Что это такое - термохалинные течения?

 

 

Щевьев В. А.

(Shtshevev@rambler.ru )

 

 

 

 

 

            Принято считать, что большинство течений в океане, за исключением приливных, обусловлены либо действием напряжения ветра на водную поверхность, либо неравномерностью в распределении плотности воды. Показано, что это величайшее заблуждение Океанографии XX века.

 

            До сих пор считается, что разность в распределении плотности воды создает градиенты давления и связанные с ними термохалинные течения. Если распределение плотности с глубиной известно, могут быть рассчитана скорость течения, но при условии, что известна скорость на каком-то одном горизонте (отсчетный уровень). За отсчетный уровень принимается горизонт 1000 м., считается, что течение там отсутствует.

            Интересно рассмотреть работы, в которых есть обоснование динамического метода расчета термохалинных течений в океане. В фундаментальной работе: Океанология. Физика океана. Т. 1. Гидрофизика океана. Изд. «Наука» М. 1978 г., просто говорится: «Общая циркуляция (Мирового океана) возбуждается термохалинными (нагревание, охлаждение, осадки и испарение) и механическими (касательное напряжение, атмосферное давление) факторами, действующими на поверхности океана. Считается, что скорость термохалинного течения зависит от температуры и солености (плотности) воды, и может быть рассчитана динамическим методом. Полигонные измерения распределения температуры и солености по вертикалям дают возможность построить карту динамической топографии поверхности мирового океана, т. е. высоты одной изобарической поверхности по отношению к другой. Считается, что линии равных высот, или динамические горизонтали можно интерпретировать как линии тока геострофических течений (находящихся в равновесии между действием горизонтального градиента давления и отклоняющей силы вращения Земли – кориолисовой силой)». В работе приводится структура поверхностных течений (циркуляций) и карта динамической топографии поверхности Атлантического (рис.1),  Индийского (РИС. 2) и Тихого океанов  относительно 1500 дбар. «Считается, что геострофическая циркуляция, изображаемая с помощью динамической топографии, ближе всего к реальным течениям в том случае, если на отсчетной поверхности (на глубине 1500 м.) либо вовсе нет движения, либо оно пренебрежимо мало по сравнению с другими поверхностями. Многолетний опыт применения динамического метода (т. е. расчетов геострофических течений) показывает, что отсчетная поверхность соответствует нижней границе главного океанского пикноклина на глубине 1500 м.».

 

 

 

 

Рис. 1. Карта динамической топографии поверхности (слева) и структура поверхностных течений (циркуляций) (справа) Атлантического океана.

 

 

 

 

 

Рис. 2. Карта динамической топографии поверхности (слева) и структура поверхностных течений (циркуляций) (справа) Индийского океана.

 

 

            А далее следуют указания на некоторые несоответствия течений и динамических поверхностей. «Геострофические течения хорошо отражают реальные только во внутренних частях океана, т. е. за пределами поверхностного и прибрежного пограничных слоев. В поверхностных слоях заметный вклад в результирующее течение вносят дрейфовые течения, которые возбуждаются влекущим действием ветра над океаном».

Анализируя особенности динамического рельефа океана в прибрежных районах авторам приходится признать, что «динамические горизонтали, как бы «выходят» из берегов (на юге Африки, на юго-востоке Австралии, от северо-востока Японии и. т. д.) и «входят» в берега (западный берег Австралии, на восточном берегу Африки (южней экватора), северо-восточный берег о. Мозамбик и т. д.)». Такая незамкнутость линий тока авторы объясняют вертикальными движениями, которые сопутствуют горизонтальным потокам [11].

На самом деле в указанных районах наблюдаются мощные вдольбереговые течения, которые являются частью крупномасштабных климатических циркуляций. Их природа не геострофическая, а волновая.

Можно так же отметить, что не существует отсчетной поверхности, на которой нет движения воды. На рис. 3 представлен результат инструментальных наблюдений в Атлантическом океане. Скорость и направление течения меняется синхронно на всех горизонтах до глубины 4000 м. Это и есть долгопериодные волновые течения, их природа не может быть ни ветровой, ни термохалинной. 

В работе [1] рассматриваетются физические прцессы образования термохалинных течений, которые возникают в основном из-за вертикального тепло- и влагообмена с атмосферой. Поток массы по всему мировому океану равен 20 г/см в год. (+) означает превышение осадков над испарением, (-) означает превышение испарения над осадками. Трудно себе представить, что такие незначительные изменения уровня за год вызвали бы какие либо течения. Теоретически какие то незначительные скорости будут возникать, но на фоне имеющих место в действительности течений показать их совершенно невозможно.

Лакомб А. (1974) дает исторический обзор использования динамического метода. Автор четко ставит вопрос: «Наблюдается факт различной плотности. Что это? Причина образования течений или следствие, результат действия течений?» Далее следуют рассуждения более чем на 50 стр., описывать которые нет необходимости. Достаточно привести заключительный вывод: “Использование динамического метода для изучения глубинной циркуляции открывает путь серьезным ошибкам и во всех случаях требует очень большой осторожности в интерпретации”.

            Для расчета термохалинных течений с начала прошлого века (1903 г.) используется уравнение Гелланд-Ганзена, который обосновал способ расчета скорости струйных геострофических течений в предположении, что течения возникают из-за разницы плотностей в разных точках, т. е. они имеют термохалинную природу, и выполняется условие геострофичности, а именно: единственными силами, действующими на воду, являются сила гидродинамического давления и сила Кориолиса, находящиеся в равновесии, так что вода не испытывает ускорения.

 

 

Рис. 3. Изменчивость скорости и направления течений в Северной Атлантике, эксперимент ПОЛИМОДЕ.

 

            Этот динамический метод расчета получил очень широкое распространение, по существу является единственным объяснением природы течений в океане последние 70 лет, несмотря на то, что представления о струйном, геострофическом характере движений уже давно не соответствуют реальности, и В. Б. Штокман в 1937 г. сделал вывод: «Стандартное применение метода объясняется непониманием его физических основ, поэтому применение формулы Геланд-Ганзена в таких случаях недопустимо, и единственным практически приемлимым методом, дающим надежные результаты, является непосредственное измерение течений с помощью вертушек” [14].

Рассмотрим процесс образования и затухания термохалинного течения [4]. На рис.4. изображены две точки в море с глубиной Н на расстоянии 50 км. Из рисунка следует, что изобарическая поверхность горизонтальна на глубине z. В точках А и В проведены измерения температуры и солености, позволяющие рассчитать компоненту геострофической скорости, перпендикулярную линии АВ, для глубины z. Для расчета используют уравнение гидростатики, с оговоркой, что «оно верно для жидкости, находящейся в покое, но для океанских условий, где движение воды медленное и почти горизонтальное, данное уравнение дает неплохое приближение для соотношения между плотностью и давлением.» Используя это предположение, получено, что наклон изобарической поверхности на глубине z

 должен быть от В к А. Расчет по уравнению Гелланд-Ганзена для условий (рис. 4) дает составляющую геострофической скорости перпендикулярную линии АВ на глубине 1000 м. равную U=0,39 м/с., а разность (h-h) составит приблизительно 0,19 м. Далее следует обычное утверждение, что течение направлено под углом 90 cum sole к направлению, в котором понижается уровень изобарической поверхности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Иллюстрация расчета скорости термохалинного течения [4].

 

 

Но возникает самый важный вопрос: «Сколько времени будет действовать это течение?». Понятно, что скорость будет затухать по экспоненте. По разным оценкам этот процесс будет продолжаться сутки - двое. А дальше, когда разность высот выровняется? Далее, для возникновения нового эпизода с течением, необходимо возникновение новой разницы в уровнях в точках А и В. Эта разность может возникнуть за счет испарения и изменения температуры. Хорошо известно, что в среднем испаряется 1 метр в год. Разница в испарении в двух точках, расположенных на расстоянии 50 км будет как минимум на порядок или два меньше. Таким образом, чтобы образовалась разница в уровнях равная 0,19 м., необходимо 2-3 года.

Понятно, что такого случая, когда разница в уровнях накапливалась бы до какой либо значимой величины, практически быть не может. Едва достигнув даже небольшой величины, она исчезнет из за образования микроскопических течений, которые в реальных условиях моря, когда существуют большие течения другой природы, невозможно измерить, показать их роль в переносе водных масс. Понятно, что эта роль ничтожна. Таким образом, можно сделать вывод, что термохалинные течения имеют очень малые скорости, а расчеты по формуле Геланд-Ганзена основаны на неверных допущениях, согласно которым «в океанских условиях движение воды медленное, а ниже уровня z течения отсутствуют». Кроме того, по мнению пользователей этого метода, единожды возникнув, течения будут действовать далее вечно. Все это не соответствует действительности. Поэтому схемы течений, получающиеся в результате расчета не соответствуют наблюдениям.

Это подтверждают основные результаты докторских диссертаций Филатова Н. Н., Ибраева Р. М.

            Н. Н. Филатов в первом пункте для защиты докторской диссертации (1991) писал: «Выполненные эксперименты, наблюдения, расчеты показали отсутствие типичных крупномасштабных циркуляций вод, как это утверждалось ранее» [12]. А ранее именно Н. Н. Филатов в книге «Гидродинамика озер» писал: «Во всех крупных озерах и внутренних морях северного полушария существует циклоническая крупномасштабная циркуляция». Этот вывод иллюстрировался многочисленными наблюдениями.

            В 2002 г. Р. А. Ибраев в реферате докторской диссертации писал: «Считается, что крупномасштабная среднегодовая циркуляция поверхностных вод Каспийского моря является циклонической. В то же время целый ряд данных наблюдений противоречит этой точке зрения» [6]. В действительности автор не сможет назвать ни одного противоречащего наблюдения.

            Но дальше всех пошел Д. Г. Курдюмов [7]. В статье  он пишет: «Ограничения инструментов таковы, что только очень малая часть пространственно-временной изменчивости состояния моря может быть измерена непосредственно в море. … Численные модели необходимы как средство для интерпретации данных наблюдений и как средство для понимания динамики моря» [7]. В действительности закономерности циркуляций вод Каспийского моря достаточно полно описаны в книге, которая в списке литературы его статьи стоит на первом месте (Бондаренко А. Л.). И для интерпретации данных наблюдений совсем не требуется их модель, потому что она ни какого отношения к наблюдаемым процессам не имеет.

            Наш опыт исследования природы течений Каспийского моря [2] показывает, что модель термохалинных течений, рассчитанная динамическим методом, не отражает наблюдаемую циркуляцию.            

Наши исследования течений Каспийского моря [2] показали, что течения существуют в основном в виде захваченных берегом волн (период 140 ч) и инерционных (период 17,5 ч). Именно они обеспечивают высокую изменчивость. Но аналогичные процессы наблюдаются и в океане. Даже в относительно давней работе [9] “Современный этап называется волновым. …..Обнаруженная существенная изменчивость динамического состояния вод на больших глубинах (более 1000 м.) резко расходится с существовавшими теоретическими концепциями…. Главные носители энергии- бароклинные волны.” За последующие 20 с лишним лет (после 1979 г.) получено огромное количество экспериментальных подтверждений волновой природы течений, “что делает проблематичным само существование геострофического равновесия в океане” [4], а следовательно возможность применения динамического метода.

            Возникает вопрос: неужели за столь длительный срок использования этого метода не возникало стремления сопоставить результаты с наблюдениями? В действительности в работах по моделированию говорится о проблеме верификации, об оценке «адекватности модели по отношению к данным наблюдений» [5]. Но почему то сразу же следуют сетования на отсутствие достаточного количества наблюдений, что не соответствует действительности..

В. Б. Штокман (1937г.) объясняет широкое распространение «так называемого динамического метода» тем, что «Н. Н. Зубовым была значительно упрощена вычислительная техника. Но кажущаяся простота динамического метода (в упрощенном изложении Н. Н. Зубова) оказалась слишком соблазнительной, и применение этого метода стало носить сугубо механический характер. Стандартное применение метода объясняется непониманием его физических основ». По поводу возможности применения динамического метода в Каспийском море автор пишет: «В связи с высокой изменчивостью течений, обусловленных не только термохалинной природой, невозможно выбрать контур, перпендикулярный по всей глубине к направлению течения, а поэтому применение формулы Сандстрема в таких случаях недопустимо, и единственным практически приемлимым методом, дающим надежные результаты, является непосредственное измерение течений с помощью вертушек» [14]. Этот вывод полностью применим к океану, т. к. инструментальные наблюдениия показывают высокую изменчивость течений в океане.

            В работе [3] в противовес гипотезе о ветровой природе течений Охотского моря предлагается термохалинная циркуляционная модель. Вместе с тем автор выражает сомнение: «С одной стороны, многолетнее осреднение полей плотности вроде бы обеспечивает наиболее достоверную, застрахованную от случайностей картину, с другой стороны, при высокой изменчивости гидрофизических полей оно может давать большое разнообразие реализаций, в одинаковой степени отличающихся от наблюдаемых в океане в действительности. ……Исходя из представлений о циркуляции вод этого моря, можно с уверенностью сказать, что картина, создаваемая среднемноголетними осреднениями, мало реальна».

            Долгое время мы считали, что экспериментально показать незначительность термохалинных течений невозможно, но со временем нашли, иногда косвенное, этому подтверждение.

            Шокальский Ю. М. писал: «Уместно указать, что в океане существует много течений с водами совершенно различных плотностей, идущих рядом, и, несмотря на то, между ними, однако, вовсе не образуется обмена воды.

Наконец, все теченя идут по ложу, образованному водами океана, всегда обладающими совершенно иными физическими свойствами, нежели воды самих течений; однако и при этих условиях течения продолжают существовать и двигаться, не смешивая немедленно своих вод с соседними. Конечно, такое смешение вод их происходит, но оно совершается очень медленно и в значительной мере обуславливается образованием водоворотов при движении одного слоя воды по другому» [13]. 

            Наблюдения за течениями в Иваньковском водохранилище показывают, что скорость и направление течения изменяется незначительно (около 5 см/с). Вдруг два последовательных измерения показали скорость 100 см/с. Мы сочли это за сбой в работе прибора. Но когда совместно с измерениями скорости течения был построен график изменчивости температуры воды, вдруг обнаружилось, что температура в это время понизилась на 7 градусов. Было только одно объяснение этого факта: прошел большой корабль, и своими винтами перемешал воду с глубинной холодной водой. А дальше температура воды повышалась до первоначальной в продолжении двух недель. Т. е. перемешанная холодная вода протекала в ложе относительно теплой, не смешиваясь быстро, а нагревалась постепенно. Это наблюдение может служить доказательством незначительности обмена пресноводных масс разной плотности.

            В пресноводных потоках при слиянии двух  рек разной минерализации (и, возможно, температуры) потоки проистекают не смешиваясь десятки и даже сотни километров. Аналогично при впадении р. Свирь в Ладожское озеро, вода этой реки переносится вдоль берега общей циклонической циркуляцией не смешиваясь на десятки километров. А вместе с тем мы знаем много работ, в которых скорость этой циркуляции рассчитывается динамическим методом, как термохалинное течение.   

            Другое подобное, но визуальное наблюдение было сделано в Карибском море, при полете на самолете на остров Пинос. Мы обратили внимание на прямую полосу по курсу следования самолета. Приблизительно через 30 минут показался паром, который шел в том же направлении, что и самолет. Естественно, что своими винтами он перемешал воду, и эта, отличающаяся от окружающей, водная масса оставалась неперимешанной долгое время.

            Из теоремы Sandstrom’s (1908) для нагреваемой и охлаждаемой жидкости на поверхности океана следует, что температура и соленость в глубине (плотность) не будет изменяться несколько тысяч лет, конвективная циркуляция значительна только в тонком поверхностном слое [17]. Разница плотностей в тонком слое не способна генерировать движение. Munk W. (1997) доказывает, что более вероятным источником внутренних волн и диффузии являются приливы. Отсюда следует, что возможные источники внутреннего перемешивания это только ветер и приливы [18].

В конце статьи очень забавная фраза: «To many readers, the proposal that the Moon plays a major role in the general circulation will border on the lunatic.

Для многих читателей, мысль, что Луна играет важную роль в общей циркуляции граничит с сумасшествием».

            Эта фраза говорит о том, что у них, там «много читателей», и они обсуждают разные точки зрения, а не отвергают.

            Ближе к наблюдаемым в дейтвительности движениям представления (Ле Блон, Л. Майсек 1981): «По их мнению отклик океанических вод на приливообразующие объемные силы должен иметь вид длинных баротропных волн». Более подробно  эта мысль изложена в работах (15,16).

В связи с изложенным, я отвечаю на вопрос, поставленный в заголовке: термохалинные течения и динамический метод их расчета – это величайшее заблуждение океанографии XX века. И нет никаких доказательств, что это заблуждение скоро исчезнет. Ведь детям (студентам) до сих пор все это преподают.

 

 

 

 

 

Литература

 

1. Агафонова Е. Г., Галеркин Л. И., Монин А. С. О происхождении термохалинной циркуляции океана.// Океанология. 1972, т.ХII, вып.6.

2. Бондаренко А. Л., Жмур В. В., Щевьев В. А. Основные закономерности течений замкнутых морей и крупных озер. //Физические проблемы экологии. (Экологическая физика) М. 2002. №10, с. 60-68.

3. Верхунов А. В. Развитие представлений о крупномасштабной циркуляции Охотского моря. В кн.: Комплексные исследования экосистемы Охотского моря. М. Изд-во ВНИРО, 1997. С. 8-19.  

4. Джон Гарвей. Атмосфера и океан. М. Прогресс. 1982. 184 с.

5. Залесный В. Б. Проблемы моделирования общей циркуляции океана. В сб. Исследования в области океанологии, физики атмосферы, географии, экологии, водных проблем и геокриологии. М. ГЕОС. 2001. Стр. 98-102.

6. Ибраев Р.А. Математическое моделирование термогидродинамики Каспийского моря. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физ.-мат. Наук. М. 2002 г.

7. Курдюмов Д. Г., Озцой Э. Среднемесячные характеристики внутригодовой изменчивости циркуляции вод Каспийского моря, полученные по вихреразрешающей термогидродинамической модели. // Океанология, 2004, т.44, №6, с. 843-853.

8. Лакомб А. Физическая океанография. М. Мир, 1974 г. 495 с.

9. Лаппо С. С. Среднемасштабные динамические процессы океана, возбуждаемые атмосферой. М., Наука, 1979. 182 с.

10. Никифоров Е. Г. Природа циркуляции вод мирового океана. I съезд советских океанологов. Тезисы докладов. М. Наука. 1977.

11. Океанология. Физика океана. Т. 1. Гидрофизика океана. Изд. «Наука» М. 1978 г., 455 с.

12. Филатов Н. Н. Динамика вод озер. Автореферат докторской диссертации. М. 1991.

13. Шокальский Ю. М. Океанография. Л. Гидрометеоиздат, 1959. 537 с.

14. Штокман В. Б. О применимости динамического метода обработки гидрологических данных в изучении течений Каспийского моря. Журнал геофизики. 1937 г. Т VII вып. 4.

15. Щевьёв В. А. Крупномасштабная циркуляция в океанах, как результирующее движение длиннопериодных волн. Электронный журнал «Исследовано в России», 077, стр. 808-825, 2007 г.            Опубл. 26. 04. 07.

16. Щевьёв В. А. Приливообразующие силы Луны и Солнца – причина образования длиннопериодных волновых течений в океане. Электронный журнал «Исследовано в России», 032, стр. 320-334, 2009 г.

17. Egbert G. D., Ray R. D. Significant dissipation of tidal energy in the deep ocean inferred from satellite altimeter data. Nature, 405, 775-778, 2000.

18. Munk W., Wunsch C. Abyssal recipes II: energetics of tidal and wind mixing. Deep-Sea Research, I 45 (1998), 1977-2010.