Страница 6 из 35
Удачным методом изучения движения жидкости и газов на Земле является их моделирование в лабораторных условиях. В этом отношении можно использовать опыт конструкторов самолетов. Они помещают свои небольшие модели в искусственные каналы, направляют на них воздушную струю и изучают поведение самолета. Но при оценке результатов необходимо учитывать лабораторные масштабы модели. Такой подход очень часто используется и при исследовании вихрей в океане и атмосфере, которые отличаются особыми размерами во времени и пространстве. В основном эти размеры определяются относительными изменениями плотности жидкости в вертикальном направлении. Например, в атмосфере отношение вертикального изменения плотности к самой плотности приблизительно в 250 раз больше такого отношения для океана. Вследствие этого размеры океанических циклонов и антициклонов приблизительно в 16 раз (√250) меньше размеров их атмосферных аналогов. Этот теоретический вывод не раз подтверждался и на практике.
Как можно определить характерное время для циклонов и антициклонов в атмосфере и океане? Это можно сделать и путем теоретических расчетов, и экспериментальным путем. Опыт показывает, что соотношение характерных времен атмосферных и океанических вихрей приблизительно равно соотношению горизонтальных масштабов океанических вихрей к масштабу атмосферных. Эта зависимость имеет серьезное теоретическое объяснение. Чтобы его понять, необходимо вновь вспомнить о пионере в области теоретической метеорологии и океанографии— шведском геофизике Россби.
Мы уже говорили о том, что в результате активности муссонов в Индийском океане зарождается Сомалийское течение. Но при чем тут вихри, спросите вы. забыв слова американского океанографа П. Райнза о том, что слабые вихри — это волны. Слабые вихри в данном случае — это такие вихри, у которых скорость кругового движения по отношению к скорости поступательного движения вихря невелика. В результате атмосферной активности над океаном в нем возбуждаются волны Россби, которые распространяются на запад. Они взаимодействуют друг с другом, усиливаются и вызывают подлинно «сильные» вихри. В них скорость орбитального движения превышает скорость перемещения вихря как единого целого иногда более чем в сто раз.
Одной из величайших заслуг Россби является то, что он открыл теоретическую зависимость частоты планетарных волн от их длины. Согласно этой зависимости, частота пропорциональна длине волны, а это означает, что ее период обратно пропорционален ее длине. С другой стороны, длина волн Россби равна характерным масштабам вихрей в океане и атмосфере.
Сегодня теория Россби находит свое подтверждение при изучении вихрей в атмосфере и океане. Исследования показывают, что характерное время обратно пропорционально их горизонтальным размерам. Отсюда мы легко сможем привести к определенному масштабу процессы в атмосфере и океане. Так как характерные размеры вихрей в океане в 16 раз меньше размеров атмосферных вихрей, период последних в 16 раз короче, чем у первых. Это означает, что горизонтальный масштаб для океана — 100 км будет соответствовать атмосферному масштабу 1600 км, т. е. океаническому периоду в тридцать дней будут соответствовать два атмосферных дня.
Чтобы лучше понять аналогию и различия между океаническими и атмосферными вихрями, нужно изучить карты их эволюции. Временные периоды между двумя состояниями океана должны быть в шестнадцать раз больше таких же периодов атмосферы, а линейные размеры рассматриваемой области океана должны быть в 16 раз меньше. Невольно напрашивается вывод, что количество вихрей в рассматриваемых океанских и атмосферных областях приблизительно одинаково. Эти вихри перемещаются в пространстве и изменяются во времени. Но самый важный вывод — следующий: океан заполнен вихрями намного плотнее, нежели атмосфера, ибо океанические вихри меньше атмосферных.
Карты погоды в — атмосфере и в океане. На них отмечены около четырех вихрей (циклоны и антициклоны). Отличия атмосферных вихрей от океанских налицо: атмосферный район занимает площадь 80° по параллели и 40° по меридиану, в то время как океанский имеет размеры 4x4 географических градуса. Карты атмосферного давления вычерчены через два дня, а соответствующий интервал для океана — один месяц. На каждом рисунке три цифры означают месяц, день, год. Н — циклоны, низкое давление, В — антициклоны, высокое давление.
Океанические циклоны и антициклоны есть почти везде, но особенно часто они встречаются в непосредственной близости от крупных течений, а также в Арктике, Средиземном и Черном морях. Размеры и время жизни вихрей зависят от температуры и солености водных масс, но они существуют повсюду и подчиняются одним и тем же законам. Не случайно говорят, что океан представляет собой «мозаику» вихревых образований.
Течения и их кольца
Кроме вихревого движения в океане, о котором мы уже рассказывали, существует и иной вид вихрей — так называемые «ринги», или кольца (по — английски кольцо — ring), которые отрываются от крупных океанических течений.
Чтобы понять механизм образования колец, необходимо провести аналогию между течениями в океане и рекой. Как известно, протекая по равнине, реки петляют (или меандрируют), образуя при этом нечто подобное островам. Конечно, большие океанические течения отличаются от движения водных масс в реках. Но наблюдения показывают, что Гольфстрим меандрирует, что объясняется неустойчивостью его струи. Иными словами, малое возмущение струи, возникшее в силу какой‑то причины, постепенно начинает возрастать, как будто по струе проходит волна.
Меандрирование Гольфстрима было известно океанографам еще сорок лет назад. Ученые знают также множество примеров кольцевидных образований в океане. Однако около десяти лет назад ученые все еще не могли ответить на вопрос, что вызывает эти явления.
Течение Гольфстрим. Мощное атлантическое течение, которое питают водные массы из тропических и экваториальных областей океана (на рисунке они обозначены пунктиром). Между двумя линиями объем воды, переносимой течением, одинаков, т. е. вблизи берега оно усиливается (линии сближаются). После отрыва от континентального шельфа Гольфстрим начинает меандрировать.
После отрыва от береговой зоны Североамериканского континента Гольфстрим, подобно огромной петляющей реке, распространяется во внутренние области океана. Из‑за неустойчивости его струи некоторые петли (меандры) отрываются и образуют кольца. Эти кольца самостоятельно движутся на запад и юго — запад.
Ныне огромное количество накопленных данных о полярных фронтах в океане позволяет нам дать ответ, хотя, может быть, и не исчерпывающий, на вопрос о том, как образуются кольца. Северо — Атлантическое течение можно рассматривать как фронтальную поверхность, разделяющую два разных типа водных масс. К северу от него лежат холодные тяжелые воды северной части Атлантического океана, а к югу — теплые воды Саргассова моря. Интересно отметить, что ширина течения всего несколько сот километров. Основные силы, приводящие в движение воды данного течения (сила, возникшая в результате разницы в давлении между северной и южной периферией фронта, и отклоняющая сила вращения Земли), четко сбалансированы. И тем не менее на океан оказывают воздействие множество меняющихся со временем факторов, которые очень часто могут возбудить возмущение в струе течения. А это значит, что более холодные и тяжелые воды могут проникать на юг. В свою очередь воды Саргассова моря проникают на север, и течение начинает петлять.