По программе ПОЛИМОДЕ в Бермудском треугольнике: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

И тем не менее, сто пятьдесят лет назад были высказаны некоторые соображения о том, что океан изменчив, что течения, температура, соленость и пр. меняются как в пространстве, гак и во времени. К такому выводу пришел английский исследователь Джеймс Реннел. За семнадцать галсов, которые он проделал между Галифаксом и Бермудскими островами, Реннел установил, что местоположение и ширина Гольфстрима меняются со временем и что эти изменения нельзя отнести только к разряду сезонных. По его словам, отсутствие синхронных наблюдений является «непоправимым дефектом» океанографического эксперимента.

Несмотря на то, что ученые уже давно считали океанические течения меняющимися во времени, они очень пессимистично относились к вопросу о возможности их изучения. Реннел разделил течения в океане на четыре категории: дрейфовые (т. е. вызванные ветрами) потоки, локальные и временные. О последних он сказал следующее: «Нет никакой необходимости заниматься подобными течениями. Они не подчиняются никаким правилам, и поэтому изучение их бесполезно».

Новые эксперименты — новые идеи

В мировой науке известно немало случаев, когда абсурдная на первый взгляд идея вскоре перестает казаться нелепой и получает всеобщее признание. Но чтобы утвердить или отвергнуть эту идею, необходимы эксперименты. К сожалению, на деле теория и практика часто расходятся.

Пытаясь охарактеризовать начальный этап развития океанографических исследований, норвежский ученый-океанограф Г. Сведруп сказал, что много людей проводили измерения в океане, но лишь немногие из них размышляли над полученными результатами. И наоборот, в сороковых — пятидесятых годах советский океанограф В. Б. Штокман отметил, что «ныне слишком мно — го ученых занимались теоретическими исчислениями и слишком мало проводили целенаправленные измерения». Именно этот анахронизм явился причиной того, что в последнее время с новой силой заговорили об изменчивости океана. Но прежде необходимо было преодолеть кризис в области эксперимента, который наблюдался вплоть до семидесятых годов нашего века. Сегодня можно утверждать, что идея Реннела о проведении синхронных измерений уже осуществлена, а его скептическое замечание относительно бесплодности изучения изменяющихся во времени океанских движений уже давно опровергнуто. Основным направлением океанографических исследований как в теоретическом, так и в практическом плане, стало изучение именно изменчивости океана, ибо только она поможет раскрыть тайны механизмов формирования движений в океане.

Реализация идеи долговременных экспериментов в области исследования изменчивости крупных океанских процессов началась с работ В. Б. Штокмана. В 1935 году руководимая им экспедиция в течение трех недель на двух заякоренных судах проводила измерения флюктуации течений в Каспийском море. Результаты измерений показали, что изменения скоростей течений не всегда связаны с изменчивостью в атмосфере, как считалось до тех пор. Даже в безветренный период динамика течений в районе исследований отличалась большим разнообразием. Это позволило предположить, что изменение скоростей, а также иных гидрофизических характеристик подчинено каким‑то неизвестным пока механизмам, скорее всего связанным с самими течениями.

В 1956 году эксперимент, подобный Каспийскому, был проведен и в Черном море уже представителями нового поколения ученых, которые в настоящее время стоят в авангарде советской океанографической науки. Эксперименты носили полигонный характер. Это означает, что для проведения измерений выбиралась определенная морская акватория (полигон), где в течение продолжительного времени на заякоренных судах или буйковых станциях проводятся гидрофизические исследования.

Первым полигонным экспериментом, включающим все главные компоненты современных экспериментов, следует считать эксперимент 1967 года в Аравийском море. Но прежде нам хотелось бщ рассказать о некоторых интересных особенностях динамики Индийского океана, которые в той или иной степени характерны и для остальных океанов.

Специфика течений в этом океане обусловлена его географическими особенностями (близость полуострова Индостан к экватору), из‑за чего невозможно образование северного субтропического циркуляционного кольца, как это имеет место в Атлантическом и Тихом океанах. Следствием этой особенности являются муссоны, которые очень хорошо выражены именно в этой части земного шара. В зависимости от направления муссонов могут быть выделены два периода: летний, когда дует юго — западный муссон, и зимний, соответствующий северо — восточному муссону. Между этими двумя периодами наблюдаются два коротких интервала: октябрь — ноябрь и март — апрель.

В зимний период система течений Индийского океана включает Северное Пассатное течение (Северо — восточное муссонное), Сомалийское течение и противотечение в экваториальной зоне. Северо — восточное муссонное течение зарождается в ноябре, причем скорость его достигает максимума в феврале (южнее острова Цейлон, например, скорость превышает одну морскую милю в час). В этот период значительная часть вод, достигнув полуострова Индостан, устремляется на северо — запад, следуя параллельно западному берегу полуострова. Часть этих вод вливается в Красное море, а остальная часть продолжает двигаться на юг, где они, смешиваясь с водами пассатного течения, способствуют усилению Сомалийского течения. Воды последнего питают Экваториальное противотечение, которое зимой расположено между 3 с. ш. и 5 ю. ш. и простирается к востоку до берегов Индонезии. Нужно сказать, что в период северо — восточного муссона циркуляция в океане выражена сравнительно слабо и затрагивает лишь верхние слои океана.

В отличие от течений других океанов, течения Индийского океана имеют различный характер в период зимнего и летнего муссонов. Летом у берегов Сомали зарождается течение, подобное Гольфстриму и Куросио, направленное на север.

Сегодня уже известно, что для океанических движений, масштабы которых соизмеримы с размерами океанов, характерен особый вид колебаний. Эти колебания представляют собой длинные (размером в несколько сотен километров) планетарные волны, названные по имени своего открывателя — шведского геофизика Карла Густава Аренда Россби волнами Россби. Подобные волны существуют и в атмосфере, но там их размеры в десятки раз больше. Для того чтобы возникли волны Россби, необходимо какое‑то внешнее возмущение, которое бы отклонило огромные воздушные или водные массы в направлении север — юг. В результате возникающих при вращении Земли сил появляется горизонтальное колебание этих масс, которое распространяется на запад. И вот именно здесь становится понятной; роль муссонов в зарождении двух типов течений в Индийском океане — летнего и зимнего. Эти ветры и служат тем внешним возмущением, которое приводит в движение водные массы.

В летний период муссона ветер меняет свое направление на 180°, увлекая огромные массы воды в направлении север — юг. Это совершенно изменяет характер течений в Индийском океане. Они становятся более интенсивными и проникают на большую глубину. Волны Россби распространяются на запад и несут с собой энергию, полученную внутри океана. Эта энергия «накапливается» у берегов Сомали, где спустя некоторое время возникает мощное Сомалийское течение — аналог Гольфстрима. Таким образом, на протяжении шести месяцев структура системы течений в Индийском океане полностью совпадает со структурой течений в остальных океанах.

Схема расположения приборов на автономной буйковой станции (АБС): 1 — радиоотражатель; 2 — буй (поплавок); 3 — трос; 4 — автономные регистрирующие приборы; 5 — якорь.

А теперь продолжим наш рассказ об эксперименте в Аравийском море. Он проводился в квадрате, каждая сторона которого составляла 5°, при помощи семи автономных буйковых станций (АБС). Такие станции представляют собой поплавок на поверхности моря, к основе которого прикреплен крепкий металлический трос длиною в тысячи метров. Другой конец троса заякорен на дне, а между якорем и поплавком (буем) устанавливаются самопишущие измерительные приборы. Во время работ на Аравийском полигоне такие приборы работали на глубине до 1200 метров на протяжении двух месяцев.

Целью советских ученых было изучение океанических движений во времени и пространстве. Эксперимент увенчался успехом. Последующие расчеты показали, что во время работ на полигоне через него прошел холодный океанский циклон. Так впервые в океанографии целенаправленными измерениями было подтверждено, что в океане существуют вихревые образования — циклоны и антициклоны. В силу того, что их размеры меньше размеров крупных океанских течений и больше размеров мелкомасштабных движений в океане, для них был принят общий термин — синоптические движения, по аналогии с физически подобными возмущениями в атмосфере.

Результаты, полученные во время Аравийского эксперимента, далеко превзошли даже самые смелые ожидания. Была доказана тесная связь между волнами Россби и вихрями в океане. По этому поводу американский ученый П. Райнз сказал: «Слабые вихри — это волны». Действительно, общим у них является то, что и те, и другие — осциллирующие (зачастую синусоидальные) и распространяются на запад на огромные расстояния. Тем самым они способствуют переносу энергии к западным берегам океанов и интенсифицируют течения в этих районах.

Вопрос о циклонах и антициклонах заинтересовал не только советских ученых, но и их американских коллег. В этом плане особую известность получила экспедиция на американском судне «Эрайез» в 1959–1960 гг. Эта экспедиция должна была провести ряд глубоководных исследований течений Атлантического океана. Считалось, что они перемещаются равномерно на север со скоростью меньше сантиметра в секунду. Но во время проведения эксперимента поплавки двигались хаотически, причем со скоростью, достигавшей на глубине четырех километров 10 сантиметров в секунду. Это открытие привело к изменению программы работ. Окончательная обработка данных позволила предположить, что открыты вихревые образования диаметром почти 200 километров, с временным периодом от нескольких недель до нескольких месяцев и с большой энергетической плотностью. Ученые пришли к выводу, что для более тщательного изучения этих образований необходимо провести долговременный эксперимент с более густой пространственной сеткой измерений.

Вихри в океане и атмосфере

Большинство людей считает, что вихрь — это круговое движение. Обычно это понятие связывается с явлениями, наблюдаемыми в водных потоках, ручьях, а также с воздушными вихрями. Нам трудно себе представить вихревое образование, чьи размеры по горизонтали исчисляются несколькими сотнями километров, а в высоту достигают несколько километров. Таковы обычно масштабы вихрей в океане, а в атмосфере они в десятки раз больше. Характерное время[3] океанических вихрей несколько месяцев, а атмосферных — всего несколько дней. Но несмотря на эти отличия, и океан и атмосфера _ генерируют вихревые образования — циклоны и антициклоны, которые, перемещаясь в пространстве, переносят водные и воздушные массы на огромные расстояния.

Как уже отмечалось, после усреднения за продолжительный отрезок времени элементы атмосферной циркуляции, связанные с вихрями в атмосфере, исчезают. Означает ли это, что влияние вихрей на глобальные процессы в атмосфере несущественно? Прежде чем ответить на этот вопрос, сделаем небольшое отступление в области термодинамики. Все знают, что молекулы находятся в непрерывном движении и постоянно взаимодействуют друг с другом. Внешним выражением движения молекул в твердых телах, жидкостях и газах является температура. Что же произойдет, если мы возьмем, например, металлический прут и нагреем его с одного конца? Молекулы в этом конце начнут двигаться быстрее и станут чаще сталкиваться друг с другом. Более быстрые молекулы, ударяясь о более «ленивые», отдадут им часть своей энергии, в результате чего постепенно движение всех молекул станет более интенсивным, т. е. повысится температура и в том конце, который не нагревался.

Когда мы приготовляем себе пищу на электроплитке, конечно, никто из нас даже не думает о том, какую бесценную услугу оказывают нам молекулы, переносчики тепла. Мы их не видим, да и кто станет задумываться над этим, когда всех интересует лишь конечный результат нагревания. Однако это невидимое движение волнует ученых.

А теперь снова вернемся к атмосфере. Выражаясь образно, циклоны и антициклоны — это гигантские молекулы диаметром в тысячу километров, которые играют в общей циркуляции атмосферы совершенно определенную роль. Их задача — извлекать энергию из тех областей, где она наиболее сконцентрирована (например, в экваториальной и тропической областях), и переносить ее в места, где ее немного (например, на север). Эти «гигантские молекулы» привлекли пристальное внимание ученых тогда, когда встал вопрос о механизмах движений в атмосфере, а точнее, о структуре движений. В этом смысле циклоны и антициклоны, хотя они и недолговечны, подробно «рассказывают» о сущности атмосферных процессов, оставляя и свой след в состоянии атмосферы.

Нам все еще неизвестно, каково значение океанических вихрей для общей циркуляции океана. Ответить на этот вопрос нам поможет некоторая аналогия между движением в атмосфере и океане. Но несмотря на то, что океанические вихри — аналоги атмосферных, все же нельзя с уверенностью утверждать, что их значение такое же, как и атмосферных. Прежде необходимо подробно рассмотреть структуру вихрей в океане, их поведение, эволюцию и т. д. И только тогда можно дать однозначный ответ на вопрос, откуда берется энергия в океане, куда она уходит и какова роль вихрей в формировании динамики океана.

Удачным методом изучения движения жидкости и газов на Земле является их моделирование в лабораторных условиях. В этом отношении можно использовать опыт конструкторов самолетов. Они помещают свои небольшие модели в искусственные каналы, направляют на них воздушную струю и изучают поведение самолета. Но при оценке результатов необходимо учитывать лабораторные масштабы модели. Такой подход очень часто используется и при исследовании вихрей в океане и атмосфере, которые отличаются особыми размерами во времени и пространстве. В основном эти размеры определяются относительными изменениями плотности жидкости в вертикальном направлении. Например, в атмосфере отношение вертикального изменения плотности к самой плотности приблизительно в 250 раз больше такого отношения для океана. Вследствие этого размеры океанических циклонов и антициклонов приблизительно в 16 раз (√250) меньше размеров их атмосферных аналогов. Этот теоретический вывод не раз подтверждался и на практике.

Как можно определить характерное время для циклонов и антициклонов в атмосфере и океане? Это можно сделать и путем теоретических расчетов, и экспериментальным путем. Опыт показывает, что соотношение характерных времен атмосферных и океанических вихрей приблизительно равно соотношению горизонтальных масштабов океанических вихрей к масштабу атмосферных. Эта зависимость имеет серьезное теоретическое объяснение. Чтобы его понять, необходимо вновь вспомнить о пионере в области теоретической метеорологии и океанографии— шведском геофизике Россби.

Мы уже говорили о том, что в результате активности муссонов в Индийском океане зарождается Сомалийское течение. Но при чем тут вихри, спросите вы. забыв слова американского океанографа П. Райнза о том, что слабые вихри — это волны. Слабые вихри в данном случае — это такие вихри, у которых скорость кругового движения по отношению к скорости поступательного движения вихря невелика. В результате атмосферной активности над океаном в нем возбуждаются волны Россби, которые распространяются на запад. Они взаимодействуют друг с другом, усиливаются и вызывают подлинно «сильные» вихри. В них скорость орбитального движения превышает скорость перемещения вихря как единого целого иногда более чем в сто раз.

Одной из величайших заслуг Россби является то, что он открыл теоретическую зависимость частоты планетарных волн от их длины. Согласно этой зависимости, частота пропорциональна длине волны, а это означает, что ее период обратно пропорционален ее длине. С другой стороны, длина волн Россби равна характерным масштабам вихрей в океане и атмосфере.

[3] Характерное время — время прохождения вихря через данную точку.