Текст книги "По программе ПОЛИМОДЕ в Бермудском треугольнике"
Автор книги: Эмил Станев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 11 страниц)
Погода и климат
Все мы привыкли к ежедневным сводкам погоды. И хотя многие еще относятся к прогнозу погоды с известны! долей предубеждения, тем не менее, все знают, что над территорией нашей страны периодически проходят огромные циклоны и антициклоны, теплые или холодные воздушные массы. Они почти всегда перемещаются с запада на восток, что совпадает с направлением главного воздушного потока в средних географических широтах, у которого есть свой аналог и в океанах. Это Северо – Атлантическое и Северо – Тихоокеанское течения. Несут ли эти два течения циклоны и антициклоны? Проводя аналогию между циркуляцией атмосферы и океана, можно предположить, что ответ будет положительным. Однако каждое предположение нуждается в доказательстве.
Обратимся же к данным экспериментов и проследим, можно ли на основании этих данных утверждать о существовании циклонов и антициклонов в океанах. Но прежде рассмотрим вопрос о циклонах и антициклонах в атмосфере. Что позволяет ученым – метеорологам судить об их наличии в атмосфере и как они следят за процессом их образования и развития?
Как известно, суша, особенно в густонаселенных районах земли, покрыта плотной сетью метеорологических станций. На каждой из них проводятся измерения атмосферного давления, температуры, скорости ветра, количества осадков и др. Если данные о значениях геопотенциала[1]1
Геопотенциал – потенциал силы тяжести или работа, совершаемая при поднятии единицы массы в поле силы тяжести на определенный уровень. Эта работа пропорциональна высоте изобарических поверхностей. В холодных областях изобарические поверхности располагаются ближе к земле, а в зоне экватора – выше. Их наклон является мерой скорости и направления ветра.
[Закрыть] в определенный момент времени, полученные многими метеорологическими станциями, нанести на карту и соединить точки с одинаковым геопотенциалом, то получим распределение геопотенциала в данный момент. При сравнении двух подобных карт, но относящихся к разным отрезкам времени, можно сделать вывод, что воздушные массы, перемещаясь в пространстве, трансформируются. То же самое про – исходит и с полями температуры, скорости ветра и т. д.
Изолинии высоты изобарической поверхности 500 миллибаров 15. VIII. 1977 г. Н и В обозначают места снижения и поднятия изобарической поверхности. Они определяют места циклонов и антициклонов в атмосфере.
Изолинии высоты изобарической поверхности 500 миллибаров 16.VIII. 1977 г. Кроме трансформации основных барических центров, хорошо заметен поворот всей картины в направлении с запада на восток.
Изолинии высоты изобарической поверхности 500 миллибаров, усредненные за август 1977 г. После усреднения циклоны и антициклоны (особенно в средних широтах), заметные на прежних двух рисунках, исчезли.
В научной практике очень часто используется прием усреднения данных. Предположим, что данные о геопотенциале на огромной территории Земли усреднены по времени за один месяц, и на основе этих данных составим карту распределения геопотенциала. Сравнивая вновь полученную карту с картами, отражающими две моментные ситуации за такой же период, мы видим, что некоторые циклонические и антициклонические образования исчезают и что поле усредненного атмосферного давления характеризуется значительно большей гладкостью изолиний[2]2
Изолинии – линии, в каждой точке которых физические величины имеют одинаковое значение.
[Закрыть].
Карты первого типа отражают погоду, чьи основные элементы – циклоны и антициклоны, представляющие собой области, где давление ниже или выше нормального. В результате существующей разности давлений воздушные массы совершают кругообразное движение, причем у циклонов оно идет в направлении против часовой стрелки, а у антициклонов – по часовой стрелке.
Размеры атмосферных циклонов и антициклонов по горизонтали исчисляются несколькими тысячами километров, а время их нахождения в каждом районе – всего несколько дней. Если же усреднить поле геопотенциала за период намного больший, чем несколько дней, то мы увидим, что недолговечные образования, определяющие погоду, «компенсируют» друг друга и остаются лишь те особенности распределения метеорологических элементов, которые изменяются сравнительно медленно. Они‑то и представляют собой климатические характеристики в разных частях рассматриваемой территории.
Изменчив ли океан?
А сейчас снова вернемся к океану и проследим, как накапливались экспериментальные данные. Вначале сведения об океанских течениях черпали преимущественно из бортовых журналов, в которых обычно отмечали отклонения судна от намеченного курса. В зависимости от отклонения определялась скорость, и то довольно неточно, лишь поверхностного слоя морских вод. В дальнейшем с развитием океанографии стало возможным планомерное проведение морских экспедиций с целью получения экспериментальных данных. Но мы не станем рассматривать рабочие инструменты наших коллег в прошлом, а остановимся лишь на том, когда и как измеряли в океане.
Обычно исследовательское судно имеет точно заданный курс, в определенных точках которого и проводятся различного рода измерения. Разумеется, невозможно, чтобы один и тот Же корабль осуществлял синхронные измерения в двух точках пространства. Именно з®о и определяло дальнейший ход обработки океанографических данных. В силу того, что они были слишком нерегулярны, а их плотность в пространстве очень невелика, поступали следующим образом. Океан делился на квадраты, и все данные, полученные разными экспедициями в разное время в этих квадратах, суммировались и усреднялись. Таким образом, вследствие усреднения данных «кратковременные» элементы океанической динамики выпадали из поля зрения ученых.
Подобно усреднению поля геопотенциала, о котором мы уже говорили, усреднение океанографических данных позволяло ученым прошлого понять только общую структуру океанической динамики, или, иными словами, они изучали «климат океана». Однако такой способ получения и обработки данных не давал им возможность узнать те особенности, которые в каждый рассматриваемый момент определяют «погоду океана».
И тем не менее, сто пятьдесят лет назад были высказаны некоторые соображения о том, что океан изменчив, что течения, температура, соленость и пр. меняются как в пространстве, гак и во времени. К такому выводу пришел английский исследователь Джеймс Реннел. За семнадцать галсов, которые он проделал между Галифаксом и Бермудскими островами, Реннел установил, что местоположение и ширина Гольфстрима меняются со временем и что эти изменения нельзя отнести только к разряду сезонных. По его словам, отсутствие синхронных наблюдений является «непоправимым дефектом» океанографического эксперимента.
Несмотря на то, что ученые уже давно считали океанические течения меняющимися во времени, они очень пессимистично относились к вопросу о возможности их изучения. Реннел разделил течения в океане на четыре категории: дрейфовые (т. е. вызванные ветрами) потоки, локальные и временные. О последних он сказал следующее: «Нет никакой необходимости заниматься подобными течениями. Они не подчиняются никаким правилам, и поэтому изучение их бесполезно».
Новые эксперименты – новые идеи
В мировой науке известно немало случаев, когда абсурдная на первый взгляд идея вскоре перестает казаться нелепой и получает всеобщее признание. Но чтобы утвердить или отвергнуть эту идею, необходимы эксперименты. К сожалению, на деле теория и практика часто расходятся.
Пытаясь охарактеризовать начальный этап развития океанографических исследований, норвежский ученый-океанограф Г. Сведруп сказал, что много людей проводили измерения в океане, но лишь немногие из них размышляли над полученными результатами. И наоборот, в сороковых – пятидесятых годах советский океанограф В. Б. Штокман отметил, что «ныне слишком мно – го ученых занимались теоретическими исчислениями и слишком мало проводили целенаправленные измерения». Именно этот анахронизм явился причиной того, что в последнее время с новой силой заговорили об изменчивости океана. Но прежде необходимо было преодолеть кризис в области эксперимента, который наблюдался вплоть до семидесятых годов нашего века. Сегодня можно утверждать, что идея Реннела о проведении синхронных измерений уже осуществлена, а его скептическое замечание относительно бесплодности изучения изменяющихся во времени океанских движений уже давно опровергнуто. Основным направлением океанографических исследований как в теоретическом, так и в практическом плане, стало изучение именно изменчивости океана, ибо только она поможет раскрыть тайны механизмов формирования движений в океане.
Реализация идеи долговременных экспериментов в области исследования изменчивости крупных океанских процессов началась с работ В. Б. Штокмана. В 1935 году руководимая им экспедиция в течение трех недель на двух заякоренных судах проводила измерения флюктуации течений в Каспийском море. Результаты измерений показали, что изменения скоростей течений не всегда связаны с изменчивостью в атмосфере, как считалось до тех пор. Даже в безветренный период динамика течений в районе исследований отличалась большим разнообразием. Это позволило предположить, что изменение скоростей, а также иных гидрофизических характеристик подчинено каким‑то неизвестным пока механизмам, скорее всего связанным с самими течениями.
В 1956 году эксперимент, подобный Каспийскому, был проведен и в Черном море уже представителями нового поколения ученых, которые в настоящее время стоят в авангарде советской океанографической науки. Эксперименты носили полигонный характер. Это означает, что для проведения измерений выбиралась определенная морская акватория (полигон), где в течение продолжительного времени на заякоренных судах или буйковых станциях проводятся гидрофизические исследования.
Первым полигонным экспериментом, включающим все главные компоненты современных экспериментов, следует считать эксперимент 1967 года в Аравийском море. Но прежде нам хотелось бщ рассказать о некоторых интересных особенностях динамики Индийского океана, которые в той или иной степени характерны и для остальных океанов.
Специфика течений в этом океане обусловлена его географическими особенностями (близость полуострова Индостан к экватору), из‑за чего невозможно образование северного субтропического циркуляционного кольца, как это имеет место в Атлантическом и Тихом океанах. Следствием этой особенности являются муссоны, которые очень хорошо выражены именно в этой части земного шара. В зависимости от направления муссонов могут быть выделены два периода: летний, когда дует юго – западный муссон, и зимний, соответствующий северо – восточному муссону. Между этими двумя периодами наблюдаются два коротких интервала: октябрь – ноябрь и март – апрель.
В зимний период система течений Индийского океана включает Северное Пассатное течение (Северо – восточное муссонное), Сомалийское течение и противотечение в экваториальной зоне. Северо – восточное муссонное течение зарождается в ноябре, причем скорость его достигает максимума в феврале (южнее острова Цейлон, например, скорость превышает одну морскую милю в час). В этот период значительная часть вод, достигнув полуострова Индостан, устремляется на северо – запад, следуя параллельно западному берегу полуострова. Часть этих вод вливается в Красное море, а остальная часть продолжает двигаться на юг, где они, смешиваясь с водами пассатного течения, способствуют усилению Сомалийского течения. Воды последнего питают Экваториальное противотечение, которое зимой расположено между 3 с. ш. и 5 ю. ш. и простирается к востоку до берегов Индонезии. Нужно сказать, что в период северо – восточного муссона циркуляция в океане выражена сравнительно слабо и затрагивает лишь верхние слои океана.
В отличие от течений других океанов, течения Индийского океана имеют различный характер в период зимнего и летнего муссонов. Летом у берегов Сомали зарождается течение, подобное Гольфстриму и Куросио, направленное на север.
Сегодня уже известно, что для океанических движений, масштабы которых соизмеримы с размерами океанов, характерен особый вид колебаний. Эти колебания представляют собой длинные (размером в несколько сотен километров) планетарные волны, названные по имени своего открывателя – шведского геофизика Карла Густава Аренда Россби волнами Россби. Подобные волны существуют и в атмосфере, но там их размеры в десятки раз больше. Для того чтобы возникли волны Россби, необходимо какое‑то внешнее возмущение, которое бы отклонило огромные воздушные или водные массы в направлении север – юг. В результате возникающих при вращении Земли сил появляется горизонтальное колебание этих масс, которое распространяется на запад. И вот именно здесь становится понятной; роль муссонов в зарождении двух типов течений в Индийском океане – летнего и зимнего. Эти ветры и служат тем внешним возмущением, которое приводит в движение водные массы.
В летний период муссона ветер меняет свое направление на 180°, увлекая огромные массы воды в направлении север – юг. Это совершенно изменяет характер течений в Индийском океане. Они становятся более интенсивными и проникают на большую глубину. Волны Россби распространяются на запад и несут с собой энергию, полученную внутри океана. Эта энергия «накапливается» у берегов Сомали, где спустя некоторое время возникает мощное Сомалийское течение – аналог Гольфстрима. Таким образом, на протяжении шести месяцев структура системы течений в Индийском океане полностью совпадает со структурой течений в остальных океанах.
Схема расположения приборов на автономной буйковой станции (АБС): 1 – радиоотражатель; 2 – буй (поплавок); 3 – трос; 4 – автономные регистрирующие приборы; 5 – якорь.
А теперь продолжим наш рассказ об эксперименте в Аравийском море. Он проводился в квадрате, каждая сторона которого составляла 5°, при помощи семи автономных буйковых станций (АБС). Такие станции представляют собой поплавок на поверхности моря, к основе которого прикреплен крепкий металлический трос длиною в тысячи метров. Другой конец троса заякорен на дне, а между якорем и поплавком (буем) устанавливаются самопишущие измерительные приборы. Во время работ на Аравийском полигоне такие приборы работали на глубине до 1200 метров на протяжении двух месяцев.
Целью советских ученых было изучение океанических движений во времени и пространстве. Эксперимент увенчался успехом. Последующие расчеты показали, что во время работ на полигоне через него прошел холодный океанский циклон. Так впервые в океанографии целенаправленными измерениями было подтверждено, что в океане существуют вихревые образования – циклоны и антициклоны. В силу того, что их размеры меньше размеров крупных океанских течений и больше размеров мелкомасштабных движений в океане, для них был принят общий термин – синоптические движения, по аналогии с физически подобными возмущениями в атмосфере.
Результаты, полученные во время Аравийского эксперимента, далеко превзошли даже самые смелые ожидания. Была доказана тесная связь между волнами Россби и вихрями в океане. По этому поводу американский ученый П. Райнз сказал: «Слабые вихри – это волны». Действительно, общим у них является то, что и те, и другие – осциллирующие (зачастую синусоидальные) и распространяются на запад на огромные расстояния. Тем самым они способствуют переносу энергии к западным берегам океанов и интенсифицируют течения в этих районах.
Вопрос о циклонах и антициклонах заинтересовал не только советских ученых, но и их американских коллег. В этом плане особую известность получила экспедиция на американском судне «Эрайез» в 1959–1960 гг. Эта экспедиция должна была провести ряд глубоководных исследований течений Атлантического океана. Считалось, что они перемещаются равномерно на север со скоростью меньше сантиметра в секунду. Но во время проведения эксперимента поплавки двигались хаотически, причем со скоростью, достигавшей на глубине четырех километров 10 сантиметров в секунду. Это открытие привело к изменению программы работ. Окончательная обработка данных позволила предположить, что открыты вихревые образования диаметром почти 200 километров, с временным периодом от нескольких недель до нескольких месяцев и с большой энергетической плотностью. Ученые пришли к выводу, что для более тщательного изучения этих образований необходимо провести долговременный эксперимент с более густой пространственной сеткой измерений.
Вихри в океане и атмосфере
Большинство людей считает, что вихрь – это круговое движение. Обычно это понятие связывается с явлениями, наблюдаемыми в водных потоках, ручьях, а также с воздушными вихрями. Нам трудно себе представить вихревое образование, чьи размеры по горизонтали исчисляются несколькими сотнями километров, а в высоту достигают несколько километров. Таковы обычно масштабы вихрей в океане, а в атмосфере они в десятки раз больше. Характерное время[3]3
Характерное время – время прохождения вихря через данную точку.
[Закрыть] океанических вихрей несколько месяцев, а атмосферных – всего несколько дней. Но несмотря на эти отличия, и океан и атмосфера _ генерируют вихревые образования – циклоны и антициклоны, которые, перемещаясь в пространстве, переносят водные и воздушные массы на огромные расстояния.
Как уже отмечалось, после усреднения за продолжительный отрезок времени элементы атмосферной циркуляции, связанные с вихрями в атмосфере, исчезают. Означает ли это, что влияние вихрей на глобальные процессы в атмосфере несущественно? Прежде чем ответить на этот вопрос, сделаем небольшое отступление в области термодинамики. Все знают, что молекулы находятся в непрерывном движении и постоянно взаимодействуют друг с другом. Внешним выражением движения молекул в твердых телах, жидкостях и газах является температура. Что же произойдет, если мы возьмем, например, металлический прут и нагреем его с одного конца? Молекулы в этом конце начнут двигаться быстрее и станут чаще сталкиваться друг с другом. Более быстрые молекулы, ударяясь о более «ленивые», отдадут им часть своей энергии, в результате чего постепенно движение всех молекул станет более интенсивным, т. е. повысится температура и в том конце, который не нагревался.
Когда мы приготовляем себе пищу на электроплитке, конечно, никто из нас даже не думает о том, какую бесценную услугу оказывают нам молекулы, переносчики тепла. Мы их не видим, да и кто станет задумываться над этим, когда всех интересует лишь конечный результат нагревания. Однако это невидимое движение волнует ученых.
А теперь снова вернемся к атмосфере. Выражаясь образно, циклоны и антициклоны – это гигантские молекулы диаметром в тысячу километров, которые играют в общей циркуляции атмосферы совершенно определенную роль. Их задача – извлекать энергию из тех областей, где она наиболее сконцентрирована (например, в экваториальной и тропической областях), и переносить ее в места, где ее немного (например, на север). Эти «гигантские молекулы» привлекли пристальное внимание ученых тогда, когда встал вопрос о механизмах движений в атмосфере, а точнее, о структуре движений. В этом смысле циклоны и антициклоны, хотя они и недолговечны, подробно «рассказывают» о сущности атмосферных процессов, оставляя и свой след в состоянии атмосферы.
Нам все еще неизвестно, каково значение океанических вихрей для общей циркуляции океана. Ответить на этот вопрос нам поможет некоторая аналогия между движением в атмосфере и океане. Но несмотря на то, что океанические вихри – аналоги атмосферных, все же нельзя с уверенностью утверждать, что их значение такое же, как и атмосферных. Прежде необходимо подробно рассмотреть структуру вихрей в океане, их поведение, эволюцию и т. д. И только тогда можно дать однозначный ответ на вопрос, откуда берется энергия в океане, куда она уходит и какова роль вихрей в формировании динамики океана.
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.
