Взаимодействие океана и атмосферы - 3: реакция поверхностных вод на касательное напряжение ветра

  В 1893 г. Фритьоф Нансен начал свое знаменитое трехлетнее путешествие по Северному Ледовитому океану на ставшем с тех пор легендарным судне «Фрам». Нансен зорко подмечал природные явления и после нескольких месяцев дрейфа вместе с ледяным полем пришел к выводу, что лед движет­ся под углом 20° вправо от преобладающего направления ветра (рисунок 10.6,а). Он предположил, что причиной являет­ся отклоняющий эффект, связанный с вращением Земли, и по завершении путешествия поручил проанализировать дан­ную проблему студенту, которого звали В. Экман. Этому со­бытию было предназначено войти в историю океанологии.

  Сделав несколько упрощающих предположений, Экман получил аналитическое решение, показавшее следующее. Ес­ли ветер постоянной силы дует над однородным по плотно­сти океаном и между ним и поверхностью воды имеется трение, то:

  1. Тонкий слой вблизи поверхности воды движется под углом 45° вправо от направления ветра в Северном полуша­рии или влево — в Южном. Причина этого — отклоняющее действие вращения Земли, т. е. сила Кориолиса.

  2. Каждый более глубокий слой ведет себя таким же об­разом по отношению к вышележащему слою, т. е. всякий слой движется вправо относительно слоя, расположенного непосредственно над ним.

  3. Следовательно, на некоторой глубине вода движется в направлении, противоположном направлению приповерх­ностного ветра.

  4. Просуммировав перенос воды по всем слоям, затрону­тым этим процессом, получим, что в Северном полушарии суммарный перенос направлен под углом 900 вправо от ветра.

  Теория Экмана стала своего рода «вехой» в океанологи­ческих исследованиях. Впервые океанологи получили воз­можность объяснить многие наблюдаемые особенности дви­жения воды в океане. Среди них апвеллинг у побережий континентов и в зонах дивергенции в открытом океане, а также тот факт, что в центральных частях всех океанов уро­вень моря выше, т. е. на поверхности океанов существуют водные возвышенности. Рассмотрим подробнее некоторые из этих эффектов.

История решения проблемы "ветрового дрейфа"

Судно «Фрам», отплывающее из Осло в июне 1893 г.

Судно «Фрам», отплывающее из Осло в июне 1893 г. На этом суд­не совершил экспедицию Ф. Нансен.

  1. 1893 г. Ф. Нансен отправляется на судне «Фрам» в Северный Ледовитый океан. Судно попадает в ледяной плен и дрейфует вмес­те со льдом. Многократные измерения направления дрейфа судна и ледяного покрова показали, что судно и лед дрейфуют в среднем под углом 200 к направлению, в котором дует преобладающий ве­тер (а).

  2. 1896 г. Спустя три года Нансен возвращается в Норвегию и возобновляет свою преподавательскую деятельность в университе­те. Он поручает своему студенту В. Экману заняться теоретиче­ским решением задачи движения судна и льда под действием ветра.

  3. 1905 г. Экман публикует теорию дрейфовых течений. В ней утверждается, что в Северном полушарии ветер заставляет тонкий поверхностный слой воды в океане двигаться под углом 45° вправо от направления ветра. Каждый последующий более глубокий слой движется под углом вправо от направления движения вышележаще­го слоя, который воздействует на него благодаря силе трения. Ско­рость движения слоев уменьшается с глубиной. На определенной глубине поток воды направлен против ветра, дующего у поверхно­сти (б). Океанологи называют эту глубину глубиной трения.

  Для наших целей важно то, что если просуммировать все пото­ки до глубины трения, то окажется, что суммарный перенос в верх­нем слое океана направлен под углом 90° к направлению, в кото­ром дует ветер: вправо от него в Северном полушарии и влево — Южном.

Ветровой дрейф

Рисунок 10.6.

 

Возвышения поверхности в центральных частях океанов

  В центре Северной Атлантики уровень моря на 1 м выше, чем по краям океана; далее, верхний слой в центральной части океана обладает исключительно большой мощностью (несколько сотен метров) и имеет однородную по глубине температуру. Океанологи называют эту поверхностную во­ду «18°-ной водой»; у мореплавателей уже давно это место получило название Саргассова моря. На схеме Вюста (рисунок 9.5) она представлена линзой центральной тропосфер­ной воды. Как объяснить существование этой громадной массы однородной поверхностной воды? Ответ ясен из рисунка 10.7: распределение ветра у поверхности моря под об­ластью высокого давления таково, что поверхность воды образует стационарную возвышенность. В процессе своего роста эта возвышенность становится достаточно высокой для того, чтобы скорость движения воды в центральную часть океана под действием ветра сравнялась со скоростью «стекания» воды с возвышенности. Эта картина отражает стационарное равновесие в системе вода — ветер. Важно понять, что водная возвышенность сохраняется в виде по­стоянной структуры; в последующих разделах мы увидим, что вокруг нее циркулируют течения.

 Стометровая исследовательская платформа «Флип», плавающая в вертикальном положении

Стометровая исследовательская платформа «Флип», плавающая в вертикальном положении. Основная ее часть (90 м) находится ниже уровня моря, что делает ее очень устойчивой и придает ей относи­тельную неподвижность. Платформа создана в Институте океано­графии Скриппса и предназначена главным образом для исследова­ния распространения звука под водой; она не имеет собственного двигателя, поэтому ее приходится буксировать. Устойчивость платформы делает ее идеальным средством для измерения потоков тепла и влаги с поверхности океана.

 

 Рисунок 10.7. Как возникает водная возвышенность в центральных районах океана.

Как возникает водная возвышенность в центральных районах океана

Над каждым океаническим бассейном (примерно над центральной его частью) располагается область высокого атмосферного давле­ния, которой соответствует антициклоническая система ветров. (Циклоническая циркуляция связана с областями низкого давления; помимо прочего это относится к тропическим циклонам, тайфунам и ураганам.) В Северном полушарии антициклоническая циркуляция соответствует направлению ветра по часовой стрелке, как показано на данной карте Северной Атлантики. Вследствие эффекта Экмана результирующий перенос в верхнем слое океана, обусловленный ан­тициклонической циркуляцией ветра, направлен к центру области высокого давления (на рисунке — В). Иными словами, под атмо­сферным максимумом возникает конвергенция (схождение) поверх­ностных вод. В результате уровень моря здесь повышается; эта об­ласть называется Саргассовым морем. Незакрашенные стрелки указывают направление движения поверхностной воды — под углом 90° вправо от направления преобладающего ветра.

 

Апвеллинг

  В некотором смысле апвеллинг — это явление, обратное «накоплению воды в виде возвышенности». Если распреде­ление ветра таково, что результирующий экмановский пере­нос приводит к дивергенции («расхождению») вод, в релье­фе поверхности моря создается «ложбина». В океане уход поверхностной воды из данной области компенсируется притоком другой воды. Для иллюстрации рассмотрим не­сколько примеров.

  1. В Северном полушарии поверхность океана под тропи­ческим циклоном, ураганом или тайфуном подвергается воз­действию ветров, направленных против часовой стрелки. Согласно идее Экмана, поверхностные воды должны течь в радиальном направлении от центра шторма. Это яркий пример дивергенции поверхностных вод. Океан восполняет потерю поверхностных вод простейшим из возможных спо­собов: во время наиболее интенсивных фаз штормов вода поступает к поверхности с глубоких слоев — возникает апвеллинг.

  2. Если ветер у поверхности дует параллельно берегу, ус­ловия близки к тем, что возникают в океане под циклоном, только в этом случае берег как бы отсекает половину пло­щади «циклона». Апвеллинг возникает и в этом случае.

  Рассмотрим некоторые примеры ветров, дующих у бере­га. На рисунке 10.8 показано поперечное сечение через прибреж­ную зону океана. Допустим, речь идет об Орегонском побе­режье и ветер в данном случае северный (рисунок 10.8,а). Из-за эффекта Экмана поверхностная вода вынуждена двигаться от берега в открытое море. Ей на смену приходит вода с не­которой глубины, до которой не распространяется воздей­ствие ветра. (См. также анализ результатов измерений на станции NH-105 на рисунке 8.7,б.)

 Рисунок 10.8. Апвеллинг и даунвеллинг, порождаемые ветром благодаря эффекту Экмана.

Экмановский перенос

(а) Явление, называемое экмановским перено­сом (или ветровым дрейфом), объясняет, поче­му апвеллинг происходит у одних участков по­бережья и не происходит у других. На этой схеме экмановский перенос, создаваемый север­ным ветром, направлен от берега. Это и есть необходимое условие апвеллинга. Обратите внимание на повышение уровня моря в направ­лении от берега.

(б) То же побережье, но теперь ветер дует с юга. Экмановский перенос направлен от моря, теплая вода прижимается к берегу, и уровень моря в этом направлении повышается. Силь­ный ветер может создать такой сильный поток теплой воды к берегу, что та будет вынуждена в каком-то месте погружаться.

  Смена направления ветра на обратное у Орегонского по­бережья приводит к прекращению апвеллинга, вместо кото­рого у побережья устанавливается даунвеллинг (опускание вод) (рисунок 10.8,б). Каждый год в середине сентября рас­пределение ветра у побережья шт. Орегон меняется: северо-западные ветры (благоприятствующие апвеллингу) сменя­ются юго-западными (благоприятствующими даунвеллингу). Условия, необходимые для начала апвеллинга, вос­станавливаются в последнюю неделю марта, подобно ла­сточкам, возвращающимся в Капистрано во время весеннего равноденствия.