Знак Вопроса 1997 № 04: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Таковы, безусловно, интересные факты. Но сами по себе они ни о чем еще не говорят. Быть может, сам факт изгиба, т. е. подъема и опускания океанической поверхности в процессе ее приспособления к напряженности гравитационного геополя, в некотором смысле напоминает живое существо…

А вот ученые считают, что никакими особыми свойствами «бугры» и «впадины» поверхности океана якобы не обладают. По их мнению, они не оказывают существенного воздействия даже на циркуляцию воды в этих местах. Впрочем, автор считает, что такое мнение специалистов слишком «быстротечно», поскольку оно не учитывает долговременных процессов и явлений, могущих происходить между этими аномалиями поверхности океана, например, с учетом ее динамических свойств и т. д.

Именно здесь, вероятней всего, нужно сказать несколько слов о том, что такое внутренние волны в океане. И важно это хотя бы потому, что изучение их — одна из важнейших задач океанологии нашего времени. Ученые сначала теоретически предсказали существование этих волн, а потом, лишь полвека спустя, открыли их в природных условиях.

В середине XVIII века Франклин, совершая морское путешествие, обратил внимание на следующее необычное явление. В светильной лампе, стоявшей на столе у него в каюте, поверх воды было налито масло. Слой масла оставался абсолютно спокойным, а на его границе с водой происходило что-то непонятное: здесь возникла волна. Это, образно говоря, была «буря в стакане воды». Франклин незамедлительно поспешил опубликовать свои наблюдения. И правильно сделал: его сообщение стало первым «лабораторным наблюдением» подводных волн. Но самое интересное заключалось в том, что в жизни моряки часто сталкивались с подобными явлениями!

Один только пример. Очень давно норвежские мореплаватели обратили внимание на странное явление, которому дали название «лежать в мертвой воде». Суда, пересекая местные фьорды, вдруг застывали на месте И, точно удерживаемые магической рукой, не в силах были двинуться ни вперед, ни назад. Позже, в 1904 году, норвежский путешественник Ф. Нансен и шведский физик В. Экман, изучая эту особенность фьордов, выяснили, что она характерна для тех мест, где над соленой водой имеется слой более легкой опресненной воды. Резкие перепады в плотности воды и создают эффект, удерживающий суда на месте.

Серьезно, на уровне современной науки, внутренние волны стали изучать только после второй мировой войны. И почти сразу же удалось выяснить любопытнейшие, просто потрясающие подробности. И вот что интересно: существуют внутренние волны даже тогда, когда поверхность океана идеально спокойна.

Предположим, что вы видите совершенно гладкую поверхность воды. Это совсем не значит, что и во внутренних ее слоях все спокойно. Там, на глубине 200–300 метров от уровня океана, могут «бушевать» (это слово взято в кавычки только потому, что подводные волны развиваются гораздо медленнее, чем поверхностные) настоящие бури и штормы, причем подводные волны достигают иной раз внушительных размеров: амплитуда по высоте достигает 50 метров, а ширина свыше 100 метров. Правда, период их колебаний может лежать в интервале от нескольких минут до нескольких суток. Удивительно тут другое: волны эти могут пронизывать всю толщу океана до самого дна! Как это можно себе представить?

Вот, скажем, колеблется поверхность воды. Поверхность воды — это граница воды и воздуха, т. е. двух сред с разной плотностью. Но ведь и в глубине океана располагаются слои с разной плотностью. Представьте теперь границу между двумя такими слоями. В покое она, как и поверхность воды, гладкая. Но вот какая-то причина заставляет тяжелый слой подняться, выгнуться горбом. Потом он идет вниз, и возмущения распространяются во все стороны — бегут внутренние волны…

В свое время английский океанолог Дж. Вуде высказал гипотезу, что существующие между соседними слоями с неоднородными характеристиками четко выраженные границы — океанические фронты, или фронтовые разделы, являются, по-видимому, теми «окнами», где происходит обмен повышенной интенсивности теплом и солями между поверхностными и глубинными зонами Мирового океана. Сейчас эта идея находит подтверждение…

Дело в том, что буквально недавно было сделано еще одно неожиданное открытие: весь океан сверху донизу состоит из своеобразных неоднородностей, вызываемых множеством различных причин. Океан точно сшит из отдельных лоскутов — разных слоев воды, резко отличных друг от друга по своей «фактуре» — температуре, солености, плотности, скорости течения, прохождению звука и электропроводности. Причем подобная «пестрота» существует как по вертикали, так и по горизонтали. Эти «лоскуты» могут быть весьма разнообразными по форме и размерам. Ширина их колеблется от 100 метров до 100 километров, но иногда она не занимает площадь от берега до берега. Они не «пришиты» к какому-то одному месту, а как бы «скользят» горизонтально и наклонно в разных направлениях. Такая тонкая структура была обнаружена на всех глубинах, и не будь ее, многие процессы и явления в океане протекали бы совершенно по-иному.

Ученые установили в последние годы, что внутренние волны буквально пронизывают всю морскую толщу. Найдены доказательства, что в них, к примеру, океан закладывает «остатки» неиспользованной энергии, которую в огромных дозах каждые сутки закачивают в него приливообразующие силы, создаваемые совместным притяжением Луны и Солнца. Но внутренние волны образуются и по другим причинам, в частности, и из-за океанических фронтов.

Конечно же, внутренние волны важны для мореплавания. Кстати, теперь ученые предполагают, что катастрофа с американской подводной лодкой «Трешер» могла быть вызвана встречей ее с одной из таких внутренних волн-гигантов. По их мнению могло произойти следующее: внутренняя волна бросила «Трешер» на сверхпредельную для подводной лодки глубину. Не надо забывать, что внутренние волны искажают подводные акустические колебания, что также вызывает нежелательные для людей последствия.

Природа глубинных волн очень сложна и пока еще до конца не раскрыта. Ученые объясняют ее гидродинамическим эффектом приливно-отливных течений, наталкивающихся на своем пути на горные цепи, протянувшиеся по дну океана. Удалось, например, установить, что волны полусуточного периода вызывают в основном приливы. Но ведь волны такого диапазона — лишь незначительная часть внутренних волн. А что вызывает образование всех остальных — и сейчас неизвестно. Как-то влияют ветры, как-то течения, но что играет главную роль, а что — второстепенную, и сегодня еще не совсем до конца ясно.

Эти невидимые, скрытые от наших глаз волны обладают всеми свойствами обычных волн, которые мы привыкли видеть на поверхности моря. Они также растут, а потом, как обычные волны прибоя, обрушиваются, вызывая при этом турбулентность — вихревые потоки. Но и турбулентность, в свою очередь, может вызвать внутренние волны. Видимо, не последнюю роль играют в данном случае и мощные циклоны, вздымающие и раскачивающие миллионнотонные массы воды.

Явление крупномасштабных вихревых образований впервые было обнаружено советскими учеными во время осуществления программы «ПОЛИГОН-70» в тропической зоне Северной Атлантики. Здесь, вдали от берегов, в открытом океане, вдоль линий, образующих крест, ученые поставили 17 автоматических буйковых станций, которые измеряли параметры течений. Измерения проводились шесть месяцев, а характеристики течений регистрировались каждые полчаса. Когда были обработаны результаты измерений, то оказалось, что здесь было открыто удивительное явление природы — синоптические вихри с горизонтальными размерами от 100–150 до 300–400 километров.

Эти вихри обладают огромными запасами кинетической энергии, которая в сотни раз превышает энергию течений более крупных масштабов. Наряду с этим они заметно влияют на энергетический баланс Мирового океана, поскольку в них заключено до 90 процентов его кинетической энергии. Сами же течения, как было выяснено в результате проведенных исследований, — это сложная совокупность разномасштабных вихрей в океане с некоторым общим направлением перемещения. Помимо этого, было выяснено, что океанические течения проявляются не только на поверхности океана, но они существуют и в виде, например, подводных течений, порой противоположного направления.

Удалось установить, что существуют вихри с циклоническим (против часовой стрелки) и антициклоническим вращением воды. Оказалось, например, что в северном полушарии изотермические поверхности поднимаются в ядрах «циклонов» и опускаются в ядрах «антициклонов». Амплитуда этих смещений составляет 100–150 метров. Из-за подъема вод циклонические вихри имеют в центре отрицательную температуру, а анти-циклонические — положительную, поэтому их соответственно называют холодными и теплыми. Оба типа этих вихрей, естественно, создают особые, труднопрогнозируемые условия для теплового и влажного обмена с воздушной атмосферой Земли.

Значимость динамики океана в областях, где «живут», т. е. развиваются и действуют, синоптические вихри, которые проникают на глубину более полутора километров, углубляется еще и сложным характером взаимодействия их с квазистатическими океанскими течениями. Эти течения, как известно, имеют свои сезонные и годичные флуктуации изменчивости, что, естественно, значительно затрудняет прогнозирование характера их поведения во времени.

Ученым очень непросто было отказаться от устоявшегося представления об океанских течениях как о «реках» в океане. И, как следствие этого процесса, возник принципиально новый подход к измерениям течений на различных глубинах — появился МЕТОД ПОЛИГОНОВ. Дело в данном случае заключалось в том, что измерения океанских течений, сделанные в одном и том же пункте в разное время, как правило, не согласуются с общей картиной циркуляции вод.

Для устранения указанного недостатка используются два подхода. Во-первых, измерители течений устанавливают на различных горизонтах во многих фиксированных точках океана (с разнесением до многих сотен километров). Во-вторых, в океан выпускают большое количество буев нейтральной плавучести, устроенных так, что они уравновешиваются на определенных глубинах и следуют за водными массами. О своем местонахождении буи сообщают регулярно по акустическому каналу на береговые станции. Вот и получается, что преимущество МЕТОДА ПОЛИГОНОВ состоит как раз в том, что на специальном океаническом участке характеристики течений измеряются сразу в нескольких или многих местах.

Преподнес сюрприз Гольфстрим… Выяснилось, что от его основного, хорошо изученного течения постоянно отделяются громадные отростки, постепенно изгибающиеся в причудливые завитки-вихри. Вихри, образуемые течением Гольфстрим, называются «рингами». «Ринг» — это огромная конусообразная масса воды диаметром в 100–150 километров.

Оторвавшись от Гольфстрима, «ринг» долго путешествует по Атлантическому океану, проходя за сутки несколько километров и меняя направление течений, возмущая представителей подводной биологической фауны. Он живет своей, вполне самостоятельной жизнью до тех пор, пока бесследно не растает. За это время он успевает заплыть далеко на север. Один из таких «рингов» наблюдался командой судна «Академик Вернадский» на 60° северной широты и 12° западной долготы.

Вихри-«ринги» вращаются со скоростью порядка 1,0–1,5 метра в секунду, но иногда вращение может достигать и 25 метров в секунду. Это вращение поднимает со дня океана холодные воды. Перемещение такого количество воды в океане, естественно, сказывается на атмосферных явлениях.

Над загадками вихрей кроме наших ученых работали и американские океанографы, и оказалось, что цели обеих программ сводились к изучению одних и тех же морских явлений. В дальнейшем советские ученые провели еще несколько экспериментов в открытом океане с целью исследования природы и особенностей ранее открытых вихрей. В то же время американские ученые приступили в 1972 году к проекту МОДЕ (срединноокеанический динамический эксперимент), который вместе с «ПОЛИГОНОМ-70» положил начало советско-американскому научному сотрудничеству и, начиная с 1974 года, было решено проводить подобные исследования совместно. Так родилась общая программа «ПОЛИМОДЕ», рассчитанная на проведение полигонных экспериментов. Нужно сказать, что постановка подобных экспериментов — дело очень трудное и дорогостоящее. Обычно в работах бывает занято несколько судов и сотни ученых и моряков.

Тщательно разработанная программа была составлена так, чтобы с минимальными для каждой из сторон затратами времени и средств получить наиболее полные результаты. В задачу программы «ПОЛИМОДЕ» входило, например, изучение скорости течений и плотности воды на сравнительно небольшой площади. Для этой цели в северо-западной части Атлантического океана был намечен круг радиусом в несколько сот километров.

То, что главным гидрофизическим полигоном оказался район БТ, — случайность. Вначале предполагалось работать гораздо севернее — к югу от Ньюфаундлендской банки. Но там слишком сложные климатические условия, а в районе Бермуд погода получше. Когда был утвержден этот район, кто-то из присутствующих заметил, что работать придется почти в самом центре «зловещего БТ». И хотя шуток по этому поводу было высказано немало, ни у кого не возникла мысль переместить район исследований в другое место.

Основные исследования по совместному проекту были запланированы на 1977–1978 годы. В них предполагалось участие также ученых Англии, Канады, Франции и ФРГ. Первый шаг на пути к этому был сделан нашим научно-исследовательским судном «Академик Вернадский». Именно его экипажу было поручено провести исследования, позволявшие определить пути подхода к решению данной проблемы и, в частности, начать работы по созданию соответствующих физико-математических моделей поля синоптических вихрей и методов расчета нестационарных океанских течений.

Работы велись совместно с американскими учеными и заключались в изучении оптических, химических и биологических явлений, проведении замеров температур и параметров вихревых образований в океане.

Совместный советско-американский эксперимент «ПОЛИМОДЕ» успешно закончился в октябре 1978 года. За проведенное в центре БТ время экспедициям ученых приходилось пережить достаточно много. Так, например, тропические ураганы трижды обрушивались на советский полигон, а в осенние и зимние сезоны члены экспедиций подвергались воздействию жестоких штормов. Летом же температура воды в океане нагревалась более чем до 30 °C, создавая изнурительную духоту и жару.