VIVOS VOCO: А.Л.Бондаренко, В.В.Жмур, "Настоящее и будущее Гольфстрима"

Настоящее и будущее Гольфстрима

А.Л. Бондаренко, В.В. Жмур

Альберт Леонидович Бондаренко, д.г.н., в.н.с. Института водных проблем РАН.
Владимир Владимирович Жмур, д.ф.-м.н., проф., зам. дир. Института океанологии им.П.П.Ширшова РАН.

Среди всех океанских течений Гольфстрим, пожалуй, самое известное. Даже школьник сможет дать его общее определение: мощная система теплых поверхностных течений, возникающих у берегов Северной Америки, распространяющихся к северу и оказывающих значительное влияние на климат Северного полушария. Это свойство течения в последнее время нередко используется в прогностических моделях взаимодействия атмосферы и океана. Вот почему важно знать, как и почему работает и будет работать в будущем Гольфстрим. Несмотря на то, что течение, казалось бы, хорошо изучено, в его механизме таится немало загадок, решить которые позволяет новый взгляд на особенности этого природного явления. Но сначала обратимся к распространенным ныне представлениям.

Существующие представления

Гольфстрим - это струйное течение, начинающееся в проливе между Флоридой и Карибскими о-вами в Мексиканском заливе и проходящее вдоль внешней кромки материкового шельфа, там, где он переходит в материковый склон. Температура воды в отдельных местах течения достигает 30°C. Но от берега его отделяют так называемые склоновые воды, распресненные и прохладные. Холоднее они становятся севернее, ближе к Ньюфаундленду, где чувствуется влияние по-настоящему холодного Лабрадорского течения. Двигаясь к северу, Гольфстрим набирает силу, расход его увеличивается, и в стрежне своем достигает скоростей до 2.5 м/с, характерных для горных рек и очень редких в океанах. Относительно высокие скорости Гольфстрима наблюдаются вплоть до района большой Ньюфаундлендской банки.

Представления о течении, популярные и в наше время, складывались в прошлом веке. Гольфстрим сравнивали с меняющей свое положение (меандрирующей) рекой (рис.1) в океане [1]. Существовавшие в ту пору исследования в этой части океана позволяли относить течение к геострофическим (т.е. формирующимся балансом только двух сил: градиента давления на воду и силы Кориолиса) течениям [2]. На поверхности океана струя Гольфстрима имеет ширину 70-100 км, а глубина от поверхности составляет около 500 м.

Рис. 1. Меандры системы течений Гольфстрима [1].

Течение проходит вдоль гидрофронта - границы раздела холодной (и менее соленой) склоновой воды на западе и севере и теплой (и более соленой) воды Саргассова моря на востоке и юге, а сама струя Гольфстрима меандрирует в пределах расстояния порядка 500 км (рис.2, 3) - по области гидрофронта, приводя к образованию теплых (слева от струи) и холодных (справа от нее) вихрей со скоростью до 1.5 м/с диаметром до 400 км. Эти сведения о динамике вод Гольфстрима были получены преимущественно путем анализа данных о температуре и солености воды, т.е. термохалинных параметров.

Рис. 2. Распределение температуры воды (°С) на поверхности океана в районе Гольфстрима 29 апреля - 2 мая 1982 г. [2]. Т и Х - центры теплых (антициклонических) и холодных (циклонических) вихрей; пунктир - изобата 1000 м. Синие стрелки - направления предполагаемых течений (обозначения авторов статьи).

Однако в рамках существующих представлений о природе Гольфстрима нельзя объяснить, почему за пределами течения массы воды (его ложе) движутся в обратную сторону, почему течение пульсирует, останавливается, а потом снова набирает скорость, и через 10-20 сут ситуация повторяется. И почему многочисленные попытки воспроизвести на модели эти свойства не увенчались успехом? Мы попытались ответить на некоторые из этих вопросов с помощью данных о прямых измерениях скорости течений.

Рис. 3. Положение центров циклонов и антициклонов (белые и черные кружки) Гольфстрима по наблюдениям 1967-1976 гг. [2]. Стрелки - среднее положение струи основного течения.

Дрифтерная съемка

Не так давно в руках океанологов появилось новое устройство. Это дрифтер - поплавок с антенной, позволяющий следить за движением воды, а отсюда определять скорость и направление течения, в данном случае на горизонте 15 м. Информация о положениях дрифтера в океане передается через спутник в Центр сбора данных. В районе Гольфстрима и в некоторой близости от него в последние 10 лет было запущено более 400 дрифтеров, каждый из которых выдавал информацию в среднем полтора года. В результате этого собран огромный материал о течениях и температуре воды, на основании которых мы провели свой собственный анализ динамики Гольфстрима и попытались понять его природу.

Если нанести на карту Атлантики (рис.4) средние по ансамблю векторы течений, то на фоне относительно небольших скоростей течений океана, порядка 10 см/с, заметно выделяется область океана, в которой скорости гораздо больше. Будем считать эту область Гольфстримом. Скорости течений здесь уменьшаются с юга на север, от 1 до 0.5 м/c. В южной части Гольфстрим имеет ширину около 100 км, а в северной - более 300 км. Из более детальной информации, представленной на рис.5, 6, следует, что течения Гольфстрима довольно устойчивы по направлению, во всяком случае, в основной его части, южнее 38°с.ш.

Рис. 4. Средние по ансамблю дрифтерных наблюдений векторы течений.
Выделяется область Гольфстрима со скоростями течений порядка 0.5-1 м/с.

Рассмотрим теперь поведение течений в Гольфстриме. Для этого проанализируем типичную для Гольфстрима трассу и ход модуля скорости течений (рис.7, внизу). Можно констатировать, что в пределах Гольфстрима, особенно южной его части, дрифтеры, а следовательно, и массы воды, перемещаются преимущественно однонаправленно и вдоль изобат, а точнее вдоль кромки шельфа. При этом поток воды движется не строго вдоль изобат, а совершает небольшие колебания вправо - влево по отношению к движению основного потока воды. Такие колебания малы в части Гольфстрима южнее 38°с.ш. и значительны севернее ее. При таком преимущественно однонаправленном движении потока воды скорость пульсирует, достигая в минимумах значений, близких нулю. Иногда поток воды движется в обратном направлении, хотя слабо. Какая причина и сила заставляет воды вести себя таким образом: останавливаться, а затем набирать скорость и снова останавливаться и т.д., т.е. пульсировать во времени и пространстве? Такое поведение течений явно противоречит представлениям о них, как термохалинных, геострофических.

Рис. 5. Трассы дрифтеров, запущенных в Гольфстриме и близ него. Красным цветом выделены участки, в которых скорость их перемещения, а следовательно, и скорость течения превышала 50 (вверху) и 100 (внизу) см/с, желтым цветом показаны меньшие значения.

Рис. 6. Трассы отдельных дрифтеров, запущенных в воды южной части Гольфстрима в различное время.

И еще одна загадка. Если смотреть на распределение течений Гольфстрима, изображенных на рис.4-6, складывается впечатление, что из Мексиканского залива через Флоридский пролив в океан поступает мощный поток воды в виде струи, который и формирует Гольфстрим. Ранее именно так и считалось. Отсюда течение и получило название: Гольфстрим, что в переводе с английского означает - река залива (Мексиканского) или струя залива. Однако это впечатление обманчиво. Позже было установлено, что Гольфстрим в основном сформирован упомянутыми склоновыми холодными водами с севера и теплыми водами Саргассова моря с юга, но не Мексиканского залива, откуда вода практически не поступает. Оказалось также, что в средней части Гольфстрима расход воды гораздо больше, чем в южной, во Флоридском проливе (и эти факты никак не согласуются с термохалинной и геострофической природой течения). Неслучайно о Гольфстриме все же стали говорить не как о реке, вытекающей из залива, а как о течении, несущем свои воды от п-ова Флорида [3].

Рис. 7. Типичная для Гольфстрима трасса дрифтера (вверху) и модуль скорости его движения с 9 апреля 1999 г. по 12 января 2000 г. (внизу). Точкам на трассах с цифрами 1, 2, 3 и т.д. соответствует время движения дрифтера в сутках с момента его запуска: 1 - 24, 2 - 48, 3 - 72 сут и т.д.

Объяснения закономерностей

Мы уже упоминали, что крупномасштабные течения океанов, в том числе и Гольфстрим, принято считать градиентными, геострофическими. Динамика таких течений впервые была рассмотрена норвежскими учеными И.Сандстремом и Б.Хелланд-Хансеном в 1903 г. [3]. Они считали, что горизонтальный градиент давления на воду, возникающий за счет градиента уровня воды, должен быть уравновешен только силой Кориолиса f. Исходя из этого, были получены следующие соотношения:

uf = -g¶x/¶y, vf = g¶x/¶x,

где u, v - скорость течения по осям y, x; x - отклонение уровня моря от положения равновесия, g - ускорение свободного падения, f = 2wsinj - параметр Кориолиса, w = 2p/t - угловая частота и t - период вращения Земли, j - широта места, град.

Уровень воды является функцией ее плотности и, соответственно, ее температуры и солености и определяется по этим параметрам. Поэтому-то градиентные течения получили еще и название термохалинных.

Эти течения направлены не по наклону уровня, как это происходит в негеострофических течениях, а вдоль линий равного уровня воды. В этом случае в Северном полушарии справа от направления течения уровень воды будет выше, а слева - ниже, в Южном полушарии - наоборот. Тогда для Северного полушария справа вода будет более теплая, менее соленая, чем слева, а для Южного - наоборот.

Во времена, когда была предложена гипотеза о геострофических течениях, предполагалось, что течения образованы квазиоднородными во времени и пространстве движениями огромных масс воды. Для них норвежцы и провели свои расчеты.

Однако исследования известного отечественного океанолога В.Б.Штокмана [4], выполненные еще в 1937 г., показали, что изменчивость реальных течений морей столь высока (как и в океанах), что поля течений и уровня не успевают приспосабливаться друг к другу и, следовательно, течения не являются геострофическими.

Позднее к аналогичному выводу пришел С.А.Саркисян, один из ведущих специалистов в области моделирования морских и океанских течений [5]. Он считал, что геострофический фон соответствует масштабам времени порядка 100 сут, пространственным масштабам порядка 1000 км при глубине порядка 1 км и при скоростях потока около 10 см/с. При меньших масштабах события, геострофическое течение не успевает устанавливаться и приспосабливаться к полю давления или плотности воды. Но если течения не термохалинные, геострофические, то какие? Мы провели собственный анализ и установили, что течения Гольфстрима не могут быть геострофическими, поскольку поток воды в нем движется не вдоль линий равной плотности, а зачастую поперек их.

Волны Россби и крупномасштабные течения

В начале 60-х годов в океанах были зарегистрированы мощнейшие гидродинамические образования, получившие название планетарных волн Россби. В зоне, близкой берегу, или в замкнутых морях подобные формы стали именовать континентальными шельфовыми волнами (в дальнейшем в статье мы тоже будем их называть волнами Россби).

Эти волны имеют периоды от недели до пяти недель, скорости распространения от нескольких сантиметров до метра в cекунду, длину от 100 до 1500 км, а скорости орбитальных движений частиц воды в волне, фактически течений, от десятка сантиметров в секунду до 2.5 м/с. Считают, что крупномасштабные течения сформированы волнами Россби за счет передачи их энергии течениям [6]. Известный океанолог А.С.Монин, признавая важную роль волн Россби в динамике вод океана, отмечал, что с позиции длинноволновой природы течений можно объяснить большие скорости струйных течений и устойчивый их характер [6].

Существует немало работ о волнах Россби. Так, американец М.Лайтхилл [7] предполагал, что планетарные волны Россби экваториальной зоны Индийского океана, достигнув побережья Африки, передают свою энергию водам прибрежной зоны, формируя, таким образом, Сомалийское течение. А его соотечественники Дж.Кнаусс и С.Филандер [8] полагали, что экваториальные планетарные волны Россби имеют отношение к динамике экваториальных течений Тихого и Атлантического океанов, названных течениями Кромвеля и Ломоносова. Эти океанологи считали, что волны Россби взаимодействуют с пограничными течениями - Восточно-Австралийским и Гольфстримом, чем и объясняются их большие скорости [9].

Для объяснения природы экваториального подповерхностного течения Кромвеля американцы В.Манк и Д.Мур рассматривали механизм однонаправленного волнового (осредненного) переноса вод волнами Россби, возникающего в результате нелинейного взаимодействия волн [10].

Недавно, в 2001-2004 гг., авторам настоящей статьи [11, 12] удалось обосновать возможность формирования крупномасштабных течений волнами Россби. Была установлена корреляционная связь амплитуд колебаний их скорости течений со скоростью крупномасштабного течения, фактически кинетических энергий этих процессов, что дало основание рассматривать эти явления как одно явление: волны-течения.

Итак, мы пришли к выводу, что течения Гольфстрима могут быть длинноволновыми, сформированными волнами Россби.

Влияние волн Россби

В настоящее время выполнено довольно много исследований и большое количество измерений этих волн в океанах и морях, что позволяет нам дать достаточно полное их описание. Это свободные, прогрессивные волны, их относят к градиентно-вихревым волнам, динамика которых определяется свойством сохранения потенциального вихря. Их математическая модель предложена С.Россби еще в 1939 г. для описания волн в атмосфере.

Наблюдаемые в определенной части океана волны Россби - составная часть поля взаимосвязанных волн всего Мирового океана. Их последовательность во времени и в пространстве представляет собой непрерывный ряд волн, сформированных в модуляции (группы). Энергия от источника передается волновому полю всего Мирового океана малыми дозами, в течение длительного времени, в режиме “накачки”, и теми же волнами она перераспределяется по океану. Предположительно источником возбуждения волн является атмосферная активность, флуктуации атмосферного давления или/и ветра. В силу того, что потери энергии в волнах малы, она накапливается в них, и поэтому волны обладают большой энергией. Это как раз тот случай, когда малыми усилиями за счет резонансного возбуждения приводятся в движение огромные массы воды океана.

Изменение амплитуд колебаний скорости течений в волнах и построение их в модуляции происходит не за счет отдельных поступлений энергии от источника, а за счет работы пока неизвестного механизма перестройки волн, названного нами модуляционным. В средних широтах открытой части Атлантического океана волны имеют приблизительно такие параметры: фазовую скорость распространения 5 см/с, длину волны 400 км, амплитуды колебаний скорости течений 10-15 cм/c. Характерным свойством этих волн является свойство всегда и везде в открытой части океана распространяться преимущественно в западном направлении. Они пересекают Атлантический океан от восточных до западных его окраин у Гольфстрима приблизительно за два года.

Формирование Гольфстрима легко объяснить с позиции закономерностей трансформации волн в прибрежных зонах океанов. Вспомним, например, что волны цунами в открытом океане имеют небольшие амплитуды колебаний скорости течения, но при подходе к берегу или относительно мелководным участкам они сильно увеличиваются. То же самое происходит и с волнами Россби, приходящими из Атлантического океана. По мере приближения к материку их направление распространения изменяется, становится юго-западным и южным, и в целом вдоль кромки шельфа материка. Это специфическое свойство волн Россби - распространяться вдоль берега так, что берег находился справа по отношению к направлению распространения волны. При этом к области Гольфстрима волны подходят под разными углами и лишь впоследствии, южнее широты 38°, они выстраиваются в систему однонаправленных волн, распространяющихся приблизительно вдоль кромки шельфа. Этим и определяется узкоструйный и однонаправленный характер течений южнее широты 38° и некоторое их раскачивание вправо-влево севернее этой широты.

В открытой части океана амплитуды колебаний скорости течений волн Россби небольшие (порядка 10 см/с), но при подходе к западной окраине океана они трансформируются за счет влияния берега материка и дна океана. Период и длина волн уменьшаются, а амплитуды колебаний скорости течения волн сильно увеличиваются (до 2.5 м/с) за счет увеличения их удельной кинетической энергии. Увеличение скоростей течений происходит за счет концентрации энергии волн и течений в меньших объемах воды, в зоне, близкой берегу. Так, в открытой части океана энергия волн распределена по всей глубине почти равномерно, но при подходе к прибрежной зоне она сосредотачивается в приповерхностном слое океана. Если учесть, что удельная кинетическая энергия волн определяется соотношением V_о²/4, то при амплитудах колебаний скорости течений волн (V_о) в открытой части океана, равных 10 см/c, она составит 25 см²/с², а при средних амплитудах Гольфстрима 50 см/с - 625 cм²/c². Энергия увеличивается в 25 раз, скорее всего за счет концентрации энергии волн в верхнем слое океана и резонансного возбуждения. Такое происходит не только в прибрежной зоне, относительно мелководной, для Гольфстрима, это южная его часть, но и в глубоководной северной, значительно удаленной от берега.

Мы уже отмечали, что волны Россби в районе Гольфстрима градиентно-вихревые. Движения частиц воды в них имеют вихреобразную форму. По представлениям океанологов В.Д.Ларичева и Г.М.Резника, основанным на теоретических исследованиях [13], линии тока волн Россби можно представить в виде солитонов - спаренных вихреобразных движений воды в горизонтальной плоскости. Мы же, учитывая натурную дрифтерную съемку, полагаем, что вихреобразные движения воды существуют не в самом Гольфстриме, а с его боков. В струе течения должны существовать вращательные движения воды в вертикальной плоскости.

Действительно, в целом линии тока течений волн Россби в Гольфстриме и его окружении схематически можно представить в виде линий тока диполя (рис.8), которые указывают на мгновенное направление векторов течений, или, что одно и то же, направление силы, создающей течение. Скорость течения пропорциональна плотности линий тока. Эта плотность в Гольфстриме гораздо больше, чем за его пределами, а отсюда и скорости течений больше. В точках 1, 2, 3, 4, расположенных между волнами, скорости течений равны нулю, а в точках I, II, III - максимальны. Такое распределение скоростей течений в волнах фиксируется дрифтером или стационарно установленным в потоке прибором как пульсирующее течение, аналогичное изображенному на рис.8. Оно свидетельствует о том, что движения воды происходят в вертикальной плоскости. А формируют такой поток волны Россби.

Рис. 8. Линии тока течений Гольфстрима и его окружения в виде эллипсов со стрелками.
Вверху - вид сверху, внизу - по вертикальному сечению.

Таким образом, пульсирующий характер течений Гольфстрима указывает на их волновое происхождение. Вертикальные скорости невелики: при горизонтальных скоростях течений Гольфстрима, приблизительно равных 1 м/c, они составляют всего 1 мм/c. Как и во всяких волнах, в волнах Россби масса воды в пространстве не переносится (или переносится в крайне малых количествах), она перемещается по замкнутому контуру внутри волны. Создается только некая иллюзия переноса масс, поскольку прибор не фиксирует движение частиц воды по орбите, которые и переносят массу воды, а только некую горизонтальную составляющую действия движущихся по различным орбитам частиц воды на дрифтер или стационарно установленный прибор в потоке.

Движения воды в вертикальном направлении создают подъем глубинной воды на поверхность океана и опускание поверхностной на глубину, что и формирует температурные аномалии на поверхности океана, нередко принимаемые исследователями за вихри. Наряду с пульсирующим характером течений, наличие температурных аномалий - дополнительное обоснование достоверности предложенной нами схемы течений.

В пульсациях скорость течения уменьшается до нуля или до величины, близкой нулю. Гольфстрим как бы останавливается. Такие остановки, а иногда и непродолжительные смены направления течений Гольфстрима на обратные, происходят через промежутки времени, равные периоду волны, 10-20 сут. При этом промежутки времени, когда скорости течений приблизительно равны нулю или малы, могут составлять несколько суток. Площадь Гольфстрима, в которой скорости течений достигают малых величин, может составлять величину, соизмеримую с четвертью длины волны, приблизительно 50 км. Напомним, эти остановки Гольфстрима исследователями воспринимались как исчезновение струи течения в результате изменения ее положения, т.е. меандрирования. Часто при повторных наблюдениях течений с судна в фиксированном месте исследователи не обнаруживали течений с большими скоростями, измеренными ранее и характерными для Гольфстрима. Тогда они считали, что струя Гольфстрима сместилась куда-то в сторону от него.

Более продолжительные и более масштабные остановки Гольфстрима могут происходить и по другой причине. Мы говорили ранее о модулировании волн и изменении, в связи с этим, скорости течений. При малых волнах в модуляциях скорость течения становится небольшой. При этом такие промежутки времени могут быть очень продолжительными, порядка нескольких месяцев. В этих случаях останавливается не малая часть Гольфстрима, соизмеримая с 50 км, а большая, соизмеримая с тысячью километров. При этом в термохалинном поле Гольфстрима исчезают аномалии и меандры, а зона схождения холодных склоновых вод и теплых вод Саргассова моря становится более ровной. В это время должна снижаться биологическая продуктивность океана за счет уменьшения вертикального обмена его вод.

Будущее Гольфстрима

Считают, что в результате глобального потепления могут частично растаять ледники Гренландии и Северного Ледовитого океана, что приведет к опреснению океанских вод и, соответственно, ослаблению и даже и к изменению направления Гольфстрима. Имеется предположение, что Гольфстрим может “направиться” в сторону Африки. Ослаблению течений якобы будут способствовать и изменение режима ветра над океаном, в результате чего возможно полное прекращение подачи теплых вод Гольфстрима на север. Из-за этого резко похолодает климат северной части Европы и Азии. Приблизительно через 30 лет средняя многолетняя температура воздуха, например Англии, уменьшится на 4°С.

Мы не беремся предсказывать будущее климата Земли. Но убеждены, что даже если он как-то изменится, это не приведет к сколь-нибудь заметным изменениям режима крупномасштабных течений, в частности и Гольфстрима. Поскольку крупномасштабные течения сформированы волнами Россби, которые никак не связаны с режимом термохалинного поля вод океана и крайне слабо с режимом ветра над Мировым океаном, им мало что грозит. Энергетический уровень волнового поля Мирового океана находится в состоянии предельного насыщения энергией, поэтому если даже допустить, что энергетический уровень ветра или/и флуктуаций атмосферного давления в целом над всем Мировым океаном изменится (скорее всего, несущественно), то эти изменения не отразятся сколь-нибудь заметно на состоянии насыщения энергией волн Россби, следовательно, и режима крупномасштабных течений, в частности Гольфстрима.

К этому хотелось бы добавить следующее. Если присмотреться к течениям западных окраин океанов, в том числе и к Гольфстриму, то заметно, что они во всех океанах “прижимаются” к западным их окраинам, и из-за этого их свойства, заложенного природой, вряд ли они могут изменить свое направление.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Проект 06-05-64778.

Литература

1. Стоммел Г. Гольфстрим. М., 1963.

2. Каменкович В.М., Кошляков М.М., Монин А.С. Синоптические вихри в океане. Л., 1982.

3. Sandstrцm I.W., Helland-Hansen B. Uber die Berechnung von Meeresstrmungen // Rept / Norw / Fish., Mar. Invest. 1903. V.2. №4.

4. Штокман В.Б. // Геофизика. 1937. Т.7. Вып.4. С.302-313.

5. Саркисян А.С. Основы теории и расчет океанических течений. Л., 1966.

6. Монин А.С. Океанология. Физика океана. Т.1. М., 1978.

7. Lighthill M.J. // Philos. Trans. R. Soc. Lond. A. 1969. V.265. P.45-92.

8. Knauss J.A. // J. Mar. Re. 1966. V.24. P.205-240.

9. Niller P.P., Mysak L.A. // Geophys. Fluid Dyn. 1971. V.2. P.273-288.

10. Munk W.H., Moore D. // J. Fluid Mech. V.33. 1968. P.241-259.

11. Бондаренко А.Л. Ветровые течения в морях // Природа. 2006. №5. С.39-47.

12. Бондаренко А.Л., Жмур В.В., Филиппов Ю.Г., Щевьев В.А. // Морской гидрофизический журнал. Севастополь. 2004. №5. С.24-34.

13. Ларичев В.Д., Резник Г.М. Нелинейные волны Россби на крупномасштабном течении // Океанология. 1976. Вып.2. С.200-206.