Что такое морские течения и как их исследуют
Обсудить 0
Что вообще заставляет воду двигаться в воде? Например, ее неоднородность. Более соленая и более холодная вода тяжелее более пресной и теплой. А поскольку и соленость в разных точках Мирового океана может различаться, и поверхность моря нагревается солнцем неравномерно, в толще воды возникает градиент давлений, и точно так же, как воздух в атмосфере, вода начинает движение от зоны высокого давления к зоне низкого. Такие течения в науке называют термохалинными. Существуют и течения, вызванные перепадами уровня океана, их можно назвать баротропными. Но все же творцы самых мощных перемещений воды — ветер и сила Кориолиса.
Океан в теснине
Течения, буквально промешивающие пол-океана, — это ветровые течения. Пример — крупномасштабная циркуляция воды в северной части Атлантики. Поток, охватывающий всю верхнюю толщу вод, движется по часовой стрелке с на удивление маленькой скоростью — всего-то 1−2 см/с. Казалось бы, все просто — вдоль восточных берегов Атлантики течение движется с севера на юг, вдоль американских берегов — с юга на север. Но есть одна существенная деталь, имеющая решающее значение для климата в этой части мира. Сила Кориолиса — сила инерции, возникающая из-за вращения нашей планеты, — прижимает течение к американскому материку. Часть мощного потока океанских вод сжимается в узкой прибрежной зоне, образуя так называемое западное пограничное течение. Дальше все происходит по законам гидравлики: оказавшись в своего рода теснине, вода резко увеличивает скорость примерно до 2 м/с, то есть в сто раз. Эта мощная струя в конце концов отрывается от породившего ее кругового течения и уходит на север, становясь течением Гольфстрим.
Понятно, что даже такое мощное и быстрое океанское течение, как Гольфстрим, все равно испытывает на своем пути воздействие разнообразных сил и факторов. Оно постепенно теряет энергию, начинает петлять, создавая, подобно реке, меандры. Иногда эти меандры отрываются и формируют отдельные вихри — так называемые ринги, имеющие диаметр около 200 км. В каждый момент времени этих вихрей в Северной Атлантике существует более десятка. Если они, отделяясь, уходят на юг, то несут более холодную воду в более теплые зоны океана, если на север, то наоборот — заносят относительно теплую воду в полярные области.
Твердая вода
Вихри — постоянный спутник морских течений. Сама граница течения представляет собой фронт, то есть перепад характеристик водной среды. Он практически никогда не бывает плоскостью, перпендикулярной дну, но имеет уклон. Фронт постоянно меняет положение, и рядом с ним неизменно рождаются вихри — от гигантских, диаметром в сотни километров, до самых маленьких, какие только могут быть. Понятно, что воду закручивает одновременное действие разных сил, и здесь опять-таки не последнюю роль играет сила Кориолиса.
Как изучают океанские течения
Одним из главных инструментов изучения океанских течений стала развивающаяся с конца 90-х гг глобальная сеть роботизированных буев-поплавков ARGO. Если посмотреть на карту сети, можно увидеть, что буи равномерно распределены по всей акватории Мирового океана, кроме арктической зоны, с шагом примерно 300 км. Изначально запланированное количество в 3000 буев было достигнуто еще в 2007 году, и сейчас их количество постоянно увеличивается. Характерной особенностью роботизированного «поплавка» ARGO является его переменная плавучесть. Она достигается путем изменения эффективной плотности за счет варьирования объема аппарата. Поршень растягивает находящийся в нижней части буя резиновый мешок, и объем зонда при неизменной массе возрастает. Буй работает циклами по 10 дней. Основное время (9 дней) он работает на глубине около 1000 м, затем кратковременно опускается на 2000 м, и затем всплывает, чтобы в течение дня передать на спутник все собранные за вахту данные. На разных глубинах и на поверхности буй замеряет плотность, электропроводность и даже оптические свойства воды.
Вот интересный пример. Через Гибралтарский пролив, как и через любой узкий пролив, соединяющий два бассейна, в которых вода имеет разные характеристики, идут два быстрых встречных потока. Более легкая океанская вода вливается в Средиземное море поверху, а более тяжелая, более соленая морская, идет понизу и скапливается уже в океане на глубине порядка 1000−1200 м (именно на такой глубине средиземноморский «рассол» имеет нулевую плавучесть). Вырастает своего рода огромный «мешок», а с ним возникает разница гидростатического давления на одинаковой глубине. Теперь, казалось бы, есть все условия, чтобы возникло течение по направлению градиента давлений. Но тут и вступает в действие сила Кориолиса — она компенсирует перепад давлений, и вода, вместо того чтобы двигаться по изолинии давления, выталкивается в перпендикулярном направлении. Так в Атлантике закручивается гигантский вихрь диаметром около 100 км и толщиной метров 300. Кстати, обнаружение этого вихря и изучение его природы стало одним из последних крупных открытий в области гидрологии океана и физической географии вообще.
Еще одно необычное явление, связанное с океанскими течениями и рождаемыми ими вихрями, наблюдается между Индийским океаном и Атлантикой. Агульясское течение, идущее вдоль восточноафриканского берега на юг, у побережья ЮАР (то есть там, где кончается африканский континент) делает левый поворот и вновь направляется на восток, в Индийский океан. В этом месте от него отрываются вихри, уходящие в сторону Атлантики. Эти водовороты существуют долго, до трех лет, пока их не выносит к берегам Южной Америки, где вихри постепенно перемалываются прибрежными течениями. Эти образования играют большую роль в процессе обмена водой и разнообразным биоматериалом между двумя океанами. Удивительный момент заключается, однако, в том, что сами эти вихри имеют ничтожную толщину по сравнению с диаметром. Фактически это тонкие водяные диски, крутящиеся по поверхности океана. Что же им придает такую невероятную живучесть? Ведь вращение одной вязкой жидкости в другой неизбежно должно было бы привести к торможению и распаду вихря. Исследователям удалось выяснить, что в момент образования — еще внутри Агульясского течения — эти вихри приобретают свойства, характерные для вращения… твердого тела. Именно благодаря таким уникальным физическим характеристикам диск из воды Индийского океана достигает американских берегов.
Конструкция буя несложна и включает в себя антенны, блок управления, элементы питания, а также гидравлическую систему, позволяющую варьировать плавучесть аппарата за счет изменения эффективной плотности.
Хранители цивилизации
Истории с вихрями наглядно демонстрируют, что Мировой океан наполнен разнообразными и иногда причудливыми движениями. Свои особенности имеют течения экваториальной области, где практически не действует сила Кориолиса. Исключительное значение для формирования климата на Земле имеет Антарктическое циркумполярное течение — единственное по‑настоящему замкнутое океанское течение на планете. У него есть некий северный аналог, однако в него временами заходит и точно так же выходит атлантическая вода, тогда как в Антарктике ветер гонит воду бесконечным кругом.
Но все же самые мощные течения на Земле — это западные пограничные, порождаемые, как уже говорилось, ветром и действием силы Кориолиса. В Южном полушарии их мощь не так впечатляет (возможно, из-за влияния Антарктиды), но в Северном Гольфстрим в Атлантике и Куросио в Тихом океане оказывают решающее влияние на климат, хозяйство, а значит, и всю человеческую цивилизацию. Очень трудно себе представить, по крайней мере при нынешней конфигурации океанов и континентов, что механизм, порождающий Гольфстрим, вдруг даст сбой. Другое дело — распределение его энергии.
Буй Argo работает на глубинах до 2000 м, что позволяет промерять всю толщу воды, которую несут с собой крупные океанские течения. Буй запрограммирован на десятидневные циклы, по окончании каждого из них идет переброска данных на спутник.
В Северной Атлантике Гольфстрим ветвится: один поток поворачивает на юг и греет Европу, другой уходит в Северный Ледовитый океан, превращая Мурманск в круглогодичный незамерзающий порт. Еще одна ветвь идет к Исландии, а затем поворачивает в сторону Североамериканского континента. Характер ветвления зависит от распределения градиентов давления в этой части Мирового океана. Если предположить, что течение усилит свою ветвь, направленную к Европе, а поток, идущий в Баренцево море, иссякнет, в Европе станет жарче, а вот в России может существенно расшириться зона вечной мерзлоты.
Если же случится наоборот, по Темзе зимой снова будут ездить на санях, зато растают льды Северного Ледовитого океана. Этот океан подключится к общей системе обмена энергией между атмосферой и Мировым океаном, создаст новые ветры, которые, в свою очередь, наверняка изменят картину морских течений. Сдвиги климата в этом случае могли бы оказаться труднопредсказуемыми. Остается лишь главный вопрос: насколько это реально?
Самая мощная цикруляция в мировом океане вызвана действием ветром. Медленные кольцеобразные течения, существующие как в Северном, так и в Южном полушариях, основательно перемешивают воду в океанах.
Главная опасность, о которой можно было бы говорить, — это таяние ледяного панциря Гренландии, что привело бы не только к повышению уровня Мирового океана, но и наверняка к изменению направления течений. Тут с Гольфстримом и могла бы случиться беда. Что ж, ледники Гренландии действительно потихоньку тают, однако ничего такого, что бы сулило глобальные катастрофические последствия в ближайшем будущем, пока не происходит. А дальше?
А дальше все упирается в надежность предлагаемых разными группами исследователей моделей прогнозирования. Одни абсолютизируют сегодняшнюю тенденцию к потеплению и экстраполируют ее на тысячу лет вперед: у них выходит, что в конечном счете океан закипит, а жизнь на Земле станет невозможной. Другие, напротив, говорят, что жара скоро сменится похолоданием.
И пусть сторонники того или иного сценария предлагают свои расчеты, по мере увеличения срока прогноза растет и величина погрешности. Поэтому, если к прогнозам на десять лет вперед можно относиться серьезно, то вероятность реализации сценария, рассчитанного на сто лет, равняется анекдотическим 50 на 50, то есть или будет, или нет.
Если же говорить о серьезных публикациях, выходящих в наши дни, то по их совокупности можно прийти к выводу о том, что современная наука не видит реальных оснований для катастрофических сценариев, связанных с Гольфстримом. Чтобы в этой мощной и достаточно устойчивой системе что-то радикально поменялось, нужны колоссальные изменения на планете, но таких процессов мы не наблюдаем, а современные нам изменения климата могут быть всего лишь проявлениями краткосрочных циклов в пять-шесть десятков лет.
Автор — д. ф.-м. н., зав. Лабораторией морских течений Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН
