Представления о Гольфстриме по исследованиям последних лет автора статьи

 

  

 

Последние двадцать лет в воды Мирового океана было запущено  более 12 тысяч дрифтеров, каждый из которых в среднем проработал 1,5 года. С их помощью измерялись поверхностные течения и температура морской воды.  В результате получена огромная репрезентативная информация о течениях, в том числе Северного полушария Атлантического океана, здесь очень много было запущено дрифтеров. В результате анализа дрифтерных измерений течений и температуры вод океана была получена информация о течениях, изменившая наши представления о их природе, свойствах и параметрах.

На рис. 5а, б приведены типичные трасса и модуль скорости движения  дрифтера, проходящего по области Гольфстрима. Мы видим (см. рис. 5а), что дрифтер движется практически прямолинейно вдоль берега  и лишь на севере  в конце Гольфстрима начинает совершать пульсирующие, меандрирующие движения. Всё это вроде бы нам понятно, так дрифтер вроде бы и должен вести себя в потоке Гольфстрима. Но вот обратите внимание на поведение модуля скорости движения дрифтера (рис. 5б).

 

Рис.5. Типичная для Гольфстрима трасса дрифтера (вверху) и модуль скорости его движения с 9 апреля 1999г по 12 января 2000г (внизу). Точкам на трассе с цифрами 1, 2, 3 и т.д. соответствует время движения дрифтера в сутках с момента его запуска: 1 – 24, 2 – 48, 3 – 72 суток и т.д. 

 

Скорость дрифтера всё время меняется, пульсационно. В какой-то момент она равна нулю (или почти нулю), затем дрифтер набирает скорость и очень быстро, за одну – две недели она достигает максимума, затем скорость уменьшается за такое же время и достигает минимальных значений, близких нулю, а затем все квазициклично повторяется. Mы уже отмечали, что собственные движения вод Гольфстрима имеют большой период, соизмеримый с несколькими годами. Тогда не понятно, какая сила так быстро останавливает воды Гольфстрима и какая сила заставляет их снова двигаться, и при этом квазициклически. На этот вопрос трудно ответить, если допустить, что течения градиентные.

Являются ли такие пульсирующие течения градиентными геострофическими течениями? Это мы рассматривали: конечно нет [1, 2, 4]. Не может поле плотности приспосабливаться под поле течений за такое короткое время.  При скоростях течения равных нулю поле плотности в направлении перпендикулярном вектору течения должно быть равно нулю, а такого в реальности не бывает. Значит такие течения не геострофические. Значит, представления о течениях полученные с помощью методов предусматривающих геострофический характер течений – неверны. Значит течение не проходит вдоль линий равной плотности воды и вдоль гидрофронта, значит аномалиям не соответствуют вихри, вихри Гольфстрима в данном случае.

Впервые подобный пульсирующий характер крупномасштабных течений обнаружил ещё В.Б. Штокман в Каспийском море [16]. Он показал, что такие пульсирующие течения не могут быть геострофическими и к ним не применим динамический метод, да и диагностические модели тоже. Мы могли бы приводить и другие доказательства не геострофического характера течений, но думаю, что и этого достаточно. Таким образом можно утверждать, что течения Гольфстрима не градиентные, геострофические. А следовательно сложившиеся представления о Гольфстриме, полученные путём анализа термохалинного поля – неверны.

На рис. 6, 7  приведены схемы течений Северной Атлантики, построенные по ансамблю всех дрифтерных наблюдений: на рис.6 приведены средние по ансамблю наблюдений векторы течений, на рис. 7 изображены области течений, различающиеся по модулю скорости течения. Фактически это параметры реальных течений.  Эти схемы построены О.П. Никитиным специально по заказу автора статьи и в соответствие с его требованиями, по методике изложенной в [13]. Исходные дрифтерные измерения помещены в Интернете. Мы благодарны О.П. Никитину за проделанную работу.

 

Рис. 6. Схема течений Северного полушария Атлантики, построенная по ансамблю всех дрифтерных наблюдений. Вектора течений – результат осреднения течений измеренных дрифтером.

 

 

Рис. 7. Схема течений Северной Атлантики, построенная по ансамблю всех дрифтерных наблюдений. Красным цветом выделены участки трасс дрифтеров, когда их скорость превышала 50 см/с.

 

Итак, мы видим: схемы параметров течений, реальных, но не плод фантазии их авторов. Заметны существенные различия в изображениях течений на схемах рис. 3, 4 и рис. 6, 7. На схемах рис. 6, 7 чётко выделяется течение Гольфстрим, оно выходит из Мексиканского залива и никаких поступлений воды сбоку от Гольфстрима, из Атлантического океана, в виде Антильского и прочих течений мы не наблюдаем. Где изображены эти  течения существует область  переменных и очень слабых течений, со средними скоростями ~ 2 – 3 см/с. Эта область океана, в районе 30⁰ с. ш. характерна слабыми ветрами и вот теперь мы видим и слабыми течениями.  Она получила название: “конские широты”. Из изложенного следует, что цируляций не существует и название крупномасштабных течений, крупномасштабной циркуляцией является неким парадоксом.

         Но как объяснить другой парадокс: течение вроде бы выходит из Мексиканского залива, мы это видим, а вода из залива не поступает. Объяснение этому и многому другому дано в работах [1, 2, 4]. Фактически здесь мы кратко перескажем содержание статей. Далее мы расскажем, как формируется Гольфстрим и как формируются в нем течения.

 

         О формировании течений Гольфстрима

 

 

Мы уже  обсуждали, что в настоящее время почти общепринято, что крупномасштабные течения океанов, в том числе и течения Гольфстрима, являются градиентными, термохалинными и существуют в режиме геострофического приспособления термохалинного поля и течений, т. е. течения являются геострофическими.  Динамика градиентных, геострофических течений нам хорошо известна.

По изложенным исследованиям поведения течений и термохалинного поля вод океана делаем вывод: течения Гольфстрима с его меандрами и вихрями не могут быть геострофическими и не градиентными, термохалинными, термохалинное поле его вод не должно совпадать с полем течений. Тогда можно считать, что представления о течениях Гольфстрима, его природе, свойствах и параметрах, полученные путём анализа термохалинной информации, оказываются неверными. Тогда можно понять, почему не удаётся объяснить многое в поведении Гольфстрима. В частности, действительно ли Гольфстрим меандрирует, действительно ли аномалиям соответствуют вихри, действительно ли гидрофронту соответствует струя Гольфстрима. Позже мы закрепим эту мысль рассмотрением отдельных черт и свойств, реальных или ошибочно принятых течений и свойств Гольфстрима.  Если течения не термохалинные геострофические, то какие?

Ране были выполнены многочисленные исследования [7, 10, 12], которые показывают, что крупномасштабные течения могут быть сформированы волнами Россби.

 

 

Волны Россби Мирового океана

 

 

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. Иногда их называют планетарными волнами Россби, подчёркивая, тем самым, их большие размеры. Однако реальные волны, получившие название волн Россби, отличны их математической модели, предложенной С.Россби ещё в 1939 г для описания волн в атмосфере.

 В настоящее время многие исследователи эти реальные волны рассматривают с позиции “смешанных” гравитационных и волн Россби, Rossbe – gravity waves. Тем не менее, реальные волны исследователи зачастую называют просто волнами Россби. Этого принципа будем придерживаться и мы.  

         Наблюдаемые в определённой части океана волны следует рассматривать, как составную часть поля взаимосвязанных волн всего Мирового океана. Последовательность волн во времени и в пространстве представляет собой непрерывный ряд, сформированных в модуляции (группы) малых - больших - малых и т.д. волн.

         Энергия от источника передаётся 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 тот случай, когда малыми усилиями за счёт резонансного возбуждения приводятся в движение огромные массы воды океана.

 Изменение амплитуд колебаний скорости течений в волнах и построение их в модуляции происходит за счёт работы некоего неизвестного науке механизма перестройки волн, названного нами модуляционным, но не за  счёт отдельных поступлений энергии от источника. Эти поступления энергии от источника никак не отражаются в поведении волн, волны “живут” по своим волновым законам в режиме свободных прогрессивных волн.

         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  2 года.

 

 

О формировании крупномасштабных течений волнами Росссби

 

 

Анализ параметров волн Россби или континентальных шельфовых волн и крупномасштабных течений подсказал учёным что, эти два явления, волны и течения, как-то должны быть взаимосвязаны. Обычно в местах с более крупными волнами наблюдались крупномасштабные течения с большими скоростями. Наличие связи многие исследователи объясняли так: крупномасштабные течения сформированы волнами Россби за счёт передачи их энергии течениям [17-20, 22-25]. Преимущественно рассматривались два механизма образования крупномасштабных течений путём передачи энергии волн течениям: отрицательной вязкости в волнах и нелинейного взаимодействия волн.

Известный отечественный океанолог, академик А.С. Монин, рассматривая эти механизмы формирования крупномасштабных течений волнами, понимал большую значимость долгопериодных волн в динамике вод океана. Он отмечал, что так (с позиции  длинноволновой природы течений) можно объяснить большие скорости струйных течений и устойчивый их характер.  Для убедительности изложенного обсудим некоторые работы этого направления.

Так, М. Лайтхилл [20] предполагал, что планетарные волны Россби экваториальной зоны Индийского океана, достигнув побережья Африки, передают свою энергию водам прибрежной зоны, формируя, таким образом, Сомалийское течение. В дальнейшем эта гипотеза была развита другими учёными.

Дж. Кнаусс и С. Филандер [19] полагали, что экваториальные планетарные волны Россби имеют отношение к динамике под поверхностных течений Тихого и Атлантического океанов.

Р. Ниллер и Л. Мусак отмечали, что  волны Россби взаимодействуют с пограничными течениями – Восточно-Австралийским и Гольфстримом, чем и объясняются их большие скорости [24].

Для объяснения экваториального под поверхностного течения Кромвеля В. Манком и Д. Муром была предложена гипотеза участия волн Россби в формировании течений [23]. Рассматривался механизм одно направленного  волнового (осреднённого) переноса вод волнами Россби, возникающего в результате нелинейного взаимодействия волн.

Эти пространные описания гипотез формирования течений приводим, чтобы обратить внимание читателя, что речь идёт не о бесплодных фантазиях и “выдумках” автора статьи, а о вещах проверенных и осмысленных ранее многими известными учёными. 

Однако объяснения формирования течений волнами не получили должного развития в океанологии. Как нам кажется, этому две причины: они не были обоснованы экспериментально, впрочем, как и все другие объяснения, и свойство учёных придерживаться прежних представлений о явлениях и не верить новым. Впрочем, это свойство присуще не только учёным, но и всем людям.

Недавно, в 2001 - 2007 гг., авторам [1, 4] удалось экспериментально обосновать возможность формирования  крупномасштабных течений долгопериодными волнами, в частности волнами  Россби, континентальными шельфовыми волнами. Была установлена одновременная связь крупномасштабных течений, U и течений долгопериодных волн, что одно и тоже - кинетических энергий волн и течений:                                        

                                         U = К₁V_o                                     (2)

где    V_o – амплитуда колебания скорости течения долгопериодных волн,                                        К₁ ~ 1.

Коэффициент корреляции оказался высоким 0,85, что позволило  эту связь (2) рассматривать, как близкую функциональной.

Поскольку связь (2) одновременная и имеет высокий коэффициент корреляции, то отсюда можно сделать важный вывод: волны и течения следует рассматривать как единый процесс: волны – течения. Общий сигнал течений можно разделить на собственно волновое течение и волновой перенос, т.е. то, что принимается за крупномасштабное течение. Однако механизм связи волн и течений объяснён не был.

 

 

 

               Продолжение следует