Есть много иллюзий оприроде явлений в океана и морях. Одна из них - океанические вихри. Об их присутствии в океанах и морях судят в основном по температурным аномалиям округлой формы на поверхности или в толще бассейна или вращательным движениям дрифтеров. Исследования, выполненные автором, позволяют утверждать, что эти признаки создаются волнами Россби, но не вихрями.

Вихри в океанах и морях. О существовании вихрей в океанах впервые заговорили в пятидесятых годах прошлого столетия в связи с исследованиями Г. Стомелла вод Гальфстрима и его окружения [Стоммел, 1963]. И тогда, и сейчас популярна гипотеза Хеланд-Хансена и Cанстрёма, согласно которой считалось, что течения, т.е. движения воды в океанах, являются геострофическими, они сформированы силами градиента уровня и Кориолиса, которые уравновешены [Sandström, Helland-Hansen, 1903]. Тогда вектор скорости течений направлен вдоль линии равного уровня, так что в Северном полушарии уровень поверхности воды справа будет выше, слева ниже, а в Южном - наоборот. Поскольку уровень воды океана существенно зависит от температуры воды и обратно пропорционален её величине, то обычно скорости течений рассчитываются по разности в горизонтальном направлении температур поверхности воды. В этом случае вектор течений в Северном полушарии направлен вдоль изотерм, так что слева температура воды будет ниже, а справа выше. Опять же в Южном полушарии наоборот. Скорость течений пропорциональна градиенту температуры.

На рис.1 изображено температурное поле поверхности океана в районе Гольфстрима. Исследователи предполагают, что Гольфстрим проходит по области повышенной плотности изотерм (в некоторых местах течение обозначено синими стрелками). Видно, что Гольфстрим меандрирует, т.е. совершает виляющие движения вправо - влево, подобные движениям рек на равнинах. Слева от Гольфстрима видны аномалии тёплой воды (выделены белым цветом), а справа – холодной (выделены темно-синим цветом).Если следовать гипотезе Хеланд-Хансена и Санстрёма, то эти аномалии должны вращаться: холодные против движения часовой стрелки, а теплые – по движению. Из этого исследователи предположили, что аномалиям соответствуют вихри: х – холодные циклоны и т - теплые антициклоны. Эти предполагаемые вихри в районе Гольфстрима были названы рингами. В дальнейшем подобные ринги были обнаружены около Куросио и других течений.

Рис.1. Распределение температуры воды (°С) на поверхности океана в районе Гольфстрима 29 апреля — 2 мая 1982 г. [Каменкович, Кошляков, Монин, 1982]. Т и Х — аномалии теплой и холодной воды; пунктир — изобата 1000 м. Синие стрелки — направления предполагаемых течений.

Рис. 2. Образование вихря в Гольфстриме; средняя температура (0F) в верхнем 200-метровом слое океана 17 июня 1950 г. (по данным Фьюглистера и Уоргтингтона [Пери, Уокер, 1979]).

Считается, что меандры отделяются от Гольфстрима и превращаются в вихри, как это демонстрируется на рис. 2. Вот этот аппендикс со временем должен оторваться и превратится в вихрь. Всё на первый взгляд объяснимо: вихрь вращается против часовой стрелки циклонически по движению течений в Гольфстриме и внутри его вода холодная, как в циклонах.

Подобные аномалии, принимаемые за вихри, позже, в семидесятых годах были обнаружены в открытой части океанов учёными и-та океанологии АН СССР [Каменкович, Кошляков, Монин, 1982]. Их назвали синоптическими вихрями (рис. 3.).

Рис.3. Векторы скорости и линии тока синоптических течений на горизонте 700 м в районе ПОЛИМОДЕ на отдельные даты 1978 г. Буквами Ц и А с индексами внизу показаны отдельные циклонические и антициклонические вихри [Каменкович, Кошляков, Монин, 1982].

Температурные аномалии – вихри теперь обнаруживаются везде в океанах и морях (рис. 4). В данном случае температура воды в холодных аномалиях ~ 180C, а в тёплых ~ 240C. Перепады температуры весьма существенны ~ 60C на 40 км.Путём простого анализа легко показать, что холодной аномалии не должен соответствовать вихрь – циклон, а тёплой – вихрь - антициклон. Так, уровень воды центра циклона должен быть ниже уровня за его пределами, а, следовательно, вода в центре должна быть холодной. Вместе с тем в центр циклона должна поступать тёплая вода и, следовательно, там должна вода быть тёплой, но не холодной. Тогда это будет уже не циклон. Это противоречие свидетельствует о том, что холодной аномалии не соответствует циклон.

Рис. 4. Распределение температуры поверхности северо-восточной Чёрного моря. Выделяются аномалии температуры ~ 3-50С.

Рис. 4.1. Схема холодного вихрь – циклона Х и тёплого вихрь – антициклона Т (вид сверху на поверхность воды океана, моря) и разреза по вертикальному сечению через центр циклона и антициклона. Стрелки - векторы течений.

Рассуждая точно также, можно показать, что тёплой аномалии не соответствует антициклон. Так, уровень воды в центре антициклона должен быть выше уровня вне его, а, следовательно, вода в центре должна тёплой. Но если из антициклона вода вытекает, то с глубины должна поступать холодная вода и, следовательно, она окажется в центре антициклона. Это противоречие свидетельствует о том, что тёплой аномалии не соответствует антициклон.

Можно показать экспериментально, что аномалиям не соответствуют вихри. Так, вдоль побережья Чёрного моря практически всегда наблюдаются температурные аномалии (рис. 4). На рис. 5 показана трасса дрифтера в Чёрном море. Он двигался практически параллельно берегу.

На рис. 6 изображена температура воды, измеренная дрифтером (его трасса изображена на рис. 5). Наличие пульсаций температуры типа 1, 2, 3 и пр. свидетельствует о том, что дрифтер пересекал температурные аномалии, аналогичные изображённым на рис. 4. Дрифтер пересекал аномалии поперёк, а не совершал в них вращательные движения, как это должно быть, если бы этим аномалиям соответствовали вихри. Этот пример свидетельствует о том, что аномалиям температуры воды не соответствуют вихри.

p=. !bondarenko/art1/pic5.png!

Рис. 5. Трасса дрифтера, запущенного в воды Чёрного моря. Числа около точек - время движения дрифтера с момента его запуска (в сутках).

Рис. 6. Температура поверхности моря, измеренная с дрифтера, трасса которого изображена на рис. 5.

Нередко дрифтер, помещенный в океан или море, совершает вращательные движения (рис. 7). Тогда исследователи считают, что дрифтер находится в вихре и перемещается вместе с ним.

Рис. 7. Траектория движения запущенного в циклон Гольфстрима поверхностного буя с парашютом на глубине 200 м с 14 апреля (104-й день) по 26 октября (299-й день) 1977 г.[Richardson et al., 1979].

Если дрифтер попадает в вихрь, то его угловая и линейная скорости должны быть постоянными или почти постоянными. Мы проанализировали большое количество трасс дрифтеров в океанах и морях. Дрифтеры перемещались прямолинейно, по сложным траекториям, и вращательно, и всегда модуль их скорости менялся пульсационно: приблизительно от нуля до некоторой большой величины. Это свидетельствует о том, что эти вращательные движения созданы не вихрями. Подобные движения дрифтера зафиксированы на рис. 8 с момента 160 суток и до 210 суток, дрифтер совершал вращательные движения и скорость его менялась пульсационно от нуля до 30 – 50 см/с.

Таким образом мы не нашли доказательств присутствия вихрей в морях и океанах. Тогда чем же объяснить образование температурных аномалий в морях и океанах, как объяснить вращательные и пульсационные движения дрифтеров? Об этом подробно далее.

Рис. 8. Трасса дрифтера запущенного в воды Чёрного моря. Числа около точек - время движения дрифтера с момента его запуска (в сутках).

Рис. 9. Трасса дрифтера запущенного в воды Чёрного моря. Числа около точек - время движения дрифтера с момента его запуска (в сутках).

Волны Россби Мирового океана. В начале 1960-х годов, сравнительно недавно по меркам развития океанографической науки, в океанах доказательно были зарегистрированы гидродинамические образования, получившие название планетарных волн Россби. Те же самые волны в зоне, близкой берегу, или в замкнутых морях получили название континентальных шельфовых волн, поэтому в дальнейшем для упрощения их также будем называть волнами Россби. В соответствии с исследованиями [Бондаренко, Жмур, 2007, Бондаренко, 2010] реальную волну Россби можно уподобить Большой уединённой волне, открытой Дж. Расселом в 1834 г., которую впоследствии назвали солитоном [Макеев, 2010]. Линии её токов изображены на рис. 10 а, б.

Рис. 10 а, б. Линии токов волн Россби в виде эллипсов со стрелками -вектор волновых течений. Наверху – вид по вертикальному сечению (А), внизу – вид сверху на поверхность воды. Синим и голубым цветом в волне выделена область холодной воды, поступающей на поверхность с глубины океана, светло-жёлтым – тёплой, опускающейся на глубину.

Рис.11. Трасса дрифтера, запущенного в воды Гольфстрима. Числа около точек – время движения дрифтера (в сутках) с момента его запуска.

Рис.12. Модуль скорости движения дрифтера, трасса которого изображена на предыдущем рисунке.

Напомним, что линии токов указывают на мгновенное направление векторов течений, или, что одно и то же, направление силы, создающей течения, скорость которых пропорциональна плотности линий токов. Видно, что у поверхности океана плотность линий токов гораздо больше, чем за его пределами, следовательно, и скорости течений больше. Движения частиц воды волн в поверхностном слое образуют поверхностное течение и противотечение, в глубинном слое – глубинное противотечение, подъём и опускание частиц воды в волнах формируют апвеллинг и даунвеллинг [Бондаренко, 2006]. Вертикальные скорости течений в волнах невелики, они составляют приблизительно тысячную долю скорости поверхностного течения.

Частицы воды в центре волны совершают движения в вертикальной плоскости, и дрифтер, запущенный в эту часть волны, будет перемещаться практически прямолинейно (рис. 11), но модуль его скорости будет пульсировать, его величины будут меняться квазипериодически от нуля до некоторых больших величин (рис. 12).

Частицы воды в ближайшем удалении от центра волны совершают движения в наклонной плоскости, и дрифтер, запущенный в эту часть волны, будет совершать вращательные движения поступательно. Пример таких движений дрифтера на рис. 7. Модуль скорости движения дрифтера будет пульсировать аналогично (рис. 12).

Частицы воды в удалении от центра волны часто совершают движения в горизонтальной плоскости, и дрифтер, запущенный в эту часть волны, будет совершать вращательные движения на месте. Пример таких движений дрифтера в конце трассы на рис. 8. Модуль скорости движения дрифтера будет пульсировать, точно также (рис. 12). В течение года автор наблюдал Подобные круговые движения дрифтера около Гольфстрима автор наблюдал в течение года.

Таким образом наличие температурных аномалий и пульсирующих течений свидетельствует о том, что они сформированы волнами Россби, но не вихрями.

Поскольку волны Россби играют определяющую роль в динамике океанов и морей, приведём некоторые сведения о них. Они имеют периоды от одной до шести недель, длину от 100 до 1000 км, а скорости орбитальных движений частиц воды волн, фактически течений до 2,5 м/с. В открытой части океана волны распространяются в западном направлении, а в прибрежной - вдоль берега, так что берег находится справа по отношению к направлению распространения волны. В целом по океану волны распространяются с небольшими фазовыми скоростями, ~ 5 см/c. Но в экваториальной области волны имеют большие фазовые скорости, ~ 60 см/с.

Если регистрировать течения в любой точке Мирового океана, то обязательно будут регистрироваться и течения волн Россби. Океан буквально “забит” этими волновыми течениями от поверхности до дна. Из этого следует, что буквально вся огромная масса океана находится в режиме квазисинхронных движений вод волн Россби.

Скорости волновых течений, соответственно и течений в вертикальном направлении, изменяются во времени и пространстве. Волны с большими скоростями течений наблюдаются в области западных пограничных, экваториальных и циркумполярном течений. Средние скорости течений от 0,5 – 1 м/с до максимальных 3 м/с. Волны с очень малыми скоростями течений наблюдаются в области тридцатых градусов северной и южной широт всех океанов, ~ 3 см/с. В остальной части океанов средние скорости волновых течений ~ 20 см/с. Таким образом средние вертикальные скорости волновых течений в зоне западных пограничных, экваториальных течений составляют 0,5 – 1 мм/c, а в области тридцатых градусов – 0,03 мм/с.

Согласно исследованиям [Бондаренко, 2006, Бондаренко и др., 2010], температура поверхностных вод экваториальной зоны океана формируется вертикальными движениями волн Россби. В экваториальной зоне волны Россби особенно велики, они и создают значительные движения воды в вертикальном направлении, а отсюда и заметные изменения температуры поверхности океана. Изменение температуры поверхности океана или моря зависит от скорости вертикального обмена глубинных вод с поверхностными, т. е. скорости вертикальных движений воды и градиента температуры воды с глубиной.

В целом складывается впечатление, что исследователи зачастую и сами не знают, что принимать за вихрь, а что за волны Россби. Так в [Каменкович, Кошляков, Монин, 1982] рассматривается такой эпизод в эксперименте. В районе Гольфстрима была зафиксирована температурная аномалия, которую рассматривали как вихрь. Но вот эту аномалию пересекает поперёк дрифтер, не совершая вращательных движений. Это явно не похоже на движения воды в вихре. Тогда авторы решили, что этот вихрь необходимо рассматривать с позиции волн Россби. Не совсем понятная такая трактовка: вихри рассматривать с позиции волн Россби. Ведь если бы не производились измерения течений дрифтером, то, наверняка, эту аномалию приняли ы за вихрь.

И вот другой эпизод. Обычно исследователи считают, что вихри и волны Россби буквально заполняют весь Мировой океан. И вот на одном полигоне [Атлас ПОЛИМОДЕ. Под редакцией А.Д. Вуриса, В.М. Каменковича, А.С. Монина. 1986.] в фиксированном пункте производодились стационарные измерения течений. Вектор течений вращается. Исследователи считают, что эти вращающиеся движения вектора течений принадлежат волнам Россби. Вполне справедливо задать вопрос, а где же течения вихрей? С другой стороны на том же самом полигоне производились плановые измерения температуры воды океана. Выделяются температурные аномалии, которые исследователи принимают за вихри. Тогда вполне справедливо задать вопрос, а где же волны Россби? На это ответ не даётся.

Ответа также нет и на следующий вопрос. Что является причиной формирования синоптических вихрей, этих мощных движений воды? В отличие от волн, вихри теряют много энергии и эта энергия должна пополняться. За счёт чего? Ответа нет.

Мы продемонстрировали определяющую роль волн Россби в формировании термодинамики вод океана, но не вихрей. Автор исследовал большое количество дрифтерных измерений и не получил доказательств присутствия вихрей в океанах.

Литература

• Атлас ПОЛИМОДЕ. Под редакцией А.Д. Вуриса, В.М. Каменковича, А.С. Монина. 1986. Published by the Woods Hole Oceanographic Institution, Woods Hole, Massachusetts, U.S.A. 370с.
• Бондаренко А.Л., Жмур В.В. Настоящее и будущее Гольфстрима// Природа. 2007. № 7. С. 29 – 37.
• Бондаренко А.Л. Эль-Ниньо – Ла-Нинья: механизм формирования// Природа. №5. 2006. С. 39 – 47.
• Бондаренко А.Л. О природе течений Мирового океана. 2010. http://randewy.ru/gml/bondar.html
• Бондаренко А.Л., Борисов Е.В., Суркова Г.В. Взаимодействие океана и атмосферы. Роль волн Россби Мирового океана в термодинамике его вод и атмосферы, погоде и климате Земли. 2010.
• http://www.oceanographers.ru/images/stories/pdf/rwaves.doc
• Каменкович В.М., Кошляков М.М., Монин А.С. Синоптические вихри в океане. Л.: Гидрометеоиздат. 1982. 264с.
• Пери А.Х., Уокер Дж.М. Система океан-атмосфера. 1979. Л.: Гидрометеоиздат. 195 с.
• Стоммел Г. Гольфстрим. М.: Иностр. Литература, 1963. 227 с.
• Richardson P.L., Maillard C., Staford T.B. The physical structure and life history of cyclonic Gulf Stream ring Allen// J. Geophys. Res. 1979. Vol. 84. N C12. p.385-420.
• Sandström I.W., Helland-Hansen B. Üвer die Berechnung von Meeresstrmungen// Rept/ Norw/ Fish., Mar. Invest. 1903. V. 2. № 4.