Энергетика пограничных зон океана

Материки как препятствия для крупномасштабного движения океанских вод

  Важнейшее воздействие материков на крупномасштабное движение вод океанов состоит в том, что они перекрывают широтные течения, создают круговороты и вызывают быстрый глобальный теплоперенос к полюсам. Вспомним симметричное устройство круговых течений в крупных бас­сейнах (рисунок 11.1). В каждом таком круговороте на ближней к полюсу стороне течение направлено на восток и непо­средственно связано с соответствующим поясом западных ветров. Примерами могут служить течение Западных Вет­ров в южной части Тихого океана и Северо-Тихоокеанское течение в Северном полушарии. Оба этих течения упирают­ся соответственно в Южно- и Северо-Американский конти­ненты, где каждое из них разделяется, образуя пару восточ­ных пограничных течений: течение Мыса Горн и течение Гумбольдта (Перуанское) в Южном полушарии, Аляс­кинское и Калифорнийское течения в Северном полушарии.

  Точно так же Северное и Южное Экваториальные (Пас­сатные) течения всех крупных бассейнов возбуждаются пас­сатами данного полушария. Эти течения несут теплые по­верхностные воды к западным границам океанов и создают там мощные потоки, направленные к полюсам, — напри­мер, течение Куросио в северной части Тихого океана и Гольфстрим в Северной Атлантике.

  Различия между исследованиями прибрежных вод Атланти­ческого и Тихого океанов. Западные пограничные тече­ния, как правило, самые сильные. Течения типа Гольфстри­ма отличаются малой шириной и большой глубиной: при ширине, скажем, 100 км они могут достигать дна океана (рисунок 11.2). На поверхности их скорость доходит до 2 м/с. В отличие от этого ширина Калифорнийского течения, про­ходящего вдоль восточной границы Северо-Тихоокеанского бассейна, измеряется многими сотнями километров, но глу­бина его — всего около 500 м, а скорость — лишь 0,05-0,2 м/с.

  Такое различие в интенсивности и форме восточных и западных пограничных течений в значительной мере объяс­няет, почему исследования Атлантического побережья США должны отличаться от исследований Тихоокеанского побе­режья. Например, биологи из Института океанографии Скриппса в Ла-Холье, Калифорния, установили, что планк­тонное сообщество, живущее вблизи этого побережья, рас­пространено и далеко в океане, в сотнях километрах от бе­рега. Эти данные подтверждают физические представ­ления о рассеянии (дисперсии) планктонных сообществ по всему обширному течению, проходящему в океане у берегов Калифорнии.

  Различия в температуре пограничных течений. Как уже го­ворилось, направленные к экватору пограничные течения в среднем холоднее, чем те пограничные течения, которые на­правлены — в тех же широтах — к полюсу (рисунок 6.5). Этот факт еще раз подтверждает разнообразие условий, с кото­рыми сталкивается прибрежная океанология. Классический пример — воздействие холодных восточных пограничных течений на климат соседних берегов. Суровые пустыни вдоль берегов Северной Африки, пустыня Намиб в Южной Африке, а также пустыни Перу и Чили — все они связаны с холодными водами у этих восточных границ океанов. Кро­ме того, скудные дожди означают и малый речной сток, так что прибрежные воды у берегов этих пустынных реги­онов менее насыщены континентальными материалами, чем обычно наблюдается в большинстве прибрежных условий. Поскольку здесь меньше эстуариев, биологическая система также должна отличаться от биоты других пограничных зон. Многие виды животных, обитающих во взрослом со­стоянии в прибрежных водах, в какой-то период своего жиз­ненного цикла зависят от эстуариев (вспомните рисунок 12.7).

Диссипация энергии океанских движений

  Анализ распределений поверхностных ветров над океански­ми бассейнами (рисунок 10.5 и рисунок 10.7) может вызвать удивление: ведь если ветры непрерывно возбуждают океанские круго­вые течения, скорость этих течений должна непрерывно рас­ти. На деле же мы не наблюдаем такого ускорения, а зна­чит, существует какой-то механизм, отводящий энергию океанского движения с такой же скоростью, с какой ветры передают ее океану. В стационарных условиях поступление энергии должно равняться ее потере, и место, где происхо­дит диссипация энергии волн, приливов и течений, — это главным образом мелководные континентальные окраины.

  Трение между континентами и пограничными течениями. Каким образом континенты оказывают «фрикционное тор­можение» на движущиеся океанские воды, иллюстрирует рисунок 18.1. В качестве примера взяты условия в Северо-Ат­лантическом бассейне. Картина распределения поверхност­ных ветров — от зоны восточных ветров (пассатов) в низ­ких широтах до пояса западных ветров в окрестности 40° с. ш. — указывает на то, что ветры приводят в движе­ние воды во внутренних областях океана по часовой стрел­ке, что обозначено на схеме штриховыми кружками со зна­ком «—». При сложении всего этого распределенного по океану вращательного движения образуется крупномасштаб­ный круговорот, рассмотренный нами в главе Циркуляция в океанах. А из-за того что ветры дуют непрерывно, в Северной Атлантике постоян­но поддерживается и вращение течений по часовой стрелке.

Трение между крупномасштабными прибрежными течениями и жесткими границами континентов приводит к образованию «вихрей», вращающихся в направлении, противоположном тому, которое сообщается океану крупномасштабным распределением ветров

Рисунок 18.1. Трение между крупномасштабными прибрежными тече­ниями и жесткими границами континентов приводит к образова­нию «вихрей», вращающихся в направлении, противоположном то­му, которое сообщается океану крупномасштабным распределени­ем ветров. В Северной Атлантике наибольший компенсирующий эффект фрикционных вихрей связан с Гольфстримом — мощным течением у западной границы этого океанического бассейна. Многочисленные вихри, формирующиеся в зоне трения между пограничными течениями и континентом,— это вид крупномасштабной турбулентности, переносящей речной сток через шельфы в открытом море. В каждом значительном океаническом бассейне имеется собственное сильное течение у западной границы, которое обусловливает развитие фрикционных вихрей.

  На рисунке 18.1 схематически показано также положение восточной и западной границ океана, а также соответствую­щие им пограничные течения: медленное широкое Канарское течение у восточной границы и быстрый узкий Гольфстрим у западных берегов. Из-за трения скорость движения воды в непосредственной близости от границ рав­няется нулю. Но с удалением в море скорость течения воз­растает, пока не достигнет значений, «нормальных» для каждого такого течения. Следовательно, трение у границ континента приводит к завихренности водной массы про­тив часовой стрелки, что показано на рис. 18.1 сплошными кружками со знаком « + ». Эта создаваемая трением завих­ренность ( + ) у твердых границ океана и есть механизм, играющий главную роль в компенсации генерируемой ветра­ми завихренности (—).

  Однако заметим (это показано на рисунке 18.1), что завих­ренность ( + ), вызываемая трением вдоль западной гра­ницы, во много раз сильнее, чем у восточной границы. В 1948 г. Г. Стоммел показал, что эта разница возникает также благодаря действию еще одной причины завихренно­сти: возрастанию силы Кориолиса в направлении к полюсу. Рассмотрим такой пример: если мы возьмем столб океан­ской воды у экватора, где нет никакой завихренности, и бу­дем двигать его прямо на север, то он начнет вращаться по часовой стрелке (—) все быстрее по мере приближения к по­люсу. На самом полюсе вода должна делать один полный оборот за солнечные сутки, не так ли? И чем быстрее мы продвигаем водный столб на север, тем сильнее вращает его сила Кориолиса, т. е. вращение столба по часовой стрелке (—) ускоряется; эта зависимость между скоростью движе­ния к северу и скоростью завихренности линейна (1:1). Но если движущийся столб при перемещении на север испыты­вает трение со стороны континента, завихренность против часовой стрелки ( + ) возрастает гораздо быстрее, скажем в отношении 2:1. Из этого Стоммел сделал вывод, что дви­жение в океане должно самоорганизовываться таким образом, чтобы у западной границы течение было самым быстрым и не только смогло противодействовать эффекту Кориолиса, но и привело к завихрению против часовой стрелки ( + ), до­статочному и для компенсации действия ветров! Это откры­тие, как и идея Экмана, стало еще одним «рубежом» в нау­ке об океане, поскольку оно объяснило, почему у западной границы океана существуют сильные течения, подобные Гольфстриму.