Причины морских течений
Движение вод в океанах только что начинает изучаться, даже относительно поверхностных течений известно еще очень немного, а глубинные и придонные и вовсе еще не изучались. Между тем несомненно, что поверхностное и глубоководное движение воды в океанах образует одну сложную систему, которая даже и в своей части, совпадающей с океанической поверхностью, недостаточно исследована. Неудивительно потому, что это сложнейшее океанографическое явление, не менее сложное, нежели подобные же движения в воздушном океане, не имеет еще стройной теории, охватывающей все причины, обуславливающие движение вод в океане.
Причины, могущие возбудить движение вод в океане и создать наблюдаемую систему океанических течений, можно подразделить на три группы. Причины космического характера, разность плотностей и ветры.
Согласно современному взгляду, космические причины, вращение Земли и приливы, не могут возбудить ничего подобного наблюдаемым в поверхностных слоях течениям, и потому эти причины здесь и не рассматриваются.
Второй группой причин, возбуждающих течения, являются все те условия, которые производят разность плотностей в морской воде, а именно неравномерное распределение температуры и солености.
Третья причина возникновения поверхностных (а следовательно, отчасти и подводных) течений есть ветер.
Разность плотности воды
Разность плотностей многими признавалась как важнейшая причина океанических течений, этот взгляд получил распространение в особенности после океанографических исследований экспедиции Challenger.
В это время сперва Карпентер, а потом Моя высказали предположение, что разность плотностей есть одна из главных причин течений. В последнее время скандинавские ученые: Нансен, Бьеркнес, Сандштрём, Петтерсон, снова возобновили интерес к явлению разности плотностей, как причине течений.
Различие плотностей в морской воде есть результат одновременного действия многих причин, всегда существующих в природе и потому непрерывно изменяющих плотности частиц морской воды в разных местах.
Каждое изменение температуры воды сопровождается и изменением ее плотности, причем, чем температура ниже, тем плотность больше. Испарение и замерзание тоже увеличивают плотность, тогда как выпадение осадков уменьшает ее. Так как соленость на поверхности зависит от испарения, выпадения осадков и таяния льдов — явлений, происходящих непрерывно,— то и соленость на поверхности постоянно изменяется, а вместе с ней и плотность.
Карта распределения плотности в среднем за год показывает, что этот элемент неравномерно распределен по поверхности океана, а разрез Атлантического океана по меридиану подтверждает, что в океанах и на глубинах плотности распределены неравномерно. Линии равных плотностей (изопикны) опускаются к тропическому поясу в глубины океана, а с удалением от экватора они выходят на поверхность.
Все это указывает, что, если бы никаких иных причин, возбуждающих течения в океане, не существовало бы, а было бы только неравномерное распределение плотностей, то воды океана непременно пришли бы в движение; однако возникшая таким путем система течений и по характеру и по скоростям была бы совершенно иная, нежели сейчас наблюдаемая, потому что другие не менее важные причины, также возбуждающие течения, отсутствовали бы.
Например, в пассатных полосах испаряется слой воды в несколько метров толщины, и около 2 м этой испарившейся воды выпадает в штилевой экваториальной полосе. Отсюда распресненная вода (при существующей системе течений) уносится к востоку Экваториальным противотечением. Остальная же масса водяных паров антипассатом переносится в умеренные пояса, где и выпадает. Таким образом происходит постоянная убыль воды в тропиках, которая должна возмещаться притоком из умеренных широт. Однако одна эта причина не в состоянии создать наблюдаемую в океанах систему течений.
Точно так же льды в приполярных и полярных широтах частью распресняют воду, делают легче, частью же охлаждают ее, увеличивают плотность и заставляют опускаться вниз, обусловливая таким путем охлаждение глубоких слоев океана, а следовательно, дают толчок к движению и поверхностных вод от умеренных широт к полярным. Однако одна эта причина не может создать всей существующей сложной системы течений.
Таким образом, несомненно, что разность плотностей, постоянно поддерживаемая многими причинами во всей массе вод Мирового океана, должна содействовать образованию движения вод, как на поверхности, так и на глубинах.
Норвежский ученый В. Бьеркнес изложил свои взгляды на причины, могущие возбудить движение в какой-либо среде, безразлично жидкости или газе. Причины эти заключаются единственно в неоднородности самой среды, что в природе всегда и наблюдается. Идеи Бьеркнеса потому именно и замечательны, что он разбирает движение в случаях, взятых из природы, а не какую-либо идеальную среду, совершенно однородную, как это обычно делается.
Так как Бьеркнес берет среду не однородную, то основанием его рассуждений должно быть обстоятельное изучение распределения плотностей в рассматриваемой среде. Знание распределения плотностей дает представление о внутреннем строении среды, а последнее позволяет судить и о характере возникающих в ней движений частиц.
Сущность идеи Бьеркнеса вычисления скоростей течений на основании распределения плотностей. Предположим, что в какой-либо массе вод температура и соленость распределены совершенно равномерно, тогда и плотность везде будет одинакова, и, следовательно, избранная масса воды будет однородна. В таких условиях на одинаковых глубинах давления будут одни и те же и будут зависеть только от числа слоев, находящихся над каждым слоем (в первом приближении с каждыми 10 м глубины давление увеличивается на одну атмосферу).
Если в такой однородной среде провести поверхности равного давления, или, как их иначе называют, изобарические, то они совпадут с уровенными поверхностями.
Если теперь сделать вертикальное сечение этой массы воды, то на нем изобарические поверхности изобразятся системой параллельных и горизонтальных линий.
В случае же, если в избранной массе воды температура н соленость распределены неравномерно, то не зависящая от этих условий плотность воды на одинаковых глубинах будет различная.
Бьеркнес вместо плотности пользуется обратными величинами — удельными объемами и через места в жидкости, где последние одинаковы, проводит поверхности, которые на взятом вертикальном сечении изобразятся кривыми, названными им изостерами.
Таким образом, на вертикальном разрезе получится две системы линий, одни будут прямые, параллельные горизонту изобары, а другие — изостеры — будут их пересекать под разными углами. Чем равновесие в жидкости будет более нарушено, т. е. чем она будет далее от однородности, тем и плотности, а следовательно, и удельные объемы будут более различны на одинаковых глубинах. Потому там, где жидкость однороднее, и изостеры будут близки к изобарам; где же на близких расстояниях по горизонтальной поверхности изобар встречаются значительные разности в однородности строении жидкости, там изостеры будут круто подниматься или опускаться.
Влияние ветра
Связь между ветром и поверхностными течениями настолько проста и легко заметна, что среди моряков ветер давно признавался важной причиной течений.
Первый, кто указал в науке на ветер как на главную причину течений, был В. Франклин в своих рассуждениях о причинах, вызывающих Гольфстрим (1770 г.). Затем А. Гумбольдт (1816 г.), излагая свой взгляд на причины течений, указал на ветер как на первую причину их. Первостепенное значение ветра как причины течений, таким образом, давно признавалось многими, но оно получило сильную поддержку после математической обработки вопроса, произведенной Цёпприцем (1878 г.).
Цёпприц разобрал вопрос о постепенной передаче движения от поверхностного слоя воды, приведенного в движение ветром, к следующему, от последнего к лежащему под ним и т. д. Цёпприц показал, что в случае бесконечно долгого времени действия движущей силы ветра, движение будет передаваться ,в глубину таким образом, что скорости в слоях будут убывать пропорционально глубинам независимо от величины внутреннего трения. Если же силы действуют ограниченное время, и вся система движущихся частиц не пришла в стационарное состояние, то скорости на разных глубинах будут зависеть от величины трения. Цёпприц заимствовал для своей гипотезы коэффициент трения из опытов над истечением жидкостей, в том числе и морской воды, и, вставив его в свои формулы.
Этой теории было сделано возражение, указывающее, что количество движения, существующее в пассатных ветрах, во много меньше соответствующей величины в экваториальном течении. Однако тут надо принять во внимание продолжительность и непрерывность действия пассатов; очевидно, что ветру в этом случае после достижения течением установившегося состояния нужно только восполнять потерю движения от внутреннего трения, и потому ветер в совокупности за большой промежуток времени может сообщить (воде то количество движения, какое в ней наблюдается, и произвести существующее течение.
Другое более важное возражение указывает, что принятая в теории величина трения совершенно не соответствует действительной, потому что при движении одного слоя воды по другому непременно должны образовываться водоворотики, которые поглощают громадное количество энергии. Следовательно, вычисление величины и характера распространения скорости с глубиною построено неверно.
Наконец, самый важный недостаток теории Цёпприца был замечен недавно Нансеном, а именно в ней совершенно упущено влияние отклонения, происходящего от вращения Земли на оси.
Теория Цёпприца (господствовавшая около 30 лет) обратила внимание на важные особенности ветровой (дрейфовой) гипотезы течений, и ее главная заслуга в том, что она впервые выразила влияние ветра численно, и, как всегда в таких случаях бывает, недостатки гипотезы послужили источником для дальнейшего изучения, результатом чего явилась новая, более совершенная ветровая теория, принадлежащая шведскому ученому В. Экману, в которой принята во внимание уклоняющая сила от вращения Земли на оси.
Если предположить океан безбрежным и бесконечной глубины, а ветер над ним действующим непрерывно, настолько долгое время, что в воде, приведенной им в движение, установилось стационарное состояние, то при этих условиях получаются следующие выводы.
Прежде всего необходимо указать, что поверхностный слой воды приводится в движение ветром вследствие двух причин: во-первых — трения, а во-вторых — давления на наветренные стороны волн, потому что вследствие ветра возникает не только течение, но и волнение. Обе эти причины могут быть в совокупности названы тангенциальным трением.
Согласно ветровой (дрейфовой) теории Экмана, движение от поверхностного слоя передается вниз от слоя к слою, убывая в геометрической прогрессии. При этом направление поверхностного течения уклоняется от направления производящего его ветра на 45° для всех широт одинаково.
Влияние уклоняющей силы от вращения Земли на оси сказывается не только в уклонении течения на поверхности от ветра на 45°, но и в дальнейшем непрерывном повороте направления течения при передаче движения в глубину от слоя к слою. Таким образам, с передачей течения от поверхности в глубину не только быстро (в геометрической прогрессии) убывает скорость, но и направление течения постоянно поворачивает в северном полушарии вправо, а в южном — влево.
В устьях рек впадающих в моря, наблюдаются такие же явления. Речная вода, будучи легче морской, образует даже и при перемешивании с морскою водою более легкий слой, обладающий определенным движением от берега. Масса такого поверхностного течения к тому же больше, нежели масса одной речной воды (по справедливому замечанию адмирала С. О. Макарова), вследствие смешения речной воды с морской. Образовавшееся таким путем течение всасывает из нижних слоев более холодную веду в море или океане и обуславливает понижение температуры в приповерхностных слоях на таких глубинах, где в некотором удалении от впадения реки температура гораздо выше. Такое явление наблюдал Экман у Гётеборга в Каттегате.
Совершенно такое же влияние речного течения на поднятие в более близкие к поверхности слои более соленой и плотной глубинной воды наблюдалось С. О. Макаровым и на Кронштадтских рейдах и в гаванях порта именно после продолжительных восточных ветров, увеличивающих скорость течения поверхностной пресной воды из р. Невы и вследствие того уменьшающих толщину поверхностного слоя.
Влияние давления атмосферы
В морях подобное влияние давления атмосферы на их различные части сказывается значительно на течениях в проливах, соединяющих их с океанами или другими морями. Например, Гольфстрим в своем начале во Флоридском проливе, случается, обладает большей скоростью при северных, т. е. противных, ветрах и меньшей при южных, попутных. Такое несоответствие объясняется влиянием давления атмосферы; когда северные ветры дуют над Гольфстримом во Флоридском проливе, тогда над Мексиканским заливом бывает слабое давление атмосферы, отчего уровень в заливе повышается, уклон к Флоридскому проливу увеличивается, а это в свою очередь ускоряет вытекание воды из залива через Флоридский пролив к северу. Южные же ветры бывают во Флоридском проливе при условии существования над Мексиканским заливом высокого давления, почему тогда уровень в заливе понижается и уклон уровня во Флоридском проливе становится меньше, а следовательно, и скорость течения уменьшается, несмотря на попутные ветры.
Обзор всех указанных выше причин течений
Указанные выше причины, возбуждающие передвижение воды в океане, сводятся к трем условиям: влиянию разностей давления атмосферы, влиянию разностей плотности морской воды и влиянию ветра. Влияние вращения Земли на оси и влияние берегов могут только видоизменять характер уже существующих течений, но сами по себе два последние обстоятельства никаких движений воды возбудить не могут.
Влияние разностей давления атмосферы никаких значительных течений возбудить не может. Остаются две следующие причины: разности плотностей морской воды и ветер.
Разности плотностей в океане всегда существуют, а следовательно, всегда стремятся привести частицы воды в движение. При этом разности плотностей действуют не только в горизонтальном направлении, но и в вертикальном, возбуждая конвекционные течения.
Ветер, согласно современным взглядам, не только обуславливает возникновение поверхностных течений, но также служит причиной происхождения течений и на разных глубинах до самого дна. Таким образом, значение ветра, как возбудителя течений, в последнее время расширилось и стало более всеобщим.
Материал, которым располагает океанография, по распределению плотностей в разных местах и на разных глубинах в океанах еще очень мал и недостаточно точен; но на основании его уже можно сделать попытку определить численно (по способу Бьеркнеса) те скорости течений, какие разность плотностей может возбудить в поверхностных слоях океанов.
На основании меридионального разреза через Северное Экваториальное течение Атлантического океана было определено, что существующая между 10 и 20° с. ш. разность плотностей могла бы произвести течение со скоростью 5—6 морских миль в 24 часа. Между тем наблюдаемая в этом месте средняя суточная скорость Экваториального течения около 15—17 морских миль. Если вычислить скорость того же Экваториального течения, соответствующую только влиянию ветра (принимая скорость NE пассата в 6,5 м в секунду), то получится суточная скорость течения в 11 морских миль. Сложив эту величину с 5—6 морскими милями суточной скорости, обусловленной разностью плотности, получим наблюдаемые 16—17 морских миль в сутки.
Приведенный пример показывает, что ветер, по-видимому, оказывается более важной причиной возбуждения течений на «поверхности океана, нежели разность плотностей.
Подобный же пример для Балтийского моря еще более убедителен, он показывает, что даже и там, где на малых расстояниях разности плотностей очень велики, все-таки влияние ветра имеет большее значение для возникновения течений (см. стр. 273, течения Балтийского моря).
Наконец, самое существование смены муссонных течений, а также некоторое передвижение и изменение течений тропической полосы во всех океанах в зиму и лето того же полушария показывают еще раз большое значение ветров для существующей системы течений. Перемещение метеорологического экватора с временами года, конечно, сказывается на распределении температуры воды (см. главу о температуре), а следовательно, и на распределении плотности воды, но эти изменения очень невелики; изменения же в системе ветров, вызываемых перемещением метеорологического экватора, очень значительны.
Таким образом, из этих трех причин течений надо признать, что ветер представляет одну из важнейших. На это указывают многие обстоятельства; несомненно, что если бы ветер не существовал, то возникшие в океанах системы течений очень значительно отличались бы от существующих.
Тут будет уместно указать, что в океане существует много течений с водами совершенно различных плотностей, идущих рядом, и, несмотря на то, между ними, однако, вовсе не образуется обмена воды.
Наконец, все течения идут по ложу, образованному водами океана, всегда обладающими совершенно иными физическими свойствами, нежели воды самих течений; однако и при этих условиях течения продолжают существовать и двигаться, не смешивая немедленно своих вод с соседними. Конечно, такое смешение вод их происходит, но оно совершается очень медленно и в значительной мере обуславливается образованием водоворотов при движении одного слоя воды по другому.
|
|
Читайте в рубрике «Морские течения»: |