4.2 Течения, возникающие при участии сил трения
Физические условия возникновения и развития дрейфовых течений, исследовались многими учеными и объяснены Экманом в 1903—1905 гг. Предполагая море бесконечно глубоким, однородным по плотности (гомогенным), ветер установившимся по направлению и скорости, он использовал уравнения движения вязкой жидкости и математически решил задачу о возникновении поверхностного течения под влиянием трения при наличии отклоняющей силы вращения Земли (силы Кориолиса).
Основные положения теории Экмана можно сформулировать следующим образом:
1. Ветер, создавая тангенциальное трение между воздухом и водой и давление на наветренные склоны волн, приводит в движение поверхностные слои воды. Энергия этого движения передается нижележащим слоям силами внутреннего трения. В своем движении нижележащие слои отстают от поверхностных, вследствие чего появляются различия в скорости внутри потока, т. е. наличие градиентов скорости. Поверхностные течения по скорости составляют около 2% от скорости ветра.
Под действием сил Кариолиса каждый из нижележащих слоев воды отклоняется на 45° по отношению к ближайшему верхнему слою.
2. Скорость поверхностного течения v0 пропорциональна тангенциальному трению τ и обратно пропорциональна синусу широты места и коэффициенту внутреннего трения
где μ — коэффициент внутреннего трения; ρ — плотность воды; ώ — угловая скорость вращения Земли; φ — широта места.
3. Под воздействием силы Кориолиса течение отклоняется от направления ветра вправо в северном и влево в южном полушарии; угол отклонения течения от ветра на поверхности равен 45°.
4. По мере проникновения течения в толщу воды вектор скорости, все более поворачивая вправо (в северном полушарии), на некоторой глубине становится противоположным вектору поверхностного течения (рис. ). Величина скорости течения при этом убывает в геометрической прогрессии при возрастании глубины в арифметической. Глубину, на которой течение направлено противоположно поверхностному, Экман назвал глубиной трения.
Скорость на глубине трения составляет 1/23 скорости на поверхности. Таким образом, даже самые постоянные ветра создают движение вод только в поверхностном слое (слой Экмана) мощностью до 200 м, а суммарный перенос в нем направлен вправо от вектора ветра в северном полушарии и влево — в южном, причем величина отклонения от направления ветра достигает 90°. Чтобы течение распространилось до глубины трения, нужно около 5 месяцев.
На мелководье отклонение течения от направления ветра уменьшается, и там, где глубина меньше 1/10 глубины трения, отклонения вообще не происходит.
4.3 Общая схема течений
Если земной шар и Мировой океан разделить тремя воображаемыми плоскостями симметрии – экваториальной и двумя меридиональными, то обнаружится разная степень асимметрии распределения материковых глыб или соотношения суши и моря. Оно вместе с циркуляцией атмосферы и вращением земли определяет асимметрию распределения важнейших океанических течений. Относительно экваториальной плоскости широтные зоны не образуют зеркальной симметрии: ширина соответствующих зон в северном и Южном полушариях неодинакова. Еще больше проявляется асимметрия относительно меридиональных плоскостей симметрии, особенно в Атлантическом и Тихом океанах, имеющих большое широтное протяжение. Ярко выражена асимметрия в квазистационарной (существующей на протяжении длительных промежутков времени времени) системе циркуляции океанических. Отсутствие континентальных преград в Южном полушарии способствовало становлению здесь самого мощного течения Мирового океана – дрейфового течения Западных ветров, (кругового антарктического), соединяющего воды трех океанов воедино.
Рассмотрим общую схему распределения течений в океане. В Атлантическом, Тихом и, в меньшей степени, Индийском океанах у западных берегов материков происходит приток вод высоких широт к экватору. В экваториальных широтах эти воды отгоняются восточными ветрами (пассатные течения) на запад через океан к восточным берегам другого континента. Здесь они поворачивают против часовой стрелки в Северном полушарии или по часовой стрелке в Южном полушарии, проникая в умеренные высокие широты. В умеренных широтах под действием западных ветров течения вновь пересекают океан в обратном направлении, подходя к западным берегам материков в приполярных и полярных широтах.
Пассаты в Северном полушарии обусловливают возникновение пассатного течения севернее экватора, которое под действием силы Кориолиса приобретает широтное направление и пересекает океан с востока на запад. В южном полушарии южнее экватора устанавливается такое же пассатное течение, у западного берега океана северное пассатное течение под влиянием конфигурации берега отклоняется к северу, а южное — к югу. В пределах 30—40° с. ш. это течение под действием силы Кориолиса приобретает широтное направление и пересекает океан с запада на восток. У восточного берега оно раздваивается. Южная ветвь течения устремляется вдоль берега, обеспечивая принос более холодных вод в тропические районы и постепенно отклоняясь к западу, вливается в северное пассатное течение, замыкая таким образом северное циркуляционное кольцо. Северная ветвь, также распространяясь вдоль берега, образует теплое течение, поскольку здесь происходит перенос более теплых вод с юга. Отклоняясь к западу под воздействием конфигурации Северно-Американского материка, в Тихом океане эта ветвь образует второе северное циркуляционное кольцо, значительно меньшее, чем первое. В Атлантическом океане подобное кольцо также имеется, но севернее его, благодаря сложному распределению пространств 'суши и моря, здесь образуется еще одно небольшое циркуляционное кольцо в пределах Норвежского моря.
Вдоль экватора, между северным и южным пассатными течениями, образуется экваториальное противотечение, имеющее в отличие от пассатных направление с запада на восток. Оно в значительной мере имеет характер стокового и питается ответвлениями пассатных течений.
Таким образом, акватория Мирового океана и отдельных крупных его частей представляет чередование крупномасштабных циклонических (направленных против часовой стрелки в (северном полушарии, и по часовой стрелке - в Южном) и антициклоклонических (направленных по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки - в Южном) вод, разделенных переходными зонами между водами с разными физическими свойствами - фронтальными или фронтами. В Северном полушарии различают арктический (между арктическими и среднеумеренными водами), поля (между среднеумеренными и тропическими водами) и тропический (между тропическими и экваториальными водами).
В Северном полушарии потоки теплых вод, направленный из низких широт в высокие, имеют большую мощность, чем в Южном полушарии. Именно благодаря такому распределению течений в северном полушарии северные границы бореальной зоны у побережий Европы (под влиянием мощного течения Гольфстрим) смещены далеко к северу. В меньшей степени такое смещение проявляется и у арктического побережья Аляски. В результате этого температурные градиенты по западным сторонам бореальной зоны океанов гораздо выше, чем по восточным сторонам, а в экваториальной зоне – наоборот. В южном полушарии в силу тех же причин восточные стороны океанов гораздо более охлаждены, чем западные.
Между Мексикой и Кубой через Юкатанский пролив устремляется сильное течение, описывающее петлю в Мексиканском заливе и только затем выходит в океан и движется вдоль американского побережья и затем пересекает Атлантический океан. Гольфстрим по форме напоминает 8, поэтому сложно определить его начало и конец. Это мощное течение, шириной от 125 до 175 км. приводящее к перемещению воды с температурой до 25-26° С со скоростью до 250 см/с. Оно смягчает климат высоких широт в Европе.
Течение Гумбольта (Перуанское) относится к системе относительно неглубоких течений, имеющих генеральное направление в сторону экватора вдоль западных берегов Южной Америки и является восточной частью антициклонической циркуляции южной половины Тихого океана и может быть классифицировано как восточное пограничное течение (такого же типа Калифорнийское течение в северной части Тихого Канарское и Бенгельское течения в Атлантическом океане). Перуанское течение, как и другие восточные пограничные течения, имеет следующие общие для подобных течений характеристики:
температура в поверхностном слое ниже, чем температура в этом же слое немного западнее;
скорость и перенос вод сравнительно небольшие;
вертикальное движение, т. е. подъем глубинных вод к поверхности, происходит у побережья;
отмечается высокая концентрация биогенных элементов у поверхности;
наблюдается высокая биологическая продуктивность.
Преобладающие ветры у берегов Чили, Перу и Эквадора — юго-восточные пассаты. Характерной особенностью этих ветров то, что их направление в течение всего года без изменения. Ветры усиливаются зимой у южного полушария. Изотермы поверхностного слоя воды идут параллельно берегу; наименьшая температура этого слоя воды прослеживается у самого побережья, что связано с большой облачностью над побережьем.
Низкая температура поверхностного слоя воды у побережья объясняется подъемом к поверхности вод с глубины нескольких сотен метров. Этот подъем вызван совместным влиянием приземных ветров и эффекта вращения земли, в результате чего поверхностные воды отходят от берега; на их место поднимаются глубинные воды.
Устойчиво дующие ветры, сгоняют поверхностные воды в сторону открытого моря. В этих местах наблюдается явление апвеллинга (от англ. up – наверх, и well хлынуть), когда на поверхность поднимается холодная вода, богатая накопленными биогенными элементами. Другой тип перемещения воды, названный аутвеллингом (от англ. out – от, и well хлынуть), приводит к перемещению вод богатых биогенными элементами от эстуариев в открытую часть моря. Даунвеллинг – явление премещения ко дну вод богатых биогенными элементами.
В Мировом океане существуют четыре крупных зоны апвеллинга – перуанская, калифорнийская, бенгальская и участок африканского побережья от Марокко до Гвинеи
У побережий Чили и Перу большую часть года пассаты дуют на север, вызывая интенсивный прибрежный апвеллинг, повышающий продуктивность прибрежных экосистем.
Явление Эль-Ниньо. В декабре скорость ветров уменьшается, и интенсивность апвеллинга падает. Это происходит каждый год и обычно означает конец рыболовного сезона. Но раз в несколько лет температура поверхностной воды повышается сильнее обычного, и апвеллинг прекращается совершенно. Продукция водорослей падает почти до нуля, рыба, в больших количествах живущая здесь в обычное время, исчезает, наблюдается массовая гибель рыбоядных птиц. По времени это явление начинается в районе Рождества и получило название el Nino (в переводе с испанского - младенец Христос).
Явление Эль-Ниньо представляет собой распространение обширной области теплых поверхностных вод на западную часть Тихого океана, в результате которого системы погоды тропической части Тихого океана серьезно нарушаются.
В настоящее время Эль-Ниньо является общепризнанной, периодически возникающей причиной крупных природных возмущений климатической области, происходящих в результате взаимодействия океана и атмосферы. Связанные с Эль-Ниньо стихийные бедствия: проливные дожди, засуха, необычные ураганы и другие экстремальные погодные явления – признаны глобальной проблемой.