| | |
Формирование крупномасштабных течений волнами Россби. Рассмотрим, что такое крупномасштабные течения и как они формируются волнами Россби. С ними читатель должен быть немного знаком, в основном поверхностно. Поэтому нужно рассказать немного подробнее и о них.
Движения вод в масштабах океана получили название крупномасштабных течений, крупномасштабной циркуляции, в которую вовлечены практически все воды от поверхности до дна. Приповерхностные воды в Северном полушарии совершают антициклоническое движение (по часовой стрелке) и циклоническое (против часовой стрелки) – в Южном.
В целом по океану скорости крупномасштабных течений небольшие, приблизительно 10 см/c. Но в западных и экваториальных областях океанов, небольших по площади, они проявляются в виде мощных струйных течений со скоростями до 2,5 м/с, как, например, в Гольфстриме, Куросио, Сомалийском и Экваториальных течениях и др. Гольфстрим среди них наиболее изучаемый. На рис. 4 в качестве примера приведена схема течений Северного полушария Атлантического океана, построенная по данным дрифтерных измерений течений, на которой чётко выделяется Гольфстрим.
Рис. 4. Векторы средних по ансамблю дрифтерных наблюдений течений Северного полушария. Чётко выделяется течение Гольфстрим (1) с большими скоростями течений.
В последние два десятилетия в воды Мирового океана было запущено более пятнадцати тысяч дрифтеров, каждый из которых отслеживал течения в среднем 1,5 года. Дрифтер это устройство поплавкового типа, которое перемещается течением на горизонте (глубине) 15 м от поверхности воды. На поверхности океана скорость течения приблизительно такая же, как и на глубине 15 м. Поэтому можно считать, что дрифтер регистрирует приповерхностные течения. В результате была получена огромная информация о течениях Мирового океана. Информация о движении дрифтера через спутниковые системы передаётся в пункт сбора данных и затем размещается в Интернете. Этой информацией мы и воспользовались для построения схем течений.
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, почему по всему океану течения имеют небольшие скорости, а в западных и экваториальных областях океанов их скорости очень большие. Невозможно доказательно объяснить быстрое меандрирование (раскачивание в стороны) струи Гольфстрима, образование вихрей с очень большими скоростями течений (считается до 1,5 м/с), трудно объяснить, почему массы воды за пределами Гольфстрима с двух сторон и на глубине 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 15– 30 суток. Это свойство Гольфстрима демонстрирует информация, приведенная на рис. 5 а, б.
Рис. 5а, б. Трасса дрифтера, запущенного в воды Гольфстрима (верхний рисунок, а) и модуль скорости его движения (нижний рисунок, б). Затемнённым точкам на трассах с числами соответствует время движения дрифтера в сутках с момента его запуска.
Объяснение природы и этих свойств Гольфстрима авторы работы [6] дают с позиции формирования течений волнами Россби. Показано, что крупномасштабные течения это не что иное, как течения волн Россби. Покажем это на примерах, изображённых на рис. 3а, б. 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. 5а, б. Это даёт основание считать, что выбранная схема течений (рис.3а, б) близка к реальности. Такое пульсирующее течение свидетельствует о том, что движения воды происходят не только в горизонтальной плоскости, но и вертикальной. Мы задавали вопрос, что заставляет Гольфстрим останавливаться, затем набирать скорость и снова останавливаться? Ответ: волны Россби формируют такой поток в вертикальной плоскости. Таким образом, пульсирующий характер течений Гольфстрима указывает на их волновое происхождение. Вертикальные скорости невелики при горизонтальных скоростях течений Гольфстрима, приблизительно равных 1 м/c, они составляют всего 1 мм/c.
Как и во всяких волнах, в волнах Россби масса воды в пространстве не переносится, она перемещается по замкнутому контуру внутри волны. Поскольку прибор не фиксирует движение частиц воды по орбите, т.е. течения, которые и переносят массу воды, а только некую горизонтальную составляющую действия на дрифтер или стационарно установленный прибор частиц воды, движущихся по различным орбитам, создаётся только некая иллюзия переноса масс. Фактически прибор не измеряет течения.
Рассматривая пульсирующее течение, у исследователя складывается впечатление, что движения происходят только в горизонтальной плоскости и поэтому он разделяет исходное измерение на некую квазипостоянную, характеризующую однонаправленное движение воды и переменную, квазигармоническую по форме части “течений”. Первую он ошибочно относит к крупномасштабным течениям, а вторую к волнам Россби. Таким образом и создаётся иллюзия однонаправленного движения вод в крупномасштабных течениях, в частности, в Гольфстриме.
Можно считать, что крупномасштабные течения не переносят массы воды однонаправленно в пространстве или переносят её кране мало. Предположим, в режиме величин второго порядка, в режиме Стоксова или Лагранжева переносов. Во всяком случае, можно утверждать, что массы воды не переносятся со скоростью измеренного среднего течения, а существенно меньшей. Эту проблему следует изучить, чтобы ответить, в каком количестве вода переносится, но уже очевидно, что в небольшом.
Представление о течениях будет неполным, если мы не ответим на вопрос, почему по всему океану скорости течений небольшие, а в западных частях океанов они большие, как, например, в Гольфстриме.
Формирование больших скоростей течений Гольфстрима легко объяснить с позиции известных закономерностей трансформации волн, в частности, волн Россби, в прибрежных зонах океанов. Эффект трансформации волн в прибрежных зонах и, соответственно, увеличения орбитальных скоростей движения 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 значительно увеличиваются. Всё это читателю должно быть хорошо известно, в частности, из серии телевизионных передач о цунами, произошедшем в Индийском океане в декабре 2004г.
Аналогичное, происходит и с волнами Россби. В удалённой от берега, открытой части океана они имеют небольшие амплитуды колебания скорости течений, порядка 10-15 см/с, но при подходе к зоне близкой берегу амплитуды значительно увеличиваются. Так, в Гольфстриме их средние значения равны 50-100 см/с, а эпизодически достигают 2,5 м/с По мере приближения волн 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, чтобы берег находился справа отношению направления распространения волн. При этом к области Гольфстрима волны подходят под разными углами и лишь в последствии, южнее широты 38о, они выстраиваются в систему одно направленных 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 возрастают 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 океана. Такое происходит не только в прибрежной зоне, относительно мелководной, для Гольфстрима это южная его часть, но и в глубоководной северной, значительно удалённой от берега.
Из сказанного становится ясным, почему скорости течений в Гольфстриме большие, как образуются противотечения, почему течения пульсируют, поток останавливается, масса воды в течениях однонаправленно не переносится и что собой вообще представляют крупномасштабные течения. И всё это волны Россби!
Продолжение следует здесь...
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.
Контакты с автором статьи
|
