Планета Земля




Течение Гольфстрим


У западного берега Атлантического океана существует узкое, мощное течение — Гольфстрим. Интерес к исследованию этого явления, так же, как и изучению океана вообще, обусловлен не только их важностью для мореплавания, зависимостью климата и погоды на материках от процессов в океане, но и тем, что современная техника уже позволяет довольно широко использовать ресурсы океана (пищевые, минеральные и т. д.). Среди неспециалистов очень широко распространено мнение, что Гольфстрим—это некая «река» в океане, согревающая своим теплом большую часть Северной Америки и Европы. Теперь многие ученые уже отказались от представления о Гольфстриме и других течениях как о реках и считают, что течения в океане больше похожи на подвижную систему вихрей, движущихся примерно в одну сторону. Размеры этих вихрей могут быть от нескольких сантиметров до сотен и тысяч километров, т. е. вплоть до размеров самих океанов. Такой взгляд на течения, хотя и не отражает всего их многообразия, позволяет объяснить многие особенности. Например, почему при наблюдениях в соседних точках скорости течения часто бывают направлены в противоположные стороны? Проведенные в последнее время детальные исследования, в частности, Гольфстрима в основном подтвердили правильность именно такого взгляда на морские течения.


С представлением о Гольфстриме как о реке связано и широко распространенное заблуждение. Еще недавно (а может быть, еще и сейчас) многие океанографы, даже авторы учебников, считали причиной отхода Гольфстрима от берегов Северной Америки отклоняющее влияние вращения Земли. Остановимся на этом вопросе подробнее.


Прежде всего, возникает сомнение: почему Гольфстрим отходит от материка только севернее широты 30°. Разве южнее вращение Земли не сказывается? Чтобы показать ошибочность такого взгляда на роль вращения Земли, рассмотрим поведение отдельной, только что возникшей струи воды в океане. Для простоты примем, что океан вращается вместе с Землей и вода в нем неподвижная. Следовательно, на частицы воды в нашей струе будет действовать сила, обусловленная вращением. Она направлена вправо от струи и на остальные частицы воды в океане не действует. Под влиянием этой силы вся струя будет стремиться переместиться вправо. Под действием такого перемещения у правой границы струи должен возникнуть местный подъем поверхности океана. Благодаря этому появляется сила, направленная из области, где уровень выше, в частности влево, т. е. против .действия силы, обусловленной вращением Земли. В установившемся состоянии эти две силы полностью уравновешивают друг друга. Следовательно, под действием вращения Земли течение не может повернуть вправо.


Среди океанографов принято называть Гольфстримом систему интенсивных течений в западной части Атлантического океана вдоль побережья Северной Америки вплоть до острова Ньюфаундленд. Слово «Гольфстрим» в буквальном переводе с английского означает «течение (из Мексиканского) залива», хотя в действительности из Мексиканского залива в него попадает сравнительно немного воды.




Схематическое изображение течения Гольфстрим.


В системе Гольфстрима различают Флоридское течение (в окрестности Флоридского пролива) и собственно Гольфстрим (вплоть до большой Ньюфаундлендской банки). Продолжение Гольфстрима, которое от Ньюфаундлендской банки направлено на восток, к Европе, обычно называют Северо-Атлантическим течением.


Первое описание Флоридского течения было дано Понсом де Леоном в 1513 г., через 22 года после открытия Америки Колумбом. Течение это, по словам де Леона, настолько сильное, что корабли часто удалялись от намеченной цели, вместо того чтобы приближаться к ней.


Первая гипотеза о происхождении Гольфстрима высказана П. Мартиром в 1515 г. Он считал, что направленное на запад Северное Пассатное течение упирается в материк и в результате меняет направление движения. Существование Гольфстрима только подтверждало эту точку зрения. Тот факт, что Северное Пассатное течение направлено на запад, объяснений не требовал, ибо в те времена считалось, что, так же как видимое движение Солнца, это служит проявлением «первичного движения».


Первое изображение Гольфстрима на картах появилось лишь через 150 лет (1665 г.). В то время на картах тесно переплетались действительность и фантазия. Так, у Лофотенских островов изображался мощный круговорот — легендарный Мальстрем.


Легенды о Мальстреме имеют под собой реальную почву. Более поздние исследования .показали, что в этом районе при определенных условиях, зависящих от характера прилива, возникают водовороты, но, конечно, значительно более скромных масштабов.


Старинные морские карты представляют все-таки значительно большую ценность, чем гипотезы, которые предлагались для объяснения течений. Среди них были совершенно фантастические, противоречащие элементарным физическим соображениям, однако получившие широкое распространение.


Так, для объяснения происхождения Гольфстрима был использован тот факт, что уровень моря в Мексиканском заливе выше, чем у Атлантического побережья Северной Америки. Следовательно, можно предположить, что Гольфстрим и возникает благодаря разности уровней. Отсюда сразу следует, что если перекрыть Флоридский пролив, то Гольфстрима не будет. Такие предположения делали не только авторы научно-фантастических романов, но и серьезные, деловые люди.


В конце прошлого века одна из американских фирм разработала и предложила проект перекрытия Гольфстрима. Предполагалось соединить полуостров Флорида с островом Куба дамбой длиной более 100 км. Высота дамбы в отдельных местах должна была доходить до 500 м. Для спуска теплых вод Мексиканского залива в Атлантический океан в проекте предусматривалось прорыть специальный канал в северной части полуострова Флорида. Пропускную способность канала можно регулировать. По проекту, теплые воды Нового Гольфстрима должны течь значительно ближе к берегу и, следовательно, климат прибрежных районов стал бы почти тропическим. Такая перспектива сулила американским дельцам вполне реальные барыши. Ведь в случае осуществления проекта можно было бы значительно увеличить площади под цитрусовыми, табаком и т. д. В Европе этот проект вызвал замешательство и даже панику. Изменение режима Гольфстрима могло привести к последствиям, которые трудно было даже предвидеть. Одно казалось очевидным всем—если в Америке станет теплее, то в Европе будет холоднее. Некоторые газеты уже заполняли свои страницы описанием белых медведей в Париже и снежных сугробов в Ницце в разгар «бархатного» сезона.


Измерения уровня в Мексиканском заливе и на Атлантическом побережье США показали, что их разность составляет всего несколько десятков сантиметров. Очевидно, что столь небольшая разность не может быть причиной течения, заметного на расстоянии в сотни миль. При анализе измерений уровня выяснилась еще одна интересная деталь: по мере движения на север вдоль Атлантического берега Америки уровень океана повышается. Выходит, что Гольфстрим течет в гору.
Конечно, так объяснять происхождение его нельзя. Но как?


Уже давно было известно, что ветер, дующий над морем, вызывает не только волны, но и течения. По современным представлениям, ветер — основная причина течений в океане. Одно из первых исследований этого вопроса принадлежит советскому геофизику профессору В. Б. Штокману. Однако связь между ветром и течением не столь проста, как это может показаться с первого взгляда. Течение в данной точке океана почти не зависит от ветра над ней, а определяется всей системой ветров в некоторой достаточно большой области.


Кстати, несостоятельность американского проекта перекрытия Флоридского пролива заключалась в том, что в нем, в частности, совершенно игнорировалась роль ветра. А система ветров над Атлантическим океаном такова, что проект, вопреки желаниям его авторов, не дал бы ожидаемого эффекта.


Метеорологи уже давно научились составлять карты среднего за какой-то большой промежуток времени ветра. Такие карты были созданы и для Атлантического океана. Оказалось, что система преобладающих ветров над северной частью Атлантического океана имеет ярко выраженный антициклоничеокий характер, т. е. ветер дует в направлении вращения часовой стрелки. Такая система циркуляции атмосферы над Северной Атлантикой приблизительно симметрична относительно одного из меридианов, проходящих через ее центр.


Если бы океан, над которым образовалась подобная система ветров, не вращался, то в нем появилась бы система течений, симметричная относительно того же меридиана. Однако, поскольку океан находится на вращающемся шаре — планете Земля, то и симметрия такой идеализированной картины нарушается. Именно потому, что Земля шар, величина горизонтальной составляющей силы, обусловленной ее вращением, существенно зависит от географической широты места. Можно показать, что меняющееся с широтой влияние вращения Земли вместе с системой преобладающих ветров и конфигурацией берегов приводит к существенной асимметрии упомянутой идеализированной картины распределения течений. Благодаря этому течения у западных берегов океанов сужаются и убыстряются.


Такое объяснение наиболее простое. Однако в результате тщательно поставленных натурных наблюдений были обнаружены детали структуры Гольфстрима, которые не могут найти объяснения в рамках рассматриваемой схемы. Естественно, что такие наблюдения удобнее проводить с помощью автономных самописцев течений. Созданные у нас автономные измерители течений БПВ (буквопечатающая вертушка) позволили существенно улучшить методику наблюдений и дали возможность более детально исследовать структуру океанических течений. Такие самописцы могут быть установлены на длительный срок в выбранной точке океана на заданной глубине. Приборы подвешиваются на стальном тросе к бую, а для того, чтобы буй не сносило ветром и течениями, к нижнему концу троса прикрепляется ложащийся на дно тяжелый якорь. Большой объем наблюдений в Гольфстриме выполнил советский научно-исследовательский корабль «Михаил Ломоносов». В результате исследований было установлено, что под основной струей Гольфстрима имеется «антигольфстрим», т. е. сильное течение, направленное в противоположную сторону. Было обнаружено, что не только положение Гольфстрима меняется со временем, но, что более важно, эти изменения часто охватывают не весь Гольфстрим, а лишь какую-то его часть. Такие волнообразные отклонения отдельных отрезков течения получили названия меандров. В некоторых случаях они, отрываясь от основного течения, продолжают существовать в виде самостоятельных крупных вихрей. Впервые меандры Гольфстрима были обнаружены во время детальной океанографической съемки в 1950 г.


Теоретически задача о меандрах в системе течений тесно связана с проблемой неустойчивости потока жидкости. Проблемы эти достаточно сложные, и до сих пор задача о меандрах еще далека от окончательного решения, так же как и задача о Гольфстриме в целом. Однако исследования ведутся очень интенсивно и, вероятно, со временем в задаче о Гольфстриме останется совсем немного нерешенных вопросов.