Как уравновешены силы при стационарном движении

  До сих пор мы различали начальную тенденцию к движе­нию воды в океане и воздуха в атмосфере и наблюдаемые стационарные особенности течений. Это мы делали с целью показать, что начальная реакция текучих сред на внешнее воздействие отличается от конечного равновесного состояния. То, что мы видим в каждый момент времени, наблюдая за движением воздуха или воды, — это стацио­нарное состояние. Океаны и атмосфера за свою долгую ис­торию миновали промежуточные состояния и теперь нахо­дятся в состоянии «постоянства».

  Важно, однако, отличать «однородность движения» от «постоянства динамики движения». Первое означает от­сутствие всяких изменений, и это не то, что мы наблюдаем в действительности. Мы находим вариации движений воды в океанах, масштабы которых исчисляются часами, сутка­ми, сезонами и даже годами. И все же должен существовать способ описания истинного «стационарного» состояния. Яв­ляется ли стационарное состояние тем состоянием, которое испытывает постоянные изменения? Если так, нужно ли определить пространственно-временные масштабы этих из­менений? На это можно ответить и утвердительно, и отри­цательно.

Тороидальный буй

Спуск на воду тороидального буя, оснащенного приборами для из­мерения потока количества движения в океан при штормовых вет­рах. Это мероприятие было частью программы STREX, проводи­мой в заливе Аляска в 1980 г.

Стационарное движение

  Изучая собранные за десятки лет данные наблюдений за движением воды на поверхности океана, океанологи пришли к выводу, что примерно на 75% наблюдаемые течения су­ществуют вследствие равновесия сил, когда «возвышенно­сти» и «ложбины» в рельефе поверхности океана обеспечи­вают силу давления, а наблюдаемая скорость течения ука­зывает величину и направление силы Кориолиса; эти две силы и находятся в равновесии (рисунок 10.9).

 Рисунок 10.9. Как возникают нестационарные и стационарные течения.

Как возникают нестационарные и стационарные течения

На схемах показано: 1) как нестационарные течения постепенно достигают стационарного состояния и 2) как океанические течения огибают возвышения и понижения морской поверхности.

(а) Возвышенность на поверхности моря. Частица воды, находяща­яся на вершине возвышенности, начинает двигаться вниз по склону. Стрелка указывает направление силы давления, которая ускоряет частицу.

(б) Положение частицы в некоторый более поздний момент. Начав движение вниз по склону, частица в силу эффекта Кориолиса откло­няется вправо (пунктирная линия). Незакрашенная стрелка указыва­ет направление се скорости, а пунктирная — силу Кориолиса. Сила Кориолиса в этот момент еще не уравновешивает силу давления, направленную вниз по склону, поэтому частица движется по расши­ряющейся спирали.

(в) Частица уже ускорилась до такой степени, что сила Корио­лиса и сила давления, действующие в противоположных направле­ниях, уравновешивают друг друга. Движение вышло на стационар­ный режим, и частица движется вокруг возвышенности. Если бы трение отсутствовало, течение вокруг возвышенности существова­ло неопределенно долго. Однако на самом деле трение, конечно, есть, и поэтому течения представляют собой медленно раскручива­ющиеся спирали, что приводит к постепенному исчезновению воз­вышенности.

Однако если область высокого давлення в атмосфере, породив­шая возвышенность, продолжает ее «поддерживать», то конечное стационарное состояние будет характеризоваться балансом скоро­стей: скорости, с которой вода под воздействием ветра движется к центру возвышенности, и скорости, с которой спиральные течения уносят воду с возвышенности.

  Последовательность схем на рисунке 10.9 соответствует установлению течений в океане. Пусть вначале ровная, спо­койная поверхность моря возмущается, скорее всего под действием ветра, в результате чего на поверхности появляется возвышенность (рисунок 10.9,а). Независимо от того, как возникает это возмущение, океан, наполненный жидкостью с малой вязкостью, стремится тут же вернуться к первона­чальному состоянию. Частицы воды начинают двигаться по склонам возвышенности под непосредственным воздей­ствием силы давления, направленной от центра возвышен­ности. Но едва начав двигаться, частица отклоняется от своего прямого пути вниз по склону под действием силы Кориолиса. Вернемся к рисунку 10.3 и вспомним, что величина отклоняющей силы, которая равна нулю в отсутствие дви­жения, возрастает по мере того, как вода все быстрее спу­скается по склонам возвышенности. Точно так же по мере увеличения скорости растет и отклонение (рисунок 10.9,б). Но две эти силы, сила давления и сила Кориолиса, не уравнове­шивают друг друга полностью, пока 1) вода не начинает течь вокруг возвышенности, так что сила Кориолиса оказы­вается направленной к ее центру — противоположно силе давления, направленной от центра, и 2) скорость течения не возрастает настолько, что сила Кориолиса сравняется с противодействующей ей силой давления по величине. По достижении этих условий система приходит в состояние равновесия: возвышенность продолжает существовать (по крайней мере, большая ее часть), а вода течет вокруг возвы­шенности (рисунок 10.9,в). (Тот факт, что вода в океане не «течет вниз по склону возвышен­ности», для человека, привыкшего мерить все на «сухопутный» ма­нер, может показаться невероятным.)

Нестационарное движение — общая модель циркуляции

  Что представляют собой те 25% движения воды в океане, которые не объясняются равновесием указанных выше сил? Ответ состоит в том, что равновесие сил существует и в этом случае, но теперь мы должны включить в схему до­полнительные силы.

  Этими силами являются: 1) касательное напряжение вет­ра, действующее на поверхность воды, 2) силы инерции, связанные с наличием у движущейся массы воды количества движения (объемная сила), 3) внутреннее трение, обуслов­ленное вязкостью самой воды (также объемная сила), 4) тре­ние о дно океана (поверхностная сила, аналогичная касатель­ному напряжению ветра) и 5) приливообразующие силы.

  Физики создают все новые модели для объяснения на­блюдаемых в океане движений. Поскольку в мгновенном ба­лансе участвует много сил, такие модели часто строят с учетом широкого динамического диапазона изменения перемен­ных, описывающих эти силы, с тем, чтобы математическая модель смогла воспроизвести то, что наблюдается в дейст­вительности. Такие модели называют моделями обшей цир­куляции. Исследования на моделях требуют привлечения мощного компьютера. В таких моделях учитывается и ат­мосфера. На сегодня (1986 г.) ученые соревнуются в том, кто первым создаст «правильную» модель. Как мы узнаем, что модель «правильная»? Оказывается, что если модель может предсказать нестационарное движение, то она пра­вильная. Следующий раздел посвящен анализу двух таких «тестов».

Экваториальное подповерхностное противотечение в Тихом океане (течение Кромвелла)

  В 1952 г. молодой ихтиолог Т. Кромвелл участвовал в японской экспедиции по изучению рыб в экваториальной зоне Тихого океана. Он заметил, что когда рыболовные сна­сти погружались на глубину 100 м, они начинали быстро двигаться на восток. Подробно измерив распределения тем­пературы и солености поперек экватора, Кромвелл первым описал ранее неизвестное мощное океаническое течение. Вначале оно носило его имя, но сейчас его называют Эква­ториальным подповерхностным противотечением.

  Это течение весьма необычно (рисунок 10.10). Оно обнару­жено в Тихом океане почти вдоль всего экватора. Вода в нем движется на восток в очень тонком слое — на глубинах от 100 до 300 м; в горизонтальной плоскости течение огра­ничено полосой, простирающейся на 200 км к северу и к югу от географического экватора. Оно переносит примерно та­кой же объем воды, что и Гольфстрим, со скоростью до 1 м/с.

Рисунок 10.10. Экваториальное подповерхностное противотечение в Тихом океане.

Экваториальное подповерхностное противотечение в Тихом океане

(а) Зона схождения северо-восточных и юго-восточных пассатов в Тихом океане (метеорологический экватор) смещена к северу от гео­графического экватора примерно на 5°. Под действием пассатов у Азиатского континента уровень моря повышается примерно на 1 м по отношению к Американскому побережью. Обратный поток этой воды течет вдоль экватора, но уже ниже поверхности. Показанный здесь жирной пунктирной линией, этот поток называется Эквато­риальным подповерхностным противотечением.

Экваториальное подповерхностное противотечение в Тихом океане

(б) Разрез Экваториального подповерхностного течения по мериди­ану 140° з.д. Его размеры в поперечном направлении — около 200 км к северу и к югу от экватора, но по глубине оно охватывает довольно тонкий слой: между глубинами 100 и 300 м. Скорости те­чения достигают 1 м/с, а воды оно переносит примерно столько же, сколько Гольфстрим у берегов Флориды.

Симметрия этого течения в поперечном направлении и тот факт, что его ядро располагается непосредственно на экваторе, по­зволяют предположить, что оно является «захваченным» течением. Восточный поток удерживается у экватора просто потому, что при отклонении его к северу или к югу сила Кориолиса заставляет его вернуться в прежнее положение — к экватору.

Экваториальное подповерхностное противотечение в Тихом океане

(в) Поскольку юго-восточные пассаты в Тихом океане пересекают экватор (см. рисунок а и в ) и при этом к северу от экватора сила Кори­олиса отклоняет течение вправо, а к югу — влево, на экваторе воз­никает дивергенция (расхождение) поверхностных вод. В результате более глубокая вода «подсасывается» к поверхности, т. е. возника­ет апвеллинг.

  Причина и определяющие факторы. Когда Экваториальное подповерхностное противотечение было открыто и нанесено на карту, быстро нашли объяснение его происхождения. Вспомним наши рассуждения о внутритропической зоне кон­вергенции (рисунок 7.4): пассаты в Северном и Южном полуша­риях сходятся друг с другом не на экваторе, а между 5 и 10° с.ш. Таким образом, ветры, пересекающие географический экватор, являются юго-восточными пассатами Южного по­лушария. Прямым следствием этого является накопление экваториальных поверхностных вод у Азиатского континен­та; следовательно, на западном конце экваториальной зоны Тихого океана образуется водная возвышенность. Это воз­можно потому, что на географическом экваторе сила Кори­олиса в точности равна нулю: поверхностная вода движется прямо по ветру и скапливается у берегов Азии, поднимаясь примерно на 1 м по сравнению с уровнем моря на амери­канской стороне.

  Постепенно вода начинает скользить прочь от этой воз­вышенности — в данном случае на восток в виде тонкой прослойки между глубинами 100 и 300 м. Именно этот воз­вратный поток и тащил рыболовные снасти на судне, где плавал Кромвелл. Из-за того что сила Кориолиса на эква­торе равна нулю. Экваториальное подповерхностное проти­вотечение реагирует только на одну силу — силу давления, направленную от водной возвышенности. Это единственное в Мировом океане течение, обладающее таким свойством.

  Однако что заставляет это течение оставаться в эквато­риальной зоне на протяжении тысяч километров от берегов Азии до Америки? Все дело в том, что, когда течение пыта­ется отклониться от экватора, оно попадает в более высо­кие широты либо Северного, либо Южного полушария, где сила Кориолиса уже существенна. Смещение течения к севе­ру приводит к его отклонению вправо и возвращению в эк­ваториальную зону. Если же течение зайдет слишком дале­ко в Южное полушарие, отклоняющая влево сила заставит его также вернуться к экватору и т. д. Таким образом, тече­ние Кромвелла является потоком, «захваченным в ловушку».

  Апвеллинг на экваторе в Тихом океане. Захватывается ли также в ловушку течение, направленное на запад вдоль эква­тора в Тихом океане? Нет. Под воздействием юго-восточ­ных пассатов поверхностные воды здесь, как уже говори­лось выше, движутся на запад. Поверхностная вода, находя­щаяся к северу от экватора, отклоняется вправо, удаляясь от нулевой параллели. Точно так же вода, движущаяся на запад и находящаяся к югу от экватора, отклоняется влево, т. е. снова от экватора. В результате возникает зона дивер­генции поверхностных вод (в слое между поверхностью и Экваториальным подповерхностным противотечением) и, как следствие,— подъем более глубоких вод к поверхности (рисунок 10.10, в). Таким образом, экваториальная зона Тихого океана оказывается весьма продуктивной в биологическом отношении и помимо других животных, например тунца, здесь можно встретить кашалотов.

  Эль-Ниньо — специфическое явление в экваториальной зоне Тихого океана. В 1983 г. на Перу, страну с сухим климатом, обрушились проливные дожди; ливневые потоки причинили огромные разрушения и унесли многие человеческие жизни. Такого сильного наводнения в истории страны не было с 1500 г. В том же году на Калифорнийское побережье обру­шились сильнейшие волны, которые размыли берег и разру­шили множество строений. Колонии морского ежа Diadema, обитающего в коралловых рифах Карибского моря, в 1985 г. сильно поредели: с 14 000 особей на гектар до менее 1 особи на гектар! Что же явилось причиной столь значи­тельных нарушений климатических условий? Большинство специалистов указывают на одного и того же виновника — Эль-Ниньо.

  Что такое Эль-Ниньо? По укоренившейся традиции так называют появление на поверхности моря у берегов Перу необычно теплой воды в декабре или на рождество, отсюда и название — Эль-Ниньо, т. е. младенец Христос по-испан­ски. Обычно поверхностная вода у Перуанского побережья имеет довольно низкую температуру вследствие сильного апвеллинга. (Вспомните, что мы говорили о полосах при­брежного тумана в гл. 6.) Это район интенсивного рыбо­ловства; здесь в больших количествах добывают анчоус, ко­сяки которого нагуливаются в богатых пищей районах ап­веллинга. Но с вторжением теплой поверхностной воды продуктивность планктона резко падает и косяки анчоуса рассеиваются. В наше время уменьшение добычи анчоуса наносит серьезный удар по производству рыбной муки в Пе­ру, и это ощущается затем во всем мире. (В 1973 г., после весьма значительного Эль-Ниньо (1972 г.), мне случилось пить пиво с двумя голландцами, которые жаловались на рыбопродукты. Голландия в больших количествах импортирует рыбную муку, используя ее как корм для бройлеров. Эль-Ниньо 1972 г. не позволило Перу выполнить контракты по поставке рыб­ной муки. Голландцы, с которыми я беседовал, были вынуждены отправиться в Нью-Йорк, чтобы договориться о поставке соевых бобов в качестве замены, и цена на сою подскочила до немысли­мых высот — свыше 10 долл. за бушель. Выгоды, которые сулила продажа соевой муки, были так велики, что многие техасские ско­товоды распахали свои пастбища под эту культуру. Фермеры в северо-западном регионе Тихоокеанского побережья США, разводя­щие норок, объединились для закупки и организации запасов белко­вых продуктов, с тем, чтобы защитить свои рынки, а это вынудило компании, сбывающие гранулированный корм в хозяйства аквакультуры, закупать пшеницу с высоким содержанием белка у про­изводителей виски, так как рынок рыбных отходов оказался под контролем фермеров, разводящих норок. И все это из-за одного Эль-Ниньо!)

  Океанологи в течение длительного времени пытались найти причины явления Эль-Ниньо. В 1979 г. У. Куинн по­казал, что в последние 100 лет с возникновением Эль-Ниньо коррелировало изменение разности атмосферных давлений над Дарвином (Австралия) и островом Пасхи в юго-восточной части Тихого океана. Сами эти изменения управляются атмосферным явлением очень большого масштаба, называе­мым Южным колебанием. Куинн предложил ввести индекс, который позволил бы количественно выразить состояние этого повторяющегося атмосферного явления и предсказывать Эль-Ниньо. С тех пор были проведены многочислен­ные исследования, причем особое внимание ученые обрати­ли на Эль-Ниньо 1983 г. Однако как связано это явление с Экваториальным подповерхностным противотечением?

  Современное понимание этого вопроса таково. Под воз­действием Южного колебания в экваториальной зоне Тихого океана происходят резкие ослабления пассатов. Это означа­ет, что крупная водная возвышенность, в обычных условиях создаваемая ветрами у берегов Азии, не может более удер­живаться там слабыми ветрами, из-за чего возникает обрат­ный поток. Волны теплой воды быстро распространяются в экваториальной зоне Тихого океана, причем основную роль в этом играет Экваториальное подповерхностное противо­течение. Массы теплой поверхностной воды возвращаются к восточной окраине Тихого океана, наталкиваются на побе­режье Эквадора и разделяются на северную и южную ветви. Не вдаваясь в детали, можно сказать, что южная ветвь, распространяясь на юг вдоль берега, и проявляется как Эль-Ниньо. Северный поток имеет более сложное строение, но движение больших масс теплой поверхностной воды на вос­токе экваториальной зоны Тихого океана приводит к воз­никновению штормов, которые в свое время произвели та­кие опустошения на пляжах Малибу-Бич.

  Меандры Гольфстрима и вихриНа рисунке 6.5 изображена схе­ма циркуляции в Северной Атлантике, дающая упрошенное представление о переносе тепла в этом океаническом бассей­не. С 1960-х годов возможности наблюдения за Гольфстри­мом были значительно расширены благодаря картам по­верхностной температуры, измеряемой с искусственных спутников Земли. Такие синоптические карты покрывают большой район Северной Атлантики. На них видно, что стрежень Гольфстрима вовсе не имеет «правильной» формы и не изгибается плавно, как следует из рисунка 6.5; течение сильно искривляется, и эти искривления подобны меандрам речного русла, причем смешения стрежня возрастают после отрыва течения от побережья Америки, когда оно начинает свой путь на восток через Северную Атлантику (рисунок 10.11).

Меандры Гольфстрима

Рисунок 10.11. Меандры Гольфстрима. Это мощное течение, которое ведет себя спо­койно у побережья США от Флориды до мыса Хаттерас, после того как поворачивает на вос­ток и отрывается от берега, начинает меандрировать. Обратите внимание на петлю, которую образовывало течение в районе 62° з.д. 18 апреля; 28 апреля, оторвавшись от течения, она уже превратилась в вихрь, который нес теплую воду Саргассова моря (находящегося к югу от Гольфстрима). Этот вихрь с теплым ядром оказался в холодной воде моря Лабра­дор, находящегося к северу от Гольфстрима. Большой меандр, заметный на первых трех картах на южной стороне течения, 10 мая, по­сле отрыва, образовал вихрь с холодным яд­ром, оказавшийся в Саргассовом море. Теплые и холодные вихри вращаются в противополож­ных направлениях; вспомните течения, окру­жавшие возвышенность на поверхности моря (рисунок 10.9).

  Карты температуры, измеренной со спутников в после­довательные моменты времени, показывают, что крупные меандры в конечном счете стремятся «оторваться» от ос­новного течения и становятся при этом изолированными «вихрями» диаметром до 1000 км. В этих образованиях кри­визна линий тока весьма велика, так что простое равновесие между силой давления и силой Кориолиса не выполняется. Применительно к меандрам и вихрям существенным элемен­том в балансе сил, управляющих их движением, являются инерционные силы, связанные с ускоренным движением по криволинейным траекториям. Более того, оторвавшись от течения, вихри медленно мигрируют на запад; это указыва­ет на то, что важную роль в их динамике должно играть трение.

  После открытия вихрей Гольфстрима океанологи начали исследовать другие течения, чтобы узнать, не происходят ли с ними такие же процессы. Все большее количество дан­ных показывает, что такие вихри существуют практически повсеместно в океанах, хотя динамические процессы, от­ветственные за их происхождение, могут различаться. Они найдены на Полярном фронте, отделяющем Антарктичес­кую поверхностную воду от Центральной воды Южного по­лушария, обнаружены они повсеместно и в Тихом океане. Некоторые океанологи даже полагают, что в любой мо­мент времени во всех вихрях Мирового океана заключено больше кинетической энергии, чем в основных океанических круговоротах. Здесь предстоит узнать еще многое.