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

вни с зональным обменом энергии и веществ как в океане, так н в атмосфере, в одних и тех же географических областях соз­ даются квазистационарные однотипные макроциркуляционные системы с весьма близкими горизонтальными масштабами (рис. 18 и 19). Так, в низких широтах происходит антициклоническое обращение вод, в высоких широтах — циклоническое, а в северной полярной области, представленной океаном, оно снова меняется на антпциклоническое. Таким образом, имеет место последовательная смена с географической широтой на­ правления обращения масс в макроциркуляционных системах атмосферы и океана (рис. 20).

В то время когда макроциркуляционные системы в атмо­ сфере над материками, как правило, изменяются от антицик­ лонов зимой к летним циклонам, над океаном один и тот же барический центр обыкновенно сохраняется круглый год. Бла­ годаря этому зимой охлажденный воздух выносится с конти­ нента на океан, а летом —с океана на сушу, что способствует смягчению климата всей планеты.

Одни и те же макроциркуляционные системы сохраняются в течение круглого года в воде и воздухе. Это объясняется од­ нородностью подстилающей (водной) поверхности и относи­ тельно малой сезонной изменчивостью свойств вод, в том числе и их циркуляции. Выключением являются северные части Ат­ лантического и Тихого океанов. Здесь при постоянном цикло­ ническом обращении вод в атмосфере Исландский и Алеутский барические минимумы хорошо выражены только осенью и зи­ мой, а летом они размываются.

Для сезонной изменчивости переноса воздушных и водных масс характерно небольшое смещение в холодное время года всех макроциркуляционных систем в меридиональном направ­ лении, а также усиление интенсивности циркуляции (в резуль­ тате увеличения температурных контрастов между тропиче­ скими и полярными широтами). В атмосфере эти изменения значительно больше, чем в океане.

Только в северной части Индийского океана со сменой мус­ сонных ветров происходит полная обратимость циркуляции вод. Следует ли отсюда, что перенос вод определяется ветром? По-видимому, нет! Перемещение и перераспределение масс в обеих средах возбуждаются общими закономерностями, обу­ словленными неравномерным нагревом и охлаждением поверх­ ности Земли. Как в атмосфере, так и в океане происходит одно­ типное и одновременное приспособление поля движения к по­ лю масс.

73

^ 1

4^

;рис. 20. Схема циркуляции поверхностных вод океана.

Макроциркуляционные си-

.стемы обозначены: I—антн- цпклоническая экваториаль­ ная; II — циклонические тро­ пические; III — антициклоническне субтропические; IV — циклонические выссжо- ■широтные; V — антицикло-

ническая арктическая.

1 — береговая линия, ог­

раничивающая площадь Ми­ рового океана, занимаемую им в данной географической широте; 2 — направление пе­

ремещения основных пото­ ков; 3 — главные океаниче­

ские фронты (зоны, разде­ ляющие макроциркуляцион­ ные системы): Э — эквато­ риальный, СЭ — субэквато­ риальный, Т — тропические, СП — субполярные, П — по­ лярные; вергенции макро-

.циркуляционных систем: 4—

конвергенции; 5 — диверген­ ции.

Эту всеобщую закономерность можно проследить на про- ■цессах всех масштабов, начиная от элементарных и кончая общепланетарным квазистационарным переносом масс. Она ■нарушается лишь в экваториальной зоне и тропических райо­ нах Мирового океана. Расчеты геострофической циркуляции ■вод показали, что в экваториальной зоне формируются мезомасштабные антициклонические круговороты вод, сменяющие­ ся в приэкваториальных широтах циклоническими макроциркуляционными системами. Обращение вод в них осуществляет­ ся в направлении, противоположном перемещению воздушных масс. Во всех же других системах циркуляция водных и воз­ душных потоков в приземном слое Земли происходит в одном 'направлении.

Циклоническое обращение вод (рис. 19 и 20) в области

75

расположения атмосферного субтропического антициклона не может не вызвать недоумения, тем более что массовые данные по сносу судов указывают на антицпклопическое перемещение поверхностных вод. Это подтверждается расчетами дрейфовой составляющей течений, произведенными Р. П. Булатовым. Ана­ лиз же завихренности поля ветра показывает, что результи­ рующий перенос вод должен происходить в обратном направ­ лении. Следовательно, здесь подтверждается теоретическое положение В. Б. Штокмана о возможности различных направ­ лений перемещения водных и воздушные потоков в условиях поперечной неравномерности скорости ветра (в данном случае пассата).

Выявление циклонического обращения вод в тропических шпротах привело к необходимости существенного уточнения общих закономерностей циркуляции в Мировом океане. Это прежде всего относится к субтропическим антицпклоническнм круговоротам вод, которые, как оказалось, занимают значи­ тельно меньшую акваторию, чем о том ранее судили по да иным о сносе судов. Обнаруженные в экваториальной зоне мезомасштабные антициклонические круговороты вод имеют квазистацпонарный характер. Их, по-видимому, следует считать самостоятельной антициклонической системой. Северная пери­ ферия этих круговоротов возбуждает перемещение вод с запа­ да на восток и может рассматриваться как Экваториальное противотечение. Исходя из теоретических положений (что да­ лее будет рассмотрено более обстоятельно), не только Эквато­ риальное противотечение, но и вся образующаяся здесь систе­ ма обращения вод создается в результате поперечной неравно­ мерности скорости пассатов.

Несмотря на существование макроциркуляционных систем с противоположным обращением вод между ними существует теснейшая взаимосвязь. Она выражается в том, что одни и те же потоки (течения) одновременно могут быть периферической частью двух смежных систем. Следовательно, воды и перено­ симые ими различные вещества (соли, взвеси и пр.) способны, переходя из системы в систему, перемещаться по всей протя­ женности океана.

Перемещение водных и воздушных масс, обмен энергии и веществ в приповерхностном слое океана и атмосфере проис­ ходят в основном в широтном направлении. Межширотный, обмен, помимо последовательного переноса масс из одноймакроциркуляциоиной системы в другую, осуществляется за. счет меридионального обмена по периферии квазистационар­

76

ных круговоротов вод. В низких широтах вдоль западных бе­ регов океанов происходит вынос самых легких тропических вод в умеренную зону. В умеренных же и субполярных широ­ тах наоборот — более плотные полярные воды переносятся вдоль з'ападных побережий, а менее плотные воды умеренного и тропического поясов выносятся вдоль восточных берегов в высокие широты Мирового океана. Создающееся, таким обра­ зом, различие плотностей воды в меридиональном направлении увеличивает интенсивность течений в прибрежных частях антициклонических н циклонических систем.

Последовательная зональная смена макроцпркуляционных систем и является общей закономерностью планетарной цир­ куляции вод. Она формируется в процессе взаимодействия де­ вяти макроциркуляционных систем. Шесть из них однотипны по месту своего нахождения и направлению обращения в них масс. Они более или менее симметрично располагаются по обе стороны от экватора. Такая симметричность обусловлена зо­ нальной сменой природных условий. Три системы не имеют се­ бе подобных в какой-либо другой части Мирового океана (рис. 20), что связано с особенностями распределения воды и суши, а также взаимодействием океана с атмосферой.

Чтобы отразить характерные очертания океанов, на схеме планетарного обращения вод расстояния между побережьями определялись в соответствии с площадью, занимаемой Миро­ вым океаном в данной географической широте. При этом на­ глядно отразились: а) вытянутость океанов по меридиану; б) наибольшая ширина океанов в тропиках; в) сближение океанических берегов к северу и г) наличие сплошного водного кольца между 35—40° ю. ш. и Антарктидой.

На всей акватории от 60 — 70° с. ш. до 35 — 40° ю. ш. зо­ нальными потоками переносятся воды с востока на запад в тропиках и полярных областях и в обратном направлении в умеренных широтах. Они разветвляются при встрече берегов и создают круговое обращение вод. Экваториальная система формируется из низкоширотных антициклонических вихрей и связывает обращение вод обоих полушарий. Ветви ее вовле­ каются в тропические системы. На всем пространстве между 35—40° ю. ш. и побережьем Антарктиды нет сколько-нибудь значительных массивов суши. Над всем этим пространством преобладают сильные и устойчивые западные ветры. Они при­ водят к интенсивному переносу вод в восточном направлении. Создается самое мощное во всем Мировом океане Циркумпо­ лярное (Соединительное) течение, соединяющее воедино обра-

77

щенне вод трех океанов. Подобно прочим течениям оно фор­ мирует периферические части двух смежных круговоротов вод: южных субтропических антициклонических и антарктических циклонических, которые образуются между южной периферией' Циркумполярного течения и Прибрежным антарктическим те­ чением. Во всех макроциркуляционных системах перенос вод одним течением компенсируется другими течениями в процес­ се их взаимосвязанного горизонтального кругового обращения. У Циркумполярного течения такая компенсация осуществ­ ляется в значительной степени в результате сплошного (цир­ кумполярного) обращения вод вокруг Антарктиды *.

В Арктическом бассейне, в соответствии с особеностями его конфигурации и наличием полярного центра высокого дав­ ления в атмосфере, образуется еще одна макроциркуляционная система. Приполярное антициклоиическое обращение вод­ ных и воздушных потоков является связующим звеном в пла­ нетарном переносе и перераспределении масс. В Мировом океане оно осуществляется за счет поступления тихоокеан­ ских вод через Берингов пролив в Северный Ледовитый океан и выноса арктических вод в Атлантический океан через про­ лив Нансена (между Гренландией и Шпицбергеном) и проли­ вы Канадского арктического архипелага.

Арктическая, экваториальная и антарктическая макроциркуляционные системы нарушают симметрию циркуляции по­ верхностных вод Мирового океана. Асимметрия несколько усу­ губляется и тем, что однотипные системы, как правило, имеют свои специфические отличительные черты, которые обуслов­ лены различием интенсивности переноса и перераспределения водных и воздушных масс, а также неравномерным распреде­ лением воды и суши. Более подробно это рассматривается да­ лее в специальном разделе.

О скорости перемещения вод. Непосредственные измерения течений дают представление об их мгновенной скорости. Пре­ обладающие характерные величины скорости отдельных пото­ ков могут дать весьма трудоемкие вычисления. Такие сведе­ ния при крайней ограниченности исходных данных могут быть получены лишь для очень ограниченного числа точек.

Наиболее массовые сведения о поверхностных течениях все-1

1 Кроме того, компенсация вод, как н у других макроци куляционных систем, осуществляется за счет вертикальной цир­ куляции; однако она имеет второстепенное значение, так как ее интенсивность несравненно меньше. Далее эти процессы рассматриваются особо.

78

го Мирового океана, как уже говорилось, получены по сносу судов. Поэтому они в основном использовались для построения карт. Анализ их показывает, что скорость поверхностных тече­ ний в соответствии с интенсивностью и устойчивостью ветров в целом повышается в направлении от полюсов к экватору. На фоне этой общей закономерности могут быть заметные откло­ нения, связанные с местными условиями. Зимой скорости тече­ ний несколько увеличиваются, а летом уменьшаются.

Для Атлантического океана Р. П. Булатовым, а для Ти­ хого — В. А. Бурковым произведены вычисления скоростей геострофических течений при расчете от условной поверхности 1500 м (табл. 8 и 9). Обобщение их затруднительно, так как исходные данные, относящиеся к Тихому океану, осреднялпсь по различным пространственным и временным масшта­ бам. Сколь велики при этом расхождения скоростей течений, можно судить по оценкам, полученным Р. П. Булатовым. Им были осреднены все исходные данные одноградусных трапеций и вычислены геострофические скорости наиболее известных течений в Атлантике. Средняя из них оказалась равной 56 см/сек. Аналогичные операции при пятиградусном осредне­ нии понизили среднюю скорость до 28, а при десятиградусном— до 14 см!сек. Одноградусное осреднение дает для Гольфстри­ ма 80 см/сек, для Флоридского течения— 140 и для Прибреж­ ного антарктического — 8 см/сек. Пятиградусное осреднение понижает эти скорости примерно вдвое, а десятиградусное — в десять раз (табл. 8).

Следует отметить, что скорости отдельных течений, получен­ ные по массовым данным о сносе судов, существенно отличают­ ся от геострофических (табл. 8). Это говорит не только об ограниченности имеющихся сведений, но и о том, что любые представления о циркуляции, свойствах вод, обмене энергии и веществ и прочих явлениях в реальном океане нельзя ис­ пользовать вне зависимости от масштаба рассматриваемого процесса и от того, на основании каких исходных данных они базируются.

Обращение вод в морях. При большом различии факторов, определяющих обращение вод в морях, циркуляционные сис­ темы отличаются значительным разнообразием и сложностью.

К тому же они и менее устойчивы. Их изменчивость связана

спеременой ветров. При относительно ограниченных размерах морей даже сравнительно небольшое изменение преобладаю­ щих ветров приводит к существенной перестройке общей си-

79

стемы обращения вод. Это было прослежено нами в широких масштабах на советских арктических морях '.

Во всех морях, кроме Аральского, отмечается циклониче­ ская циркуляция вод. Это имеет решающее значение для вер­ тикального водообмена в морях Мирового океана. Антициклоническое обращение вод в Аральском море объяснено В. Б. Штокманом на основе разработанной им теории ветро­ вых течений, своеобразием ветрового режима.

3.КВАЗИСТАЦИОНАРНЫЕ МАКРОЦИРКУЛЯЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

ИФОРМИРУЮЩИЕ ИХ ТЕЧЕНИЯ

Рассмотрим наиболее характерные черты крупномасштаб­ ных круговоротов вод и образующих их потоков. Поскольку такие системы создаются в процессе взаимодействия океана с атмосферой, в их познании основное значение имеет обраще­ ние вод, которое происходит в верхней части океана (рис. 19— 21, табл. 10). Циркуляция поверхностных вод особенно интен­ сивна, а течения отличаются наибольшей мощностью и устой­ чивостью. Для количественной оценки скорости и устойчиво­ сти12 течений привлекаются данные по сносу судов3, являю­ щиеся пока наиболее массовыми. Скорость отдельных геострофических течений приведена в табл. 8 и 9.

Антициклонические субтропические системы. Это самые ■крупные системы низких широтОни простираются в субтро­ пиках от одного побережья океана до другого на расстояние от 6 — 7 тыс. км (в Атлантическом океане) до 14 — 15 тыс..кл£ (в Тихом океане). По меридиану местами их можно просле­ дить от экватора примерно до 40-й параллели на протяжении 4 — 5 тыс. км (при минимальном в Индийском океане 3 тыс.

км).

Течения, составляющие антициклонические системы, обла­ дают большой устойчивостью, мощностью и силой. Особенно сильны и устойчивы пассатные течения. Они составляют ту часть системы, которая располагается по обе стороны от эква­ тора. Поэтому их иногда называют экваториальными. Ско-

щихся наблюдений.

3 Скорости и устойчивость течений снимались с карт тече­ ний «Морского атласа», 1953, т. II.

Т а б л и ц а 9

Скорости геострофических течений Тихого океана (по Буркову), см/сек

рость пассатных течений большей частью меняется от 15 — 25 до 25 — 50 см/сек. С приближением к экватору она повышает­ ся благодаря увеличению силы пассатов. В приэкваториальной зоне скорость течения доходит до 50— 100 см/сек, а в отдель­ ных случаях — до 150 — 200 см/сек. Скорость и мощность Юж­ ного пассатного течения больше, чем Северного. Устойчивость пассатных течений от 25—50% У южной и северной периферии возрастает вблизи экватора до 75% и более.

Пассатные течения, достигая западных берегов океанов, разветвляются, причем небольшая часть вод, поворачивая к экватору, дает начало Экваториальному противотечению. Ос­ новная же их масса направляется в сторону высоких широт, образуя мощные теплые сточные тропические течения. Суще­ ствование последних связано не только со стоком огромной массы вод, постоянно приносимых пассатными течениями, но и с соответствующей циркуляцией атмосферы, обусловленной субтропическими антициклонами.

Теплые сточные тропические течения — наиболее устойчи­ вые и быстрые потоки Мирового океана. Сюда относятся те-

82