Океан в движении

К. Федоров А. Ямпольский

Дети капитана Гранта, вероятно, имели бы значительно меньше шансов найти своего отца, если бы бутылка с запиской не была проглочена молот-рыбой. Эта гигантская акула, ставшая невольным почтальоном, преодолев огромное расстояние и морские стихии, перенесла записку из южного полушария в северное.

Продолжай бутылка плыть по воле морских течений, она могла бы многие годы описывать замкнутые круги в южной части Тихого океана или Южной Атлантики или совершала бы кругосветное путешествие в Циркумполярном течении к югу от ревущих сороковых широт, вдалеке от проторенных морских дорог.

Рис.1 Океан в движении

Понятно, что во времена Жюля Верна о морских течениях знали гораздо меньше, чем сейчас, и путь к их познанию был нелегок. Простая бутылка из-под вина и стала первым инструментом для исследования океанских течений. В 1763 г. француз Лагеньер вложил в бутылку записку с датой и координатами, а также с просьбой сообщить время и место ее обнаружения. С тех пор на протяжении долгого времени «бутылочная почта» была одним из основных источников для составления карт морских течений.

Первыми наблюдателями и открывателями течений были моряки. Колумб на своем пути в поисках Индии записал в 1492 г. в дневнике: «Воды океана вдоль экватора двигаются вместе с небосводом». Так было открыто пассатное течение в Атлантическом океане. В 1498 г. лоцман португальского мореплавателя Васко да Гама араб Ибн Маджид не только наблюдал и описал течения в Индийском океане на пути в Калькутту, но и умело пользовался ими в навигационных целях. Подобных примеров можно было бы привести много.

Моряки, определяя свое положение в море по звездам и солнцу, имели возможность судить о течениях по сносу кораблей. Такие косвенные наблюдения за течениями легли в основу морских карт задолго до «бутылочной почты». Постепенно по данным наблюдений за плавающими предметами, за сносом кораблей и по результатам «бутылочной почты» к концу XIX — началу XX в. удалось составить представление об общей картине переноса вод в океанах и морях — общей циркуляции вод Мирового океана. Благодаря тому, что такая картина основывалась на данных о начале и конце пути плавающих предметов, океанские течения в то время представлялись в виде струй или «рек» без берегов. Причем считалось, что по мере увеличения глубины скорость течения убывает, -а сама «морская пучина» неподвижна.

Огромный вклад в изучение морских течений на заре мореведения внесли русские мореплаватели, особенно Ф П. Литке и С. О. Макаров Последнего с полным правом можно считать основоположником отечественной океанографии. Где бы ни плавал адмирал Макаров, он наблюдал и описывал морские течения, пытался объяснить их происхождение. Особенно интересовали его течения в проливах. Так, он описал течения в Магеллановом, Формозском, Баб-Эль-Мандебском, Гибралтарском, Босфорском и других проливах. Широко известен эксперимент Макарова в проливе Босфор: с помощью сконструированного им самим «флюкхометра» — дрейфующего на глубине бочонка с водой, соединенного с поплавком на поверхности, — он обнаружил и измерил придонное течение из Мраморного моря в Черное. Макаров был также одним из первых, кто обратил внимание на влияние вращения Земли на морские течения. Изобретение и применение более современных приборов для измерения течений в море — морских вертушек, — как ни странно, вначале мало продвинуло ученых в познании физической природы морских течений, даже в какой-то мере затормозило прогресс. Теперь вроде бы можно было уточнить картину течений, но оказалось, что отдельные измерения, как будет видно, часто противоречили сложившимся представлениям. Однако это было замечено не сразу. А пока карты морских течений в учебниках и трактатах по океанографии стали быстро обрастать деталями, которые не могли дать действительную картину переноса воды в океанах и морях. Для этого надо учитывать многие факторы, из которых складывается механика течений в Океане.

Современная теория морских течений основывается на системе классических уравнений гидромеханики, которые характеризуют движение вязкой жидкости под влиянием действующих на нее сил. Такими силами в данном случае являются трение ветра о поверхность океана; горизонтальные градиенты давления; приливообразующие силы (связанные с притяжением в системах Земля — Луна и Земля — Солнце); влияние вращения Земли на движение, возникшее под действием других сил. Рассмотрим действие этих сил.

Под действием ветра в океане вначале возникают волны, но в конечном счете количество энергии, передаваемое движущимся воздухом воде, не сразу и не непосредственно превращается в кинетическую энергию дрейфового течения. И все же по так называемым формулам Экмана можно рассчитать скорость дрейфового течения по скорости ветра. Но у океана есть берега, благодаря которым поверхность воды под влиянием ветра перестает быть горизонтальной. Она наклоняется, и в воде возникают горизонтальные перепады (градиенты) давления, вызывающие дополнительное движение, в результате чего в отдельных местах течение может быть направлено .и против ветра. Таким образом, хотя океанические течения значительную часть своей энергии получают от ветра, их скорость в каждой данной точке океана вовсе не однозначно определяется ветром над этой точкой.

Горизонтальные градиенты давления возникают не только благодаря ветровому нагону у берегов: даже в открытом океане поверхность воды практически никогда не бывает горизонтальной. Правда, ее наклоны невелики — всего несколько миллиметров на километр, и, казалось бы, такими наклонами можно и пренебречь. Однако если учесть размеры океанов, то разность уровней на противоположных берегах океана выразится уже в метрах. А это не так уж мало! Наклоны уровенной поверхности могут быть обусловлены и горизонтальными градиентами атмосферного давления над океаном, и разными величинами испарения и осадков над соседними областями и т. п.

На положение уровня влияет также вращение Земли — сила Кориолиса. Она стремится отклонить течение вправо от направления ветра в северном полушарии и влево — в южном В толще вод горизонтальные градиенты давления могут возникать из-за неравномерного распределения плотности морской води, которая в свою очередь зависит от температуры и солености.

Одним словом, столь многосторонний характер действующих на морские течения сил показывает, насколько сложен расчет течений. Ведь действия всех сил нельзя попросту сложить арифметически. Сила Кориолиса и силы инерции, например, действуют на суммарное движение, изменяя его и приспосабливаясь в свою очередь к измененному потоку. Взаимодействие всех этих сил, как говорят, оказывается нелинейным.

Итак, разовые случайные наблюдения в отдельных точках Мирового океана практически не дают полезной информации о движении его вод. Что толку, если нам стало известно: в такой-то точке, в такой-то момент сложное взаимодействие упомянутых сил обусловило течение такой-то скорости и такого-то направления. Ведь по этим данным нельзя судить ни о том, что было во время самих наблюдений в рядом расположенных точках, ни о том, какое течение будет в этой точке завтра или было вчера.

В наше время выработана новая методика изучения океанических течений с помощью нескольких заякоренных автономных буйковых станций с автоматическими измерителями потоков на многих горизонтах. Эти станции выставляются на длительное время на выбранных участках океана — «полигонах». Так, например, в 1970 г. в Атлантическом океане советские океанологи провели шестимесячные наблюдения в 17 точках в области Северного пассатного течения. Течение это, как известно, показывается на картах «рекой», всегда текущей на запад от берегов Африки. Обработка материалов этих наблюдений (а их миллионы) еще не закончена, однако уже сейчас можно сделать некоторые интересные выводы.

Наблюдения не обнаружили ничего похожего на устойчивое Северное пассатное течение. Во всем полуторакилометровом слое, охваченном наблюдениями, вода текла вначале на восток. В дальнейшем течение резко и неоднократно меняло свое направление через интервалы 10—40 суток. Так, например, на глубине 50 м с 10 по 25 марта течение было направлено на юг; с 25 марта по 1 апреля — на запад; с 25 мая по 30 июня — на восток и с 1 по 30 июля — на север. И все это происходило в пассатной зоне, издавна считавшейся зоной наиболее устойчивых движений! Только при рассмотрении всего шестимесячного ряда наблюдений можно сделать вывод о существовании на большинстве горизонтов довольно значительной западной составляющей.

Изучая эти и другие подобные систематические и длительные наблюдения, а также учитывая результаты теоретических исследований, океанологи пришли к выводу: океанические течения вовсе не являются «реками без берегов» или «реками в жидких берегах». Их скорее можно представить себе в виде систем вихрей самых различных масштабов, которые, перемещаясь друг относительно друга, все вместе движутся в определенном направлении. И это надо иметь в виду, когда мы пользуемся даже современными картами океанических и морских течений или читаем об открытии новых течений.

Это можно сравнить с тем, что наблюдается в атмосфере, где крупномасштабные вихри — циклоны и антициклоны — стали для нас уже привычным делом. Видимо, и в океане есть области, где вероятность появления потока определенного направления, подобно ветру в атмосфере, очень велика. В таких областях океана, очевидно, встречаются течения, которые мы привыкли считать «устойчивыми», как, например, Гольфстрим или Куросио. В других районах океана все направления движения приблизительно равновероятны и слабое преобладание какого-либо одного направления обнаружить не так легко. Для этого нужны длительные систематические наблюдения.

В связи с этим очень перспективным оказался статистический подход и к теории морских течений, и к анализу данных измерений в океане. Успешно развивать это направление нам помогает современная вычислительная техника, которой оснащаются теперь не только исследовательские институты и центры на суше, но и научно-исследовательские корабли. Так, например, во время упомянутых наблюдений на «полигоне» и тропической Атлантике на трех кораблях Академии наук СССР («Дмитрий Менделеев», «Академик Курчатов» и «Академик Вернадский») работали быстродействующие электронно-вычислительные машины и вся первичная обработка наблюдений производилась в океане.

Из всего вышесказанного можно видеть, что мы переживаем сейчас коренную ломку наших представлений о природе и характере морских течений. Но ломка эта плодотворная: в результате ее и наше знание физики вод океана, и способы описания этих движений станут достовернее и полнее.