книги из ГПНТБ / Степанов В.Н. Мировой океан. Динамика и свойства вод

по Атлантическому — Р. П. Булатовым, по Индийскому — В. Г. Нейманом, показали, что за отсчетную поверхность мо­ жет быть принята глубина 1500 м. Этот вывод находится в полном соответствии с основными особенностями стратифика­ ции вод. На глубине около 1500 м располагается граница меж­ ду промежуточной и глубинной структурными зонами.

Следует ли отсюда, что границы между другими структур­ ными зонами также могут служить отсчетными поверхностями, поскольку в пределах каждой зоны существуют самостоятель­ ные системы вертикального обращения вод?1. Или это присуще только переходу от промежуточных вод к глубинным, где про­ исходит довольно резкое изменение вертикальных градиентов плотности от вполне определенных значений до величин, близ­ ких к нулевым? Эти вопросы требуют постановки специально­ го исследования. Пока же по материалам В. А. Буркова, Р. П. Булатова и В. Г. Неймана нам удалось построить карты циркуляции вод по Мировому океану для наиболее характер­ ных глубин верхнего тысячеметрового слоя (см. рис. 19 и 22).

Стремясь составить представление об обращении вод во всей остальной толще Мирового океана, А. Д. Щербинин и Р. П. Булатов, исходя из особенностей стратификации и вер­ тикальной циркуляции вод, провели расчеты течений от гра­ ницы, разделяющей глубинную и придонную структурные зо­ ны; за таковую в первом приближении можно принять четырехтысячеметровую поверхность. В результате были получены карты циркуляции вод, совершенно идентичные тем, которые ранее построены от отсчетной поверхности 1500 м.

Использование более глубокой отсчетной поверхности по­ зволило на основании расчетных данных составить карты горизонтального перемещения глубинных вод по двум океанам (рис. 23). В ближайшее время аналогичная работа будет про­ ведена и по Тихому океану.

Карты циркуляции глубинных вод, построенные по Тихому океану В. А. Бурковым, к сожалению, не могут быть объеди­ нены с данными, имеющимися по двум другим океанам, так как они получены разными методами. Однако уже теперь по материалам, относящимся к Атлантическому и Индийскому океанам, можно сделать заключение об основных закономер-

1 Без таких систем, как уже говорилось, не могла бы иметь место та резко выраженная стратификация вод, которая свой­ ственна океану. Это положение подтверждается приведенными далее расчетами.

63

ностях горизонтальной циркуляции вод и ее перестройке по вертикали во всей толще океана, кроме придонной структур­ ной зоны.

Для количественной оценки вертикальной циркуляции вод использовано уравнение турбулентной диффузии, по которому были рассчитаны меридиональные и вертикальные составляю­ щие течений в меридиональном сечении Атлантического, Ин­ дийского и Тихого океанов, а также по одному из характер­ ных профилей Арктического бассейна *. Рассчитанные по этим составляющим результирующие векторы дали возможность составить схемы вертикального обращения вод в условиях реально стратифицированного океана (рис. 24 и 25). Даль­ нейшая их схематизация послужила основанием для сужде­ ния о путях перемещения водных масс (рис. 26 и 27).

1. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ОБРАЩЕНИЯ ВОД ОКЕАНА

Любое перемещение вод, возникающее под влиянием той или иной причины, возбуждает целую систему взаимосвязан­ ных движений, обусловленных убылью масс в одном месте и необходимостью их восполнения со стороны. Таким образом создается круговое обращение вод различных масштабов. Про­ должительность существования таких систем определяется временем действия процессов, породивших перемещение вод, и временем, необходимым для восстановления динамического равновесия сил и поля плотности. Горизонтальные размеры обращения вод определяются главным образом пространствен­ ными масштабами процессов, вызывающих перенос масс.

Вне зависимости от размеров циркуляционные системы мо­ гут быть спорадическими, возникающими в каком-либо райо­ не, и быстро разрушающимися, или квазистационарными — постоянно существующими в одном и том же месте. При любом пространственном и временном масштабе обращение вод будет либо циклоническим (против движения стрелки часов в Север­ ном полушарии и по направлению ее перемещения в Южном), либо антициклоническим (по часовой стрелке к северу от эк­ ватора и в обратном направлении к югу от него).1

1 Методика расчета и полученные результаты рассматри­ ваются в статье автора, опубликованной в «Океанологии», 1969,

т. IX, вып. 3.

64

Вертикальные перемещения зависят от степени стратифи­ кации вод и от временных и горизонтальных масштабов цир­ куляционных систем. Чем больше эти системы и чем дольше они существуют, тем соответственно на большую глубину рас­ пространяется их влияние.

Для понимания особенностей формирования природы Ми­ рового океана и всего земного шара большое значение имеет представление об изменчивости планетарных процессов Ч Пе­ ренос и перераспределение масс осуществляются циркуляцион­ ными системами различных масштабов. В соответствии с об­ щепринятой классификацией естественных процессов они могут быть подразделены на микро-, мезо- и макроциркуляцнонные системы.

Для того чтобы проследить генезис и особенности раззития микроциркуляционных систем, необходимы материалы синоп­ тического характера. Они могут быть получены в результате стационарных измерений течений с помощью буйковых поста­ новок или заякоренных кораблей, а также путем проведения повторных наблюдений («съемок»), выполняемых судами в одном и том же районе. Результаты систематизации и анализа подобных данных, полученные Е. И. Барановым, помещены на рис. 17. Таких материалов еще очень мало, и потому широкое исследование микроциркуляционных систем оказывается весьма затруднительным.

Представления о мезо- н макроциркуляцнонных системах могут быть получены либо в результате проведения одновре­ менных исследований на обширной акватории, либо на основа­ нии обобщения многочисленных данных наблюдений. При этом немалое значение имеет масштаб осреднения. По мере его увеличения мезоциркуляционные системы будут исчезать, а макроциркуляцнонные проявляться все более ярко. Доказа­ тельством тому могут служить карты течений, построенные Р. П. Булатовым динамическим методом при осреднении исходных наблюдений по одно-, пяти- и десятиградусным тра­ пециям. Самые крупные круговороты вод, близкие по своей горизонтальной протяженности к размерам атмосферных квазистационарных циклонов и антициклонов, следует отнести к макроциркуляционным системам (рис. 18—20). Все же про­ чие системы, полученные в процессе осреднения, следует считать мезомасштабнымп.5*

1 Эти вопросы рассматриваются в работе автора «Плане­ тарные процессы и изменения природы Земли».

1970.

Рис. 17. Динамика субарктического фронта Атлантического океана (зона

Гольфстрима; 4 — границы между различными типами вихрей.

Внизу — меандрирование фронта (по положению характерной изотермы 18°) в 1963 г.: 1 — 8 марта; 2 — 22 марта; 3 — 12 апреля; 4 — 1 мая.

66

ри, создается зона дивергенции *. В антициклоиических сис­ темах воды опускаются и возникают конвергенции. Вертикаль­ ное перемешивание, по-видимому, редко распространяется ни­ же поверхностного слоя (в среднем 30—40 иг, местами до

100—150 иг).

Помимо океанических фронтов, сколько-нибудь систематич­ но микромасштабные вихри нигде не прослеживались. Однако кажется несомненным их повсеместное развитие как основного механизма, за счет которого должна осуществляться передача энергии и веществ в толще вод в процессе непосредственного обмена с атмосферой.

Мезоциркуляционные системы. Ими следует считать обо­ собленные круговороты вод диаметром от 50 до 150—200 км. Они, в частности, обнаруживаются в зоне субарктического ат­ лантического фронта восточнее 65—68° з. д. Так же, как и микроциркуляционные системы, они являются следствием вол­ новых возмущений, однако большего масштаба, возникающих во фронтальной зоне (рис. 17). Вначале происходит волно­ образное искривление фронта, получившее наименование меандрирования. По мере перемещения возмущений вдоль фрон­ та амплитуда их нарастает, в результате чего может произой­ ти отрыв меандра и превращение его в мезомасштабный вихрь. Этот процесс удалось полностью проследить в июне 1950 г. во время экспедиции «Операция Кабст».

Исключительно интересно то, что справа от оси субаркти­ ческого океанического фронта образуются антициклонические вихри, а слева — циклонические. Следовательно, направление их вращения соответствует обращению вод макроцнркуляционных систем, располагающихся по обе стороны от фрон­ тальной зоны. Судя по характеру полей температуры и соле­ ности, вращательные движения распространяются до глубины около 1000 м.

Меандрирование потоков хорошо прослеживается и в зоне субарктического фронта Тихого океана, по которому также имеются обширные систематические материалы. По характеру термогалинных полей меандры и крупные вихри были просле­ жены и на арктическом океаническом фронте в Норвежском и Гренландском морях. По аналогии с атмосферными фронтами мезоциркуляционные системы должны возникать постоянно, однако в соответствии с большей плотностью среды реже, чем1

1 Вергенции (дивергенции и конвергенции) особо рассмат­ риваются в четвертом разделе этой главы.

68

в воздухе, и с меньшей скоростью горизонтального переме­ щения.

По данным, относящимся к субарктическим океаническим фронтам, меандры бывают двух типов. Одни из них благодаря влиянию рельефа дна постоянно существуют в определенных районах. Особенно хорошо это проявляется в условиях про­ хождения фронта вдоль материкового склона. В этом случае мезоциркуляцпонные круговороты систематически образуются в одних и тех же местах. Другой тип крупных меандр, судя по изменению конфигурации отдельных характерных изотерм (рис. 17), может спорадически возникать в различных частях океанического фронта.

Мезоцнркуляционными системами следует также считать отдельные сравнительно небольшие замкнутые круговороты вод, которые повсеместно обнаруживаются на картах течений (рис. 19 и 22) вне связи с океаническими фронтами. Одни из них будут возникать в результате завихренности, возбуждае­ мой ветровым полем, рельефом дна, конфигурацией побережий и другими факторами, постоянно действующими в определен­ ных районах. Другие мезомасштабные системы могут созда­ ваться в соответствии с местными особенностями обмена энер­ гии и веществ. Поэтому они способны находиться в одних и тех же районах длительное время, по крайней мере в рамках сезонных циклов развития планетарных процессов.

Вертикальное развитие мезомасштабных систем в основ­ ном ограничивается поверхностной структурной зоной (200— 300 м) ; при большой горизонтальной протяженности и повы­ шенной интенсивности обращения вод их влияние может рас­ пространиться и на промежуточную структурную зону (до глубины 1000—2000 м).

Макроциркуляционные системы. Целесообразно выделить три типа этих образований: а) квазистационарные океаниче­ ские системы, за счет которых в основном осуществляется пла­ нетарная циркуляция вод; б) квазистационарные системы, благодаря которым происходит обращение вод в морях, и в) спорадические крупномасшатбные системы, которые должны возникать в результате развития первичных (элементарных) планетарных процессов 4.

Вполне естественно, что наибольший интерес представляет

69

процессе взаимодействия океана с атмосферой. Они формиру­ ются в тех же местах, где располагаются основные центры действия атмосферы, имеют весьма близкие к ним горизонталь­ ные маштабы (рис. 18—20). Их меридиональная протяжен­ ность большей частью составляет 2000—5000 км, а вытянутость по параллели — от 5000 до 15 000 км.

При столь больших горизонтальных масштабах возбуждае­ мое ими вертикальное перемешивание распространяется на всю толщу океана. Таким образом, перенос и перераспределение водных масс в глубинной и придонной структурных зонах (т. е. ниже 1500—2000 иг) также возбуждаются процессами обмена энергии и веществ океана с атмосферой.

Системы обращения вод во всех крупных морях, по-види­ мому, также следует отнести к квазистационарным макроциркуляционным системам, а в небольших — к мезосистемам.

Проявление спорадических макроциркуляционных систем, возбуждаемых первичными планетарными процессами, пока удалось проследить только по систематическим съемкам ле­ дяного покрова и термогалинным свойствам вод в советских арктических морях: Много лет назад здесь выявлена тесней­ шая взаимосвязь между синоптическими процессами в море и атмосфере. Она положена в основу методики краткосрочных ледовых прогнозов и всего научно-оперативного обслуживания навигации на Северном морском пути. Отсутствие на обшир­ ных акваториях океанов часто повторяющихся наблюдений синоптического характера пока не позволяет проследить в до­ статочно явной форме спорадические макроциркуляционные системы. Однако кажется, что они должны возбуждаться в процессе развития элементарных циклов, являясь основным механизмом переноса и перераспределения поверхностных вод по всей акватории Мирового океана. Последующие исследова­ ния в океане должны будут дать необходимые материалы для решения этих вопросов.

2. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПЛАНЕТАРНОГО ОБРАЩЕНИЯ ВОД

Анализ карт циркуляции вод Мирового океана и ветровых полей в приповерхностном слое атмосферыпозволяет выявить условия образования макроциркуляционных систем в водной и воздушной средах, а также те важнейшие закономерности, которые свойственны планетарному обращению масс.

Формирование макроциркуляционных систем. В соответст-

72