Loe raamatut: «Этот неизвестный океан. Как работают приливы, рождаются шторма и живут невидимые создания в морских глубинах», lehekülg 2

Пять круговоротов в океане

Итак, циркуляция в тропосфере образуется из-за неравномерного нагрева Земли солнечными лучами и затем модифицируется из-за вращения Земли. Пассаты и западные ветры задают направления доминирующих ветров непосредственно над поверхностью океана и разгоняют крупномасштабную циркуляцию в Мировом океане. Если бы на Земле не было суши, то вода в океане между Северным и Южным тропиком двигалась бы на запад, разгоняемая пассатами, а в умеренных широтах – на восток под действием западных ветров. Но океаны ограничены материками, поэтому все западные и восточные течения рано или поздно встречаются с сушей и вынуждены менять свое направление. Есть только одна зона в тропических и умеренных широтах Мирового океана, где можно обогнуть планету, не встречая суши. Это место находится в Южном полушарии к северу от Антарктиды, и в нем формируется самое мощное течение в Мировом океане, называемое Антарктическим циркумполярным течением или течением Западных Ветров.

Рис. 8.Пассаты и западные ветры

Во всех остальных участках тропических и умеренных широт циркуляция Мирового океана разбивается на пять крупных круговоротов: по два в Атлантическом и Тихом океанах и еще один – в Индийском океане. В Тихом и Атлантическом океанах эти пары круговоротов, как сцепленные шестеренки, вращаются в противоположных направлениях: по часовой стрелке к северу от экватора и против часовой – к югу от экватора. Индийский океан практически полностью лежит в Южном полушарии, поэтому в нем формируется только один большой круговорот к югу от экватора.

Рис. 9.Пять основных круговоротов в Мировом океане

Стоит сразу оговориться, что приведенные схемы циркуляции атмосферы и океана – это определенное упрощение и осреднение общей картины. Это не значит, что и воздух, и вода двигаются всегда в указанных направлениях, что их движение непрерывное и постоянное. Эти схемы говорят скорее о том, что в среднем за длительный срок именно в указанном направлении переносятся воздушные или водные массы, то есть это доминирующее направление переноса. При этом в каждый конкретный момент времени и направление ветра, и направление морских течений может быть очень разным и сильно отличаться от этих схем.

Общая схема (пять круговоротов и Антарктическое циркумполярное течение) на базовом уровне описывает, как устроена система течений в Мировом океане. Эта крупномасштабная система течений захватывает верхние несколько километров толщи океана, с глубиной скорости этих течений постепенно уменьшаются. Однако при более подробном рассмотрении простая картина распадается на многочисленные течения более сложного вида. Они зависят от расположения морских берегов и островов, от глубин, от господствующих в тот или иной сезон года ветров, поэтому более подробная карта течений выглядит гораздо сложнее, чем просто пять круговоротов.

Рис. 10.Схема течений в Мировом океане

У многих течений есть названия, и самое известное среди них – Гольфстрим. В бытовом смысле под именем Гольфстрим подразумевают целую систему переходящих друг в друга течений, который образуют северо-западную треть большого круговорота в Северной Атлантике. Все начинается в районе Карибского моря и Мексиканского залива, откуда течение Гольфстрим несет свои воды на север вдоль побережья Северной Америки. Эти теплые воды уже под именем Северо-Атлантического течения пересекают Атлантический океан и достигают берегов Северной Европы. Значительная доля этих вод распространяется дальше на северо-восток вдоль побережья Норвегии под именем Норвежского течения и достигает Мурманской области под именем Нордкапского течения.

Рис. 11. Система течений Гольфстрим

Течения бывают теплые и холодные: это определяется не их абсолютной температурой, а тем, теплее они или холоднее, чем окружающие воды. Если, например, течение направлено с юга на север, то в Северном полушарии в большинстве случаев оно будет переносить более теплые южные воды в северном направлении и будет называться теплым. Гольфстрим и его продолжения – Северо-Атлантическое, Норвежское и Нордкапское течения – это примеры теплых течений; они очень значимы, потому что влияют на климат в одной из наиболее густонаселенных частей мира – Западной и Северной Европе. Не только из-за своего влияния на трансатлантические перевозки, но и благодаря своей роли в формировании европейского климата вся система течений Гольфстрим так хорошо известна и входит в число наиболее изученных течений в Мировом океане. Благодаря Нордкапскому течению не замерзают порт Мурманск и подходы к нему с запада, хотя он расположен на 69° северной широты. От Мурманска до Северного полюса всего 2340 километров, средняя температура зимой в городе составляет –10 °C, но в отдельные дни и недели бывает и гораздо холоднее – до –40 °C. И все равно море никогда не замерзает из-за постоянного притока относительно теплых вод (от +1 до +4 °C) с Нордкапским течением.

Рис. 12. Антарктическое циркумполярное течение

Выше мы уже упоминали Антарктическое циркумполярное течение, единственное крупномасштабное течение, которое не встречает на своем пути никаких препятствий в виде материков. В начале XXI века в дополнение к четырем существующим океанам – Тихому, Атлантическому, Индийскому и Северному Ледовитому – стали выделять Южный океан, который с юга ограничен Антарктидой, а с севера – как раз Антарктическим циркумполярным течением. Это мощное течение фактически создает водный барьер, который изолирует Южный океан от всего остального Мирового океана. Условия в южных частях Тихого, Атлантического и Индийского океанов, к северу от барьера, очень сильно отличаются от условий к югу от него, что и стало причиной выделения Южного океана как отдельной сущности. Существование Антарктического циркумполярного течения и ограниченный водообмен между полярными широтами (Южный океан) и умеренными широтами (южные части Тихого, Атлантического и Индийского океанов) в Южном полушарии – одна из основных причин, почему в Антарктиде так холодно.

Вихри невраждебные: как устроены течения

В XX веке, благодаря появлению точных океанологических приборов, а потом и спутниковых измерений, систему течений Мирового океана удалось изучить тщательнее, и оказалось, что картина еще более сложная. Вообще из космоса можно измерять очень разные свойства поверхности моря – температуру, соленость, концентрацию различных веществ, высоту волн, уровень моря и многое другое. При этом все эти измерения не прямые, а косвенные. Температура поверхности моря не измеряется термометром, как происходит в случае судовых измерений, а рассчитывается более сложным образом. Любой объект испускает электромагнитные волны, называемые тепловым излучением, с интенсивностью, зависящей от температуры объекта. Тепловое излучение, исходящее с поверхности океана, улавливается специальными спутниками и пересчитывается в температуру над местом пролета спутника. Если скомпоновать данные с различных пролетов и с различных спутников, то строится карта распределения температуры для всего Мирового океана (кроме акваторий, находящихся подо льдом и недоступных для спутниковых измерений).

Соленость поверхностного слоя океана рассчитывается еще более замысловато. Ключ для расчетов – скорость испарения воды с поверхности океана. Очевидно: чем выше температура воды, тем она интенсивнее испаряется. Однако соленость тоже в значительной степени влияет на этот процесс: более соленая вода испаряется медленнее, чем более пресная. Таким образом, зная температуру и соленость поверхности океана, можно рассчитать интенсивность испарения. В чем хорошо проявляется скорость испарения? В концентрации водяного пара в воздухе непосредственно над морской поверхностью. Чем быстрее испаряется вода, тем больше водяного пара оказывается в воздухе. А теперь можно сделать и обратную операцию, на которой и основаны спутниковые измерения солености океана. Вначале спутниковые датчики по излучениям на разных длинах волн определяют, во-первых, температуру воды и, во-вторых, концентрацию водяного пара в воздухе непосредственно над поверхностью океана. По этим данным и вычисляется соленость поверхности океана.

Удивительно, но этот сложный способ измерения солености действительно работает и достаточно точен. Придумать и реализовать его было очень непросто. Если температуру поверхности океана из космоса научились измерять в самом начале космической эры, в конце 1960-х годов, и в наши годы измеряется она с пространственным разрешением в десятки метров, то первые спутники, измеряющие соленость поверхности океана, появились на 40 лет позже, в конце 2000-х, и пространственное разрешение у них в тысячу раз хуже – десятки километров. Вот такое капризное свойство моря – соленость: очень важное и очень сложно измеряется.

А что с течениями? Их тоже можно измерять со спутников, причем также очень косвенным методом. Для этого используется спутниковая альтиметрия: измеряется расстояние от спутника до поверхности океана, по которой строится рельеф поверхности океана. Оказывается, поверхность океана совершенно не плоская, как можно подумать, глядя на стакан воды. Вся она состоит из возвышений и впадин, но они не такие резкие и заметные, как холмы и горы на суше. Характерный масштаб у них следующий: на расстоянии в 100 километров уровень моря меняется на десятки сантиметров. Причина формирования рельефа океана – как бы парадоксально это ни звучало, – уже знакомый нам эффект Кориолиса, возникающий из-за вращения Земли вокруг своей оси. Вихри образуются по всей площади Мирового океана из-за неустойчивости течений. Когда в океане образуется круговорот, в зависимости от направления вращения он формирует либо выпуклость, либо впадину, так как сила Кориолиса либо сгоняет воду в центр круговорота, либо, наоборот, вытягивает ее из центра. Направление вращения, при котором формируется впадина (или дивергенция), называется циклоническим, а выпуклости (или конвергенции) формируются антициклоническим вращением.

Рис. 13. Циклонические и антициклонические вихри в океане

Итак, вода в океане не ровная, но сложный рельеф поверхности океана совершенно не виден глазом с суши или палубы корабля. Полноценное понимание того, как выглядит этот рельеф, сложилось только в 1980-е и 1990-е годы, когда начали достаточно точно измерять уровень моря из космоса, и это стало одним из главных открытий в физической океанологии второй половины XX века. Космические измерения показали, что абсолютно весь Мировой океан покрыт возвышениями и впадинами, то есть круговоротами или вихрями, которые находятся в постоянном движении. Оказалось, что в океане практически нет прямых течений: они все меандрируют, то есть извиваются, в результате чего образуются вихри. Так, например, система течений Гольфстрим – это не просто поток воды, который начинается у Флориды и пересекает Атлантический океан в направлении Европы. С обеих сторон от Гольфстрима отделяется множество вихрей, которые крутятся в разные стороны, но все равно постепенно дрейфуют в одном направлении, к Европе. То же самое происходит и со всеми другими крупномасштабными течениями в Мировом океане. Вращение Земли вокруг своей оси в определенном смысле «перебалтывает» морские течения и разбивает их на множество вихрей. Все это мы видим по данным спутниковой альтиметрии.

Рис. 14. Вихри Гольфстрима

Но можно шагнуть и дальше – научиться рассчитывать скорость течения на поверхности океана по данным спутниковой альтиметрии. Итак, весь океан разбит на вихри. Направление вращения вихрей определить несложно: если возвышение находится в Северном полушарии, то вращение происходит по часовой стрелке, а если для впадины – против часовой. В Южном полушарии ровно наоборот. С направлением течения в вихре разобрались; а что со скоростью? Скорость движения воды напрямую связана с высотой и горизонтальными размерами возвышения или впадины. Чем больше наклон морской поверхности, тем выше скорость вращения, которую можно рассчитать в каждом конкретном вихре по данным альтиметрии. А движение вихрей как отдельных структур можно определять, сравнивая ежедневные данные спутниковой альтиметрии. По ним четко видно, какие вихри в какую сторону двигаются, как они зарождаются, сливаются друг с другом и через некоторое время исчезают. Именно так и рассчитывают течения в Мировом океане в масштабе всей планеты.

Слоеный пирог океана

До настоящего момента мы в основном говорили о горизонтальной циркуляции в океане. Теперь настало время разобраться с вертикальными движениями воды. Если посмотреть на океан в разрезе, от поверхности до дна, то мы обнаружим, что он состоит из множества разных слоев. Толщина слоев варьируется от нескольких десятков метров до нескольких километров. Вода внутри каждого отдельного слоя имеет относительно однородную температуру и соленость, а вот между разными слоями температура и соленость сильно меняются. Значения температуры и солености воды в слое определяют плотность этого слоя, фактически – насколько он более тяжелый или легкий по сравнению с другими слоями. Самые легкие воды в океане находятся на поверхности, далее идут слои вод с более высокой плотностью, а у дна расположены самые плотные и тяжелые воды.

Итак, океан – это слоеный пирог из вод разной плотности, и каждый слой занимает в этом пироге свой уровень. Если в каком-то месте в этот слоеный пирог откуда-то со стороны притечет новая водная масса, то она будет опускаться вниз или подниматься вверх, вплоть до глубины, где ниже будет лежать вода с большей плотностью, а выше – с меньшей плотностью. Вот такая происходит сортировка слоев воды сверху вниз по возрастанию плотности.

Но если все слои в океане занимают свое стабильное место, то что должно произойти, чтобы морская вода в каком-то слое стала двигаться по вертикали вверх или вниз, то есть всплывать или тонуть? Для этого должна измениться ее температура или соленость. Нагревание воды уменьшает ее плотность, а охлаждение, наоборот, увеличивает. Так же и с соленостью: опреснение воды уменьшает ее плотность, а осолонение – увеличивает. Конвекция, то есть вертикальное движение воды, вызванное изменением ее плотности в результате изменения температуры или солености, происходит во многих местах в Мировом океане. В основном конвекция приводит к опусканию вод, так как почти всегда изменение температуры и солености океана происходит в поверхностном слое – в результате воздействия солнечных лучей, атмосферы, стока рек, морских льдов. На больших глубинах практически нет процессов, которые могли бы изменить температуру и соленость больших объемов морских вод. Процессы нагрева или опреснения поверхностных вод уменьшают их плотность, но эти воды и так были наверху, и им некуда больше подниматься. А вот охлаждение и осолонение вод может приводить к очень значительному опусканию морских вод. В полярных районах охлаждение поверхностных вод приводит к их опусканию на сотни метров и даже несколько километров вниз.

Кроме изменения температуры и солености морских вод, то есть изменения их физических свойств, вертикальные движения воды могут быть вызваны и динамическим внешним воздействием. Эти вертикальные движения воды называются апвеллингом (подъемом вод с глубины на поверхность) и даунвеллингом (опускание вод с поверхности на глубину). Наиболее простой и наглядный пример такого процесса – ветровой прибрежный апвеллинг. Когда ветер дует вдоль берега, что типично для многих прибрежных районов океана, он приводит в движение прибрежные морские воды. Из-за эффекта Кориолиса течение вод отклоняется от направления ветра; это может происходить как в направлении берега, так и в направлении открытого моря. Если поверхностный слой воды отгоняется от берега, то в более глубоком слое возникает компенсационное течение: непосредственно у берега глубинные воды начинают подниматься на поверхность, замещая ушедшие поверхностные воды. Этот процесс называется ветровым прибрежным апвеллингом. Если ветер дует в противоположную сторону и формируется нагон поверхностных вод на берег, то происходит обратный процесс, даунвеллинг. В этом случае, когда поверхностные воды достигают берега, они начинают заглубляться и опускаются на глубину. Воды в океане могут опускаться с поверхности на глубину и подниматься из глубин на поверхность и в результате других динамических процессов, не связанных с ветром, – например, в центрах вихрей, в результате действия приливов и при обтекании подводных хребтов глубинными течениями.

Рис. 15. Апвеллинг и даунвеллинг

Для биологических процессов в Мировом океане особенно важен процесс апвеллинга, подъема вод. Для того чтобы в поверхностном слое океана бурлила биологическая активность – развивался фитопланктон, затем его поедал зоопланктон, рыба и далее вверх по пищевой цепочке, – необходимо сочетание ряда факторов. Во-первых, для биологической активности важно поступление солнечного света, который является основной энергией для живых организмов. Из-за этого высокая биологическая продуктивность (за редким исключением) возможна только в верхнем слое моря, до глубин в 100–200 метров, куда поступает большое количество солнечного света. Второй очень важный фактор развития жизни в океане – наличие растворенных в воде биогенных веществ (углерода, азота, фосфора, кремния, железа и других), из которых фитопланктон и строит свои тела в процессе фотосинтеза, используя солнечную энергию. Если в поверхностный слой нет постоянного притока биогенных веществ, то они постепенно выводятся из этого слоя. Часть умерших организмов опускается в глубинные воды и разлагается там, то есть за пределами верхнего слоя океана. Таким образом, без постоянной подпитки концентрация биогенных веществ со временем снижается, что понижает и биологическую продуктивность. Из-за этого значительная часть поверхности океана имеет достаточно низкую продуктивность. Подпитка биогенными веществами поверхностного слоя происходит в местах, куда впадают реки (чьи воды насыщаются биогенными веществами из почвы) или где происходит апвеллинг. Глубинные воды океана, наоборот, почти везде богаты биогенными веществами, так как их там никто не потребляет: нет солнечной энергии и невозможен фотосинтез. Поэтому в результате апвеллинга в поверхностный слой поступают богатые биогенными веществами глубинные воды. В число наиболее продуктивных акваторий в Мировом океане входят районы частых прибрежных апвеллингов, например, побережья Перу, Намибии, Мавритании и Калифорнии. В этих водах живет огромное количество рыбы, и ведут промысел рыбаки многих стран мира.

Рис. 16.Глобальный океанический конвейер

В Мировом океане есть несколько акваторий в полярных широтах, где происходит активное опускание воды в результате конвекции и переход воды из поверхностного слоя в глубинный или придонный. Также есть несколько мест, где воды из глубинных слоев интенсивно поднимаются на поверхность в результате апвеллингов. Оказалось, что эти вертикальные движения связаны между собой горизонтальными течениями. Вода, которая опускается с поверхности на дно океана в Северной Атлантике, распространяется по дну на юг, огибает Африку, достигает Индийского и Тихого океанов, где возвращается на поверхность. В поверхностном слое эта вода распространяется назад – через Тихий и Индийский океан в Северную Атлантику, – и круг замыкается. Весь этот цикл, называемый глобальным океаническим конвейером, занимает около тысячи лет. Понимание единства системы течений поверхностных, глубинных и придонных вод в Мировом океане стало одним из важнейших открытий физической океанологии в конце XX века.

Приливы, движение на месте

Выше мы поговорили про горизонтальные и вертикальные течения в океане, которые приводят к перемещению воды на большие расстояния. В океане есть и другие движения, которые, по сути, гоняют воду на одном месте, туда-обратно. Имя этим движениям – приливы. Главная сила, которая вызывает приливные колебания, – это притяжение морской воды Луной и Солнцем. Это единственное значимое движение океана, которое вызывается не солнечной радиацией (прямо или косвенно, например, из-за ветра, который образуется в результате неравномерного нагрева атмосферы), а имеет другой источник энергии. Из-за вращения Луны вокруг Земли и Земли вокруг Солнца области наибольшего притяжения воды на Земле к этим космическим объектам все время смещаются, что и приводит к периодическим повышению и понижению уровня по всей площади Мирового океана. Движение по вертикали приводит к формированию и горизонтальных движений, приливных течений.

Рис. 17.Схема образования лунного прилива на Земле

Луна расположена ближе к Земле, чем Солнце, и ее приливообразующая сила примерно в два раза выше, чем у Солнца. Если бы Земля не вращалась и вся ее поверхность была покрыта океаном, то притяжение Луны образовало бы два возвышения поверхности океана: ровно напротив Луны и с противоположной стороны Земли. Из-за вращения Земли вокруг своей оси эти возвышения находятся в движении, поэтому в течение суток (а точнее, в течение лунных суток, которые чуть длиннее земных суток – 24 часа 50 минут) в каждую точку дважды приходит максимальное возвышение (прилив) и максимальное понижение (отлив).

Высокая вода прилива двигается в противоположную сторону относительно вращения Земли и поэтому замедляет его. Земные сутки по этой причине увеличиваются на 1,5 миллисекунды за столетие. Фактически энергия вращения Земли преобразуется в тепловую энергию при трении океанской воды о морское дно. То же самое происходит и с вращением Луны, несмотря на то, что на ней нет океана. Приливообразующая сила Земли влияет на твердую поверхность Луны, в результате чего вращение Луны вокруг своей оси синхронизировалось с ее вращением вокруг Земли. В результате этой синхронизации Луна обращена к Земле всегда одной и той же стороной. Замедление вращения Земли также приводит к постепенному отдалению орбиты Луны от Земли со скоростью около 4 сантиметров в год. Вот так движение вод Мирового океана оказывает значимое влияние на движение Земли и Луны.

Рис. 18.Сизигийный и квадратурный приливы

Влияние Солнца приводит к образованию то более сильных (сизигийных), то более слабых (квадратурных) приливно-отливных колебаний. При наиболее сильных сизигийных приливах Земля, Луна и Солнце выстраиваются в линию, и притяжение воды Солнцем усиливает притяжение Луной. В случае наибольшего квадратурного прилива Солнце притягивает участок океана, находящийся под прямым углом относительно линии между Землей и Луной, и влияние Луны ослабляется.

Из-за наличия суши, разных глубин в океане и влияния эффекта Кориолиса реальные приливные колебания в Мировом океане имеют гораздо более сложный вид. Удивительно, но в Мировом океане есть около 15 амфидромических точек, где приливные колебания отсутствуют. Приливные колебания обегают вокруг этих точек по часовой или против часовой стрелки. Приливы также очень малы в полуизолированных морях, до которых почти не доходят колебания из открытого океана. Так, например, в Черном и Балтийском морях амплитуда прилива не превышает нескольких сантиметров.

Рис. 19.Приливные колебания Мирового океан

В некоторых прибрежных зонах приливные колебания, наоборот, гораздо сильнее, чем в среднем в океане. Когда прилив загоняет воду из открытого моря в сужающийся залив, то из-за инерционности процесса уровень моря в вершине залива может резко увеличиваться. Если в открытом океане амплитуда прилива не превышает нескольких десятков сантиметров, то в некоторых заливах они могут быть больше 10 метров. Самые высокие приливы в России с амплитудой в 13 метров (как высота пятиэтажного дома) наблюдаются в Пенжинской губе, расположенной между полуостровом Камчатка и материком. Приливы в заливе Фанди, расположенном на атлантическом побережье Канады, еще выше – до 18 метров.

Приливные колебания уровня моря особенно хорошо заметны вблизи пологих берегов, когда каждые сутки большие прибрежные зоны осушаются и вновь заполняются морской водой. С одной стороны, это позволяет собирать морские организмы, живущие в приливно-отливной зоне, а с другой стороны – затрудняет судоходство. Именно поэтому прогнозирование приливных колебаний и приливных течений с античных времен было важнейшей прикладной задачей океанологии. Разобраться с этим удалось лишь к середине 18 века. Сейчас приливы и отливы – одно из самых хорошо изученных явлений в океане.

В некоторые порты в отлив даже нельзя войти, приходится ждать прилива, высокой воды. Но есть места, где приливы и отливы влияют на движение не только судов, но и наземного транспорта. Такие места называются отливными дорогами – это сухопутные дороги, которые проходимы только в отлив, а в прилив оказываются под водой. Самые знаменитые отливные дороги находятся в Англии и во Франции. Дорога Пассаж-дю-Гуа длиной 4 километра известна с XVII века. Проехать по ней можно дважды в день, в течение трех часов наиболее низкой воды, и только в хорошую погоду. В другое время или в шторм дорога затапливается водой. На дороге каждые 500 метров стоят вышки, на которых можно спастись в случае резкого ухудшения погоды. На этой дороге проводятся региональные соревнования по бегу и даже периодически проходит один из этапов велогонки «Тур де Франс». Брумвей, еще одна знаменитая отливная дорога в Великобритании, работает уже больше 600 лет. В отличие от Пассаж-дю-Гуа, который представляет собой путь с материка на остров, Брумвей – это дорога вдоль берега моря по мелководью, по которой удобно доехать на острова в дельте реки Крауч. Брумвей достаточно длинный, 8 километров, и открывается для проезда дважды в сутки на 6–7 часов.

Некоторые отливные дороги функционируют не каждый день, а только в периоды наиболее сильного отлива. В предельном случае приливная дорога открывается только несколько раз в год, что, например, происходит между двумя южнокорейскими островами – Чиндо и Модо. В честь такого события устраивается большой фестиваль. В России тоже есть знаменитая отливная дорога, которая, правда, представляет собой скорее отливную тропинку. Эта тропинка расположена во Владивостоке и соединяет маяк Токаревского с берегом. Во время отлива можно посуху дойти до маяка, но если пропустить время и не успеть вернуться, то придется идти либо босиком, либо в мокрой обуви.