32. Средние по ансамблю дрифтерных наблюдений векторы течений. Выделяется область Гольфстрима со скоростями течений порядка 0,5 – 1 м/с.
Чтобы иметь представление о реальных течениях Гольфстрима, приведём некоторые его характеристики, полученные нами по многочисленным измерениям течений с помощью дрифтеров. Дрифтер – устройство, позволяющее следить за движением воды, а отсюда, и определять скорость и направление течения, в данном случае на горизонте 15 м. Информация о положениях дрифтера в океане передаётся через спутник в центр сбора данных и затем помещается в Интернете. В районе Гольфстрима и в некоторой близости от него в основном в последние десять лет было запущено более четырёхсот дрифтеров, каждый из которых выдавал информацию в среднем полтора года. В результате этого собрана огромная информация о течениях и температуре воды, которая и позволила автору данной работы более глубоко исследовать течения Гольфстрима и их природу.
На рис. 32 приведены средние по ансамблю таких измерений векторы течений. На фоне относительно небольших скоростей течений океана, порядка 10 - 20 см/с, заметно выделяется область океана, в которой скорости течений гораздо больше. Будем считать эту область Гольфстримом. Скорости течений в Гольфстриме уменьшаются с юга на север, от одного до 0,5 м/c. В южной части Гольфстрим имеет ширину около 100 км, а в северной - более 300 км. Скоростной характер течений Гольфстрима лучше демонстрирует информация, представленная на рис 33 а, б. Из всей этой информации (рис. 32, 33а, б, и 34) следует, что течения Гольфстрима довольно устойчивы по направлению, во всяком случае, в основной его части, южнее 38о северной широты.
Рассмотрим теперь поведение течений в Гольфстриме. Для этого проанализируем типичную для Гольфстрима трассу (рис. 35) и ход модуля скорости течений (рис. 36). Можно констатировать, что в пределах Гольфстрима, особенно южной его части, дрифтеры, и, как считается, массы воды, перемещаются преимущественно однонаправленно и вдоль изобат, а точнее вдоль кромки шельфа. При этом поток воды движется не строго вдоль изобат, а совершает небольшие колебания вправо - влево по отношению к движению основного потока воды.
Рис. 33а, б. Трассы дрифтеров, запущенных в океане, в Гольфстриме и около него. Красным цветом выделены участки трасс дрифтеров, в которых их скорость перемещения, следовательно, и скорость течения превышала 50 (а), 100 (б) см/с, а жёлтым цветом - меньше указанных значений.
Рис. 34. Трассы отдельных дрифтеров, запущенных в воды южной части Гольфстрима в различное время.
Рис. 35. Трасса дрифтера, запущенного в воды Гольфстрима. Числа около точек – время движения дрифтера в сутках с момента его запуска.
Рис. 36. Модуль скорости движения дрифтера, трасса которого изображена на предыдущем рисунке.
Такие колебания малы в части Гольфстрима южнее широты 380 и значительны севернее её. При таком, преимущественно однонаправленном, движении потока воды, скорость пульсирует, достигая в минимумах значений, близких нулю (рис. 36). Иногда поток воды движется в обратном направлении, хотя слабо, как, например, между точками 2 и 3. Какая причина и сила заставляет воды вести себя таким образом: останавливаться, а затем набирать скорость и снова останавливаться и т. д., т. е. пульсировать во времени и пространстве? Такое поведение течений явно противоречит представлениям о них, как термохалинных, геострофических.
Вот ещё одна, пожалуй, самая трудная загадка Гольфстрима. Глядя на распределение течений Гольфстрима изображённых на рис 32, 33а, б, в и 34, складывается впечатление, что из Мексиканского залива через Флоридский пролив в океан поступает мощный поток воды в виде струи, который и формирует Гольфстрим. Глядя на такие схемы течений, исследователи обычно категорично утверждают: “вытекает, конечно, же, вытекает и это хорошо видно из схем течений.” Действительно, вроде бы вектор средних течений направлен из Флоридского пролива, значит, вода должна вытекать. Так и считалось, так и сейчас считают. Отсюда течение и получило название: Гольфстрим, что в переводе с английского означает – река или струя залива (Мексиканского). Однако это мнение не соответствует истине. Да, вроде бы вытекает. Так почему же в Гольфстриме нет вод Мексиканского залива? Или почти нет? Гольфстрим в основном сформирован так называемыми склоновыми холодными водами с севера и теплыми водами Саргассова моря с юга, но не Мексиканского залива. Вода из Мексиканского залива практически не поступает.
Исследователями было установлено также, что в средней части Гольфстрима расход воды гораздо больше, чем в южной, во Флоридском проливе. Это их несколько удивило, поскольку такие свойства течений никак не согласуются с их градиентной, термохалинной и геострофической природой. Тем не менее, в дальнейшем термохалинный геострофический характер течений вроде бы и не подвергался сомнению, но о Гольфстриме уже не говорилось как о реке, вытекающей из залива, а говорилось, как о течении, несущем свои воды от п-ва Флорида [Каменкович, Кошляков, Монин, 1982].
Чтобы объяснить эти противоречия и разгадать загадки Гольфстрима, рассмотрим существующие трактовки закономерностей формирования крупномасштабных течений и Гольфстрима, и путем анализа реальных течений, их свойств и параметров, а также свойств сопутствующих явлений попытаемся оценить достоверность этих объяснений.
Принятые, популярные и малоизвестные объяснения закономерностей формирования крупномасштабных течений
Мы уже обсуждали, что в настоящее время практически общепринято, что крупномасштабные течения океанов, в том числе и течения Гольфстрима, являются градиентными, термохалинными и существуют в режиме геострофического приспособления термохалинного поля и течений, т. е. течения являются геострофическими. Динамика градиентных, геострофических течений хорошо известна (см. гл.II).
Мы провели исследования поведения течений и термохалинного поля вод океана и пришли к выводу: течения Гольфстрима с его меандрами и вихрями не могут быть геострофическими и не термохалинными, поскольку термохалинное поле его вод не может совпадать с полем течений. Течения быстро пульсируют: скорость их меняется очень быстро, всего за пять суток, от нуля до некоторой большой величины. При скорости течения равной нулю, градиент уровня океана в направлении перпендикулярном течению должен быть также равен нулю. Такое никогда не наблюдается, всегда он отличен от нуля, практически всегда справа по течению он выше, чем слева. А это значит, что течения не геострофические. Тогда можно считать, что представления о течениях Гольфстрима, его природе, свойствах и параметрах, полученные путём анализа термохалинной информации, оказываются неверными. Тогда можно понять, почему не удаётся объяснить многое в поведении Гольфстрима. Действительно ли Гольфстрим меандрирует? Действительно ли аномалиям соответствуют вихри? Действительно ли гидрофронту соответствует струя Гольфстрима. Позже будут закреплены эти мысли и вопросы рассмотрением отдельных черт и свойств, реальных или ошибочно принятых течений и свойств Гольфстрима.
Если течения не градиентные геострофические, то какие?
Волны Россби и формирование Гольфстрима. Уже говорилось, что течения могут быть образованы волнами Россби, т. е. течения и волны нечто целое. Даже показали более: крупномасштабных течений в виде однонаправленных переносов вод нет, а есть только волны и их течения. Но что представляют эти волны, тогда мы не объяснили (см. гл.III), сделаем это сейчас. Чтобы показать, как образуются в Гольфстриме большие скорости течений, необходимо более подробно объяснить, что представляют собой волны Россби. Кратко о них было изложено в гл.IV, но здесь автор повторится, а также приведёт новые сведения.
В настоящее время выполнено довольно много исследований и измерений этих волн в океанах и морях, что позволяет дать достаточно полное их описание. Это свободные, прогрессивные волны, их относят к градиентно–вихревым волнам, динамика которых определяется свойством сохранения потенциального вихря. Иногда их называют планетарными волнами Россби, поскольку их параметры зависят от параметров Земли. Однако реальные волны, получившие название волн Россби, отличны от их математической модели, предложенной С.Россби ещё в 1939 г для описания волн в атмосфере [Rossby, 1939].
В настоящее время многие исследователи эти реальные волны рассматривают с позиции “смешанных” гравитационных и волн Россби - Rossbe-gravity waves. Тем не менее, реальные волны исследователи зачастую называют просто волнами Россби. Этого принципа будет придерживаться и автор работы.
Наблюдаемые в определённой части океана волны следует рассматривать как составную часть поля взаимосвязанных волн всего Мирового океана. Последовательность волн во времени и в пространстве представляет собой непрерывный ряд сформированных в модуляции (группы) малых - больших - малых и т.д. волн. Энергия от источника передаётся волновому полю всего Мирового океана малыми дозами в течение длительного времени в режиме “накачки”, и теми же волнами она перераспределяется по океану.
Предположительно источником возбуждения волн является атмосферная активность, флуктуации атмосферного давления или/и ветра. В силу того, что потери энергии в волнах малы, она накапливается в них, поэтому волны обладают большой энергией. Это тот случай, когда малыми усилиями за счёт резонансного возбуждения приводятся в движение огромные массы воды океана.
Изменение амплитуд колебаний скорости течений в волнах и построение их в модуляции происходит за счёт работы некоего неизвестного науке механизма перестройки волн, названного нами модуляционным, но не за счёт отдельных поступлений энергии от источника. Эти поступления энергии от источника никак не отражаются на поведении волн, волны “живут” по своим законам, в режиме свободных прогрессивных волн.
В средних широтах открытой части Атлантического океана волны имеют приблизительно такие параметры: фазовую скорость распространения 5 см/с, длину волны 400 км, амплитуду колебаний скорости течений 10 – 15 cм/c. Характерным свойством этих волн является свойство всегда и везде в открытой части океана распространяться преимущественно в западном направлении. Они пересекают Атлантический океан от восточных до западных его окраин у Гольфстрима приблизительно за 2 года.
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 небольшие амплитуды колебания скорости течения. Но при подходе к берегу или относительно мелководным участкам океана их амплитуды сильно увеличиваются, точно также увеличиваются и их волновые течения. Всё это 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 Атлантического океана. 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 он находится справа по отношению к направлению распространения волны. При этом к области Гольфстрима волны подходят под разными углами и лишь впоследствии, южнее 38о с.ш., они выстраиваются в систему однонаправленных 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 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. Если учесть, что удельная кинетическая энергия волн определяется соотношением V2o/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, что происходит скорее всего за счет концентрации энергии волн в верхнем слое океана и резонансного возбуждения. Так бывает 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? Как уже отмечалось, волны градиентно-вихревые. Движения частиц воды в них имеют вихреобразную форму. Их можно представить в виде уединённых волн, солитонов или солитонов Россби [Макеев, 2010, Makino, Kamimyra, Taniuti, 1981, Ларичев, Резник,1982, см. гл. IV]. Схематически линии токов таких волн могут быть представлены линиями токов диполя, расположенного в верхней части воды (рис 37а, б).
Границами поля линий токов является поверхность воды и дно моря. Согласно собственным исследованиям, вращательные движения воды в горизонтальной плоскости существуют не в Гольфстриме, а с его боков, т.е. по краям волн.. В струе Гольфстрима, т.е. в средней части волн, существуют вращательные движения воды в вертикальной плоскости, что уже обсуждалось. 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 изображённому на рис. 36. Мы задавали вопрос, что заставляет Гольфстрим останавливаться, затем набирать скорость и снова останавливаться? Ответ: волны Россби, которые формируют такой поток в вертикальной плоскости. Таким образом, пульсирующий характер течений Гольфстрима указывает на то, что течение состоит из течений волн и в нём отсутствует постоянное крупномасштабное течение. Это и объясняет, почему в Гольфстриме нет вод Мексиканского залива. Гольфстрим, состоит из волн или волновых течений, а волны однонаправленно массы воды не переносят.
Рис. 37а, б. Линии токов течений Гольфстрима и его окружения. Линии токов обозначены тонкими линиями в виде эллипсов со стрелками. Прямыми толстыми и тонкими стрелками указаны направления течения Гольфстрим, глубинного и поверхностного противотечений. Вид по вертикальному сечению через Гольфстрим (а) и сверху (б).
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 движения 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.
Повторим изложенное ранее в главе III. Рассматривая измерения течений исследователь ошибочно считает, что движения частиц воды происходят только в горизонтальной плоскости и однонаправленно. А поэтому он разделяет исходное измерение на некоторую квазипостоянную U и переменную, квазигармоническую по форме части “течений” U и V0. Первую он ошибочно относит к крупномасштабным течениям, в частности Гольфстрима, а вторую к волнам Россби, рассматривая её как амплитуду волны. Таким образом, и создаётся иллюзия однонаправленного движения вод Гольфстрима на фоне пульсаций волновых течений. Если рассматривать (рис. 37а, б), поймём, что амплитуда волны равна сумме величин U и V0.
Движения воды в волне вдоль линий токов в вертикальной плоскости создают подъём глубинной воды на поверхность океана и опускание поверхностной на глубину. Эти подъёмы и опускания воды могут формировать на поверхности океана аномалии тёплой и холодной воды.
Но подъём и опускание воды может быть вызвано любым движением воды по кругу в горизонтальной плоскости. Такие движения наблюдаются не только в волнах с обеих её сторон (рис. 37б), но, например, в вихре. Движения частиц воды в волне циклонической направленности, т.е. против часовой стрелки, создают давление на воду направленное в центр этого круговорота. В результате поверхностная тёплая вода стаскивается с переферии в центр круговорота и опускается на глубину. Так формируются аномалии тёплой воды. Движения воды антициклонической направленности, т.е. по часовой стрелки, создают давление направленное от центра круговорота. В результате вода выходит из круговорота и в его центр с глубины поступает холодная вода. Так формируются аномалии холодной воды. Таким образом циклонические вращения воды формируют аномалии тёплой воды, а антициклонические – холодной.
Следует пояснить, что в науке популярно другое объяснение формирования аномалий. Они формируются океаническими вихрями, которые в районе Гольфстрима называются рингами Гольфстрима. В этом случае считается, что аномалии холодной воды вращаются циклонически, а теплой – антициклонически. Такие вращения получили название, соответственно, холодных циклонов и тёплых антициклонов. В свою очередь эти вихри образуются в результате меандрирования (раскачки) Гольфстрима. Мы доказываем, что всё это не так [Бондаренко, Жмур 2007а, 2007б, 2007в, Бондаренко 2011а, 2011б]. Дополнительно эта проблема будет рассмотрена в гл.X.
Однако вернёмся к нашему объяснению формирования аномалий. Поскольку давление на воду в цент круговорота в циклонах и из центра – в антициклонах зависит от величины силы Кориолиса, а последняя от широты, то около экватора оно равно нулю. Поэтому около экватора аномалии образуются только за счет вертикальных движений частиц воды, в передней и задней частях волны по её центру (см. гл. XII). Анализ закономерностей формирования температурных аномалий показал, что в частях океана удалённых от экватора, в том числе и около Гольфстрима, аномалии формируются в основном движениями частиц воды в горизонтальной плоскости, т.е. с боков Гольфстрима (см. гл. X, XI, XII) .
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, каким образом возникают противотечения, глубинные и с двух сторон Гольфстрима, как образуются температурные аномалии, принимаемые за вихри.
Вернёмся снова к пульсациям течений Гольфстрима. В них скорость течения уменьшаются 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, ~ 20 суток. При этом промежутки времени, когда скорости течений приблизительно равны нулю или малы составляют ~20 суток.
Площадь Гольфстрима, в которой скорости течений достигают малых величин, может составлять величину, соизмеримую с четвертью длины волны, приблизительно 50 км. Напомнию, 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 масштабные остановки Гольфстрима могут происходить и по другой причине. Ранее говорилось 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 тысячей километров. 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 снижается биологическая продуктивность океана за счёт уменьшения вертикального обмена.
Будущее Гольфстрима
В свете новых представлений природы крупномасштабных течений интересно обсудить проблему возможности взаимного влияния изменений климата и режима крупномасштабных течений, в частности Гольфстрима.
В последнее время часто в СМИ появляется информация приблизительно такого содержания. Аналогичные темы рассматриваются и в Интернете. Дескать, климат на Земле меняется. В результате этого частично могут растаять ледники Гренландии и Северного Ледовитого океана, что приведёт к опреснению океанских вод и, соответственно, ослаблению и даже к изменению направления Гольфстрима. Иногда так называемые исследователи заявляют, 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 4оС.
Не берусь предсказывать возможность изменения климата на земле. Но утверждаю, что если климат и изменится, то это не приведёт к сколь-нибудь заметным изменениям режима крупномасштабных течений, в частности, и Гольфстрима. 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 изменится, скорее всего, несущественно, то эти изменения не отразятся сколько-нибудь заметно на состоянии насыщения энергией волн Россби, следовательно, и режима крупномасштабных течений, в том числе и Гольфстрима.
К этому хотелось бы добавить следующее. Если бы учёные - прогнозисты климата, присмотрелись 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. Это свойство течений заложено природой, 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 режима геострофического приспособления. Гольфстрим сильно 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 Лагранжев или Стоксов перенос. Всё это требует дальнейшего изучения.
Течения Гольфстрима это преимущественно однонаправленные пульсирующие движения частиц воды волн Россби. В волнах массы воды однонаправленно практически не переносятся, а только циркулируют около некоего положения равновесия. 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, отсюда и увеличенными скоростями течений, и есть Гольфстрим. Термохалинное поле вод в виде меандр и термохалинных аномалий формируется вертикальными и горизонтальными движениями воды волн Россби.
О течениях океанов и морей
На примере сильного струйного течения Гольфстрим продемонстрировано, как образуются течения волнами Россби. Практически все крупномасштабные течения океанов и морей это не что иное, как движения частиц воды волн Россби. В какой-то части океана эти движения усилены и преимущественно однонаправлены, как, например, в струйных течениях, где-то они слабые и имеют разнонаправленный характер, как, например, в остальной части океана. Показано (рис. 22а,б,в,г и 23а,б,в,г), что в струйных течениях морей и океанов движения дрифтеров практически однонаправлены, поскольку сами волны усилены и однонаправленно перемещаются, они создают преимущественно однонаправленное силовое поле и оказывают однонаправленные воздействия частиц воды на дрифтер. Струйные течения это область сильных и однонаправленных движений воды волн Россби. В остальной части океана дрифтер перемещается по сложным траекториям, что обусловлено сложным характером силового поля, создаваемого волнами, движущимися в различных направлениях и создающими сложные движения частиц воды, действующих на дрифтер. Примеры таких движени дрифтера в океане приведены на рис. 38а,б,в,г (Глава VIII).
Пожалуй, впервые с подобного рода сложными движениями учёные столкнулись впервые при запуске поплавков SOFAR на глубине 1500 м в районе проведения эксперимента МОДЕ с сентября 1972 г. по июль 1976г [Rossby, Freeland, 1977]. Запущенные практически одновременно и в пределах небольшой площади океана, поплавки буквально “разбежались” в разные стороны.
Анализ движений дрифтеров в океанах и Чёрном море позволяет представить такую картину линий токов силового поля волн. Линии токов однородной по амплитуде волны с бесконечной протяжённостью её фронта образуют замкнутый контур в вертикальной плоскости, аналогичный изображенному на рис. 37б. В реальности волна имеет трёхмерные измерения. Поэтому за счёт неоднородности волны вдоль фронта дополнительно возникают циркуляции линий токов в горизонтальной плоскости, как изображено рис. 37а и циркуляции в плоскостях наклонённых под разными углами к горизонтальной плоскости. В целом поле линий токов волны будет похоже на силовое поле диполя и проводящей средой в данном случае будет толща воды моря, океана. Движения частиц воды волн происходят в режиме суперпозиции. Параметры движений частиц волн не меняются при пересечении волн.
Из изложенного ясно, что волны Россби играют важную роль в движениях вод океанов и морей. Горизонтальные движения воды формируют течения и противотечения, поверхностные и глубинные, Вертикальные движения воды формируют термохалинное поле океанов и морей, создают такие процессы, как апвеллинг – даунвеллинг, Эль-Нино – Ла-Нинья, атмосферные вихри, осуществляют взаимодействие океана и атмосферы.
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.