Волны и морские течения

Вода, как и воздух, все время находится в движении. Казалось бы, что вода Мирового океана должна перемещаться в основном из-за различия в нагревании высоких и низких широтных зон. В самом деле, температура воды океанов в тропиках равна в среднем 25° С, а в полярных районах - около 0° С и ниже. Однако в отличие от атмосферы, которая нагревается снизу от подстилающей поверхности, океан нагревается и охлаждается сверху. Разница температур между высокими и низкими широтами в океане существует только в верхнем слое толщиной всего несколько десятков метров. На больших глубинах температура выравнивается^*. В результате всего этого конвективная циркуляция в Мировом океане, вызванная различием плотностей теплой и холодной воды, очень слаба. Другими словами, мощность тепловой машины "Океан" ничтожно мала.

^* (На дне океанов, как правило, находится вода, поступающая из полярных областей, с температурой 1-3° С.)

Заметную роль в возбуждении движений вод Мирового океана играют гравитационные силы, действующие со стороны Луны и Солнца. Они все время меняются из-за взаимных перемещений Земли, Солнца и Лупы. Это - приливные силы. Вариации их хорошо изучены и могут быть предсказаны с большой точностью.

Подавляющую часть всех движений воды в океане создает атмосфера за счет трения и давления. Прежде всего атмосфера "раскачивает" поверхность морей и океанов, в результате чего возникают всем известные ветровые волны. Доказано, что видимые нами морские волны представляют собой сложную комбинацию многих групп ветровых волн.

Ветер порождает целую серию волн - от едва заметной ряби до огромных валов с расстоянием между соседними гребнями (длиной волны) порядка 1 км. Скорость перемещения волн пропорциональна длине волн. Поэтому более длинные волны нагоняют более короткие. При этом происходит сложение их. Волны либо гасят друг друга, либо усиливаются. Так возникают участки ослабленного волнения, чередующиеся с группами высоких волн.

При взгляде на неспокойную морскую поверхность кажется, что вода быстро движется вместе с волнами. Но в действительности перемещается не вода, а форма поверхности. Например, пробка, плавающая на поверхности моря, "танцует" вверх и вниз и лишь незначительно продвигается в направлении смещения волны. Частички воды волнующейся поверхности движутся по почти круговым или эллиптическим траекториям. Диаметр кругов, описываемых частицами воды, быстро убывает с глубиной. Для поверхностных частиц он равен высоте волны.

Волны способны проходить огромные расстояния. Например, штормы у берегов Ньюфаундленда порождают волны, которые часто доходят до берегов Франции, не потеряв при этом своей разрушительной силы. Выходя из района ветреной погоды, ветровые волны становятся ниже и длиннее. Их называют зыбью. Волны зыби растягиваются в длину на несколько сот метров. В открытом море они почти незаметны.

Когда волна набегает на мелководье, ее подошва задерживается трением о дно, так что передний склон делается все более и более крутым. Сама волна при этом становится выше. На глубине, примерно равной своей высоте, волна опрокидывается гребнем вперед, образуя бурун. На берегах океанов всегда в любую погоду наблюдается прибой. В тихую погоду его образует зыбь, которая приходит из штормовых областей. Волны высотой 3-5 м у берегов океанов представляют собой обычное явление. В сильный шторм они увеличиваются до 10 м и более.

Энергия морских волн огромна. В Амстердамском порту, например, однажды волна подняла со дна и выбросила на пирс высотой 4 м 20-тонный каменный блок. Обрушиваясь на берега, волны постепенно совершают большие разрушения. Например, площадь острова Гельголанд в Северном море в результате разрушения берегов морским прибоем уменьшилась с 90 км² в 1079 г. до менее 0,5 км2 в настоящее время. Но волны способны не только разрушать берега, но и "строить" их. Они переносят с места на место огромные массы песка, обломочного материала горных пород и т. п.

Морские волны доставляют много хлопот инженерам, осуществляющим гидротехнические стройки. Они разрушают портовые сооружения, заносят фарватеры и даже целые бухты песком, вызывают наводнения и т. д. Понятно что изучение прибрежного волнения и движения наносов имеет важное практическое значение.

Рис. 54. Схема поверхностных течений в Мировом океане

Помимо "раскачивания" морской поверхности ветер увлекает воду за собой. Преобладающие в низких широтах северо-восточные и юго-восточные ветры - пассаты - беспрерывно гонят воду океанов на запад и порождают в Атлантическом и Тихом океанах Северное и Южное пассатные течения (рис. 54). В западных частях океанов эти дрейфовые течения встречают на своем пути барьер - берега материков - и вынуждены обтекать их. Часть воды устремляется вдоль берегов в высокие широты, а другая часть - к экватору. Ответвления Северного и Южного пассатных течений, повернувшие к экватору, сходятся в экваториальной зоне "затишья" и, не встретив сопротивления ветра, устремляются обратно на восток. Так образуется межпассатное противотечение, расположенное в экваториальной зоне "затишья", между Северным и Южным пассатными течениями. Ответвление Северного пассатного течения в высокие широты порождает в Атлантическом океане хорошо известное теплое течение^* Гольфстрим, а в Тихом океане - Куросио. Ответвления Южного пассатного течения в высокие широты образуют теплые течения, омывающие восточные берега Южной Америки, Австралии и Африки.

^* (Теплым течением называется такое течение, которое несет воду более теплую, чем окружающие массы океанической воды. Аналогично определяется и холодное течение. Пассатные и межпассатные течения относятся к нейтральным.)

Гольфстрим и Куросио, попадая в умеренные широты, где преобладают западные ветры, поворачивают на восток. Гольфстрим достигает северо-западных берегов Европы. Продолжение его - Северо-Атлантическое течение, огибая Скандинавский полуостров, вливается в Баренцево море и Северный Ледовитый океан. Избыток воды из Северного Ледовитого океана возвращается на юг в виде Гренландского и Лабрадорского холодных течений. Течение Куросио не может попасть в Северный Ледовитый океан и образует замкнутую петлю в северной части Тихого океана.

В умеренных широтах южного полушария западные ветры гонят воду на восток и порождают Антарктическое круговое течение. Оно беспрепятственно огибает берега Антарктиды. Лишь северная часть этого дрейфового течения слегка задевает Южную Америку, Африку и Австралию. В результате этого образуются холодные Перуанское, Бенгальское и Западно-Австралийское течения, которые омывают западные берега материков южного полушария. Они частично компенсируют массы воды, уносимые Южным пассатным течением из восточных приэкваториальных частей океанов.

Течения в океанах напоминают реки. Но это - блуждающие и пульсирующие реки. "Берега" их довольно быстро меняют свое положение. Течения часто разбиваются на отдельные потоки. Некоторые из них образуют огромные завихрения. Под действием силы Кориолиса в западных частях океанов течения становятся более быстрыми и узкими, чем в восточных. Скорость поверхностных течений составляет в среднем несколько сантиметров в секунду. Наиболее интенсивные имеют скорость до нескольких десятков сантиметров в секунду. Несмотря на незначительную скорость, морские течения переносят огромные массы воды. Гольфстрим, например, переносит за год около 7,5×10²⁰ г, т.е. почтив 20 раз больше, чем все реки земного шара. Более того, через сечение между южной оконечностью Африки и берегом Антарктиды Антарктическое круговое течение проносит с запада на восток 8×10²¹ г воды в год.

Изменения интенсивности и положения морских течений незамедлительно сказываются на поведении многочисленных обитателей моря, а иногда даже приводят к их гибели. Так, например, когда слабое теплое течение Эль-Ниньо ("Явление природы"), текущее у северо-западных берегов Южной Америки, усиливается и оттесняет холодное Перуанское течение от берегов Эквадора и Перу, происходит массовая гибель рыб и питающихся ими птиц. Это - подлинное бедствие для населения Эквадора и Перу, которое занимается в основном рыболовством и сбором ценного птичьего помета - гуано.

Дрейфовые течения, возбуждаемые ветром, захватывают верхний слой океана толщиной в несколько десятков метров. Скорость течения с глубиной сравнительно быстро уменьшается. Поэтому долгое время считали, что на значительной глубине течений почти нет и перемешивание водных масс в океанах очень мало. Исходя из этого даже был разработан проект захоронения накапливающихся радиоактивных отходов промышленности в глубоководных впадинах океанов. Однако за последние 10-20 лет обнаружены течения и в глубинах океанов.

За время МГГ в Тихом океане под Южным пассатным течением было открыто сильное течение Кромвелла, которое направлено противоположно поверхностному течению - с запада на восток. Течение Кромвелла находится на глубине более 100 м. Ширина его около 400 км, а толщина около 200 м. Скорость достигает 1,5 м/сек. Глубже течения Кромвелла найдено слабое течение, направленное снова на запад.

В экваториальной зоне Атлантического океана также обнаружено подповерхностное течение, в котором вода движется с запада на восток. Оно названо течением Ломоносова (по имени научно-исследовательского судна, на котором оно было открыто). Скорость его - несколько десятков сантиметров в секунду. Течение Ломоносова переносит воды примерно в два раза меньше, чем Гольфстрим. Имеется экваториальное противотечение и в Индийском океане (между 1° ю. ш. и 1° с. ш. на глубине 100- 300 м). Оно названо течением Тареева, в честь советского ученого океанолога Б. А. Тареева. Скорость его достигает 60-70 см/сек. Как и глубинные течения Кромвелла и Ломоносова, течение Тареева не изолированно, а сливается с общим восточным экваториальным потоком, идущим через весь океан.

Подповерхностные течения возникают вследствие сгонно-нагонных явлений, которые производят поверхностные дрейфовые течения у берегов континентов. Они стремятся компенсировать перенос воды поверхностными течениями. Под Антарктическим круговым течением нет глубинных противотечений, так как там нет препятствий, где бы могли возникнуть сгонно-нагонные явления. Измерения показывают, что Антарктическое круговое течение распространяется до дна. Приборы, впервые спущенные в 1969 г. в районе пролива Дрейка до самого дна, показали скорости течения от 4 до 8 см/сек.

Данных о глубинной циркуляции вод океанов еще очень мало. Однако их достаточно для вывода, что вода Мирового океана находится в непрестанном движении. Она перемешивается под действием всевозможных течений, ветровых волн и приливов. Благодаря этому состав морской воды одинаков во всем мире. Даже в самых глубоких впадинах Мирового океана идет достаточно интенсивное перемешивание. Свидетельство тому - существующая в них жизнь. Если бы перемешивания воды не было, весь кислород в конце концов был бы израсходован и живые существа погибли бы от удушья. Установлено, что, помимо рассмотренных течений, волн и приливов, перемешивание придонных вод океанов происходит из-за выделяющегося из земной коры слабого потока тепла. Это тепло подогревает придонную воду и заставляет ее подниматься вверх. Более холодная и тяжелая вода, лежащая сверху, опускается ко дну.

Таким образом, никакого застоя воды в глубинах Мирового океана нет. Поэтому в случае захоронения радиоактивных отходов в глубоководных впадинах они относительно быстро разнесутся по всему Мировому океану. Жизнь его обитателей и в конечном итоге всего человечества будет находиться в опасности.

Кинетическая энергия всех движений океана оценивается величиной, примерно в 50 раз меньшей энергии всех движений в атмосфере. Тем не менее, морские течения играют заметную роль в переносе тепла. Гольфстрим, например, ежегодно переносит в Арктику около 2-Ю14 ккал тепла. Благотворное влияние этого течения ощущается во всей Европе. Под влиянием Гольфстрима среднемесячная температура января в Англии на 15°, а в Норвегии на 25° выше нормальной, соответствующей данным широтам. Только благодаря Гольфстриму Мурманское побережье круглый год свободно ото льда.

Морские течения - это своего рода водяное отопление планеты Земля. Теплые течения обогревают высокоширотные области, а холодные - охлаждают жаркие тропические области. Оценки показывают, что морские течения переносят как раз те 10% тепла, которых не хватает для полного термического равновесия низких и высоких широтных зон Земли после учета работы тепловой машины "Атмосфера". Атмосферная циркуляция и морские течения стремятся выровнять температуры между экватором и полюсами, а солнечная радиация - наоборот, увеличить ее. Оба процесса очень изменчивы. Поэтому между ними существует не постоянное, а пульсирующее равновесие. Всякие более длительные, чем эти, пульсации нарушения равновесия определяют изменение климата планеты Земля.

Даже при отсутствии морских течений роль океанов в тепловом режиме Земли очень велика. В отличие от суши океаны обладают огромной теплоемкостью. Поэтому они нагреваются летом и охлаждаются зимой значительно медленнее, чем суша. Между океанами и сушей зимой и летом существует контраст температур. Благодаря этому в атмосфере работают "тепловые машины" второго рода. Зимой у них нагревателями служат океаны, а холодильниками - континенты. Летом, наоборот, континенты становятся нагревателями, а океаны - холодильниками.

В результате работы "тепловых машин" второго рода тепло переносится виной с океанов на материки, а летом-с материков на океаны. Движение воздуха при этом осуществляется в форме муссонов, т. е. преобладающих ветров, дующих у поверхности зимой с материка на океан, а летом - с океана на материк. "Тепловые машины" второго рода значительно уменьшают величины годового изменения температуры над материками. Они смягчают зимнюю стужу и уменьшают летнюю жару. При движении в глубь материков влияние океанов ослабевает, и климат становится все более и более континентальным.