Текст книги "По программе ПОЛИМОДЕ в Бермудском треугольнике"
Автор книги: Эмил Станев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 11 страниц)
Течения и их кольца
Кроме вихревого движения в океане, о котором мы уже рассказывали, существует и иной вид вихрей – так называемые «ринги», или кольца (по – английски кольцо – ring), которые отрываются от крупных океанических течений.
Чтобы понять механизм образования колец, необходимо провести аналогию между течениями в океане и рекой. Как известно, протекая по равнине, реки петляют (или меандрируют), образуя при этом нечто подобное островам. Конечно, большие океанические течения отличаются от движения водных масс в реках. Но наблюдения показывают, что Гольфстрим меандрирует, что объясняется неустойчивостью его струи. Иными словами, малое возмущение струи, возникшее в силу какой‑то причины, постепенно начинает возрастать, как будто по струе проходит волна.
Меандрирование Гольфстрима было известно океанографам еще сорок лет назад. Ученые знают также множество примеров кольцевидных образований в океане. Однако около десяти лет назад ученые все еще не могли ответить на вопрос, что вызывает эти явления.
Течение Гольфстрим. Мощное атлантическое течение, которое питают водные массы из тропических и экваториальных областей океана (на рисунке они обозначены пунктиром). Между двумя линиями объем воды, переносимой течением, одинаков, т. е. вблизи берега оно усиливается (линии сближаются). После отрыва от континентального шельфа Гольфстрим начинает меандрировать.
После отрыва от береговой зоны Североамериканского континента Гольфстрим, подобно огромной петляющей реке, распространяется во внутренние области океана. Из‑за неустойчивости его струи некоторые петли (меандры) отрываются и образуют кольца. Эти кольца самостоятельно движутся на запад и юго – запад.
Ныне огромное количество накопленных данных о полярных фронтах в океане позволяет нам дать ответ, хотя, может быть, и не исчерпывающий, на вопрос о том, как образуются кольца. Северо – Атлантическое течение можно рассматривать как фронтальную поверхность, разделяющую два разных типа водных масс. К северу от него лежат холодные тяжелые воды северной части Атлантического океана, а к югу – теплые воды Саргассова моря. Интересно отметить, что ширина течения всего несколько сот километров. Основные силы, приводящие в движение воды данного течения (сила, возникшая в результате разницы в давлении между северной и южной периферией фронта, и отклоняющая сила вращения Земли), четко сбалансированы. И тем не менее на океан оказывают воздействие множество меняющихся со временем факторов, которые очень часто могут возбудить возмущение в струе течения. А это значит, что более холодные и тяжелые воды могут проникать на юг. В свою очередь воды Саргассова моря проникают на север, и течение начинает петлять.
После того, как огромная масса холодной воды проникнет на юг, течение уже не в состоянии «удержать» ее. Так от струи течения отрывается меандр и движется в океане как самостоятельное образование. При этом сохраняется вращательное движение водных масс, из которых он состоит. Скорость вращательного движения порой очень велика, достигая двух – трех метров в секунду.
К югу от Гольфстрима кольца образованы холодными водными массами и движение осуществляется против часовой стрелки. Они распространяются на юг и юго – запад, причем в процессе исследований было установлено, что время их жизни – от года до четырех лет. Обычно к югу от течения существуют 8—14 колец одновременно. Часть этих колец «растворяется» в Саргассовом море, иные же достигают Флоридского пролива и берегов Америки и сливаются с основным течением – Гольфстримом.
Почему океанические кольца столь долговременные образования? Ответ на этот вопрос может дать подробный анализ их структуры. Измерения показали, что кольца – исключительно высокоэнергетические элементы циркуляции океана. Во время образования 95 % их энергии – энергия потенциальная, образующаяся в результате специфического распределения температур. Например, на глубине 400–800 метров, на которой в Саргассовом море существуют наиболее значительные изменения температуры по вертикали, разница в температуре ядра и периферийных областей циклона Гольфстрима достигает 10–12 на расстоянии около 100 км. Это означает, что холодные водные массы в ядре кольца подняты на 600–700 метров выше их нормального для окружающей воды горизонта залегания!
Внутри колец Гольфстрима глубинные воды, поднимаясь к морской поверхности, образуют огромные куполы холодной воды.
Расчеты показали, что потенциальная энергия вихрей, оторвавшихся от Гольфстрима, исчисляется 1024 эрг. Специалисты обычно называют ее доступной потенциальной энергией. Чем старее циклон, тем ниже опускаются изотермы, при этом освобождающаяся энергия превращается в кинетическую энергию вращательного движения. Так как силы трения не в состоянии быстро превратить кинетическую энергию в тепло и так как водный обмен между вихрем и окружающей ее жидкостью не очень большой, то вихрь надолго сохраняет свою «индивидуальность». Обычно он исчезает тогда, когда ядро начинает заполняться более теплыми водами, поступающими с периферии. В результате этого изотермы «тонут», уменьшается потенциальная энергия вихря и он растворяется в окружающей водной массе.
Турбулентность и отрицательная вязкость
Быстрое развитие океанографии в последние двадцать лет привело к коренным изменениям в этой области. Ранее считалось, что существующие теории достаточно доступно и правильно объясняют явления, обусловливающие специфический характер движения в океане. С расширением и углублением исследований положение существенно изменилось. Сегодья в океанографической теории и практике главный упор делается на изучение внутренней структуры течений. Отсюда и главная трудность. Оказывается, что течения меняются во времени и пространстве, поэтому кажется, что невозможно раз и навсегда определить динамический облик океана.
Взять хотя бы кольца Гольфстрима. Как уже известно, они образуются после того, как течение выйдет за пределы континентального шельфа. Но одни из них образуются западнее, другие – восточнее. Одни кольца распространяются севернее течения, другие – на юг от него. Пути колец в океане различны, как и различно время их существования. Кроме того, кольца отличаются друг от друга размерами и т. д. Означает ли это, что все океанические течения хаотичны и абсолютно не поддаются описанию? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны хотя бы вкратце рассмотреть некоторые общие свойства движущейся жидкости.
Движение жидкости можно разделить на два вида – ламинарное и турбулентное. У ламинарных течений (обычно медленных) струя представляет собой единое целое и обмен между разными слоями течения происходит на молекулярном уровне. Это означает, что из одного слоя молекулы – носители определенных свойств переходят в соседний слой, тем самым передавая молекулам этого слоя свои свойства. При возрастании скорости силы молекулярного трения не могут «погасить» возмущения, возникающие в струе, вследствие чего ее устойчивость уменьшается. Таким образом создаются условия для проникновения целых объемов из одного слоя теченйя в другой, с сохранением специфических характеристик (температура, соленость, содержание газов и др.). Этот вид движений называется турбулентным. В отличие от ламинарных, которым присуща упорядоченность движущихся частиц, турбулентное движение отличается хаотичностью.
При изучении некоторых сложных явлений в науке очень часто используется метод сравнения их с более простыми. Случай с турбулентным движением аналогичен. При этом считается, что «перескакивающие» из слоя в слой частицы подобны молекулам в ламинарном потоке. Разница, однако, в том, что при турбулентном движении диффундирующие объемы несоизмеримо крупнее молекул. Иными словами, переносимая субстанция гораздо больше, чем в ламинарном потоке. Существуют и другие принципиальные различия. В то время как за молекулой можно наблюдать длительное время (примером тому – движение макромолекул), турбулентные порции, или как их еще называют – турбулентные вихри, спустя некоторое время растворяются в окружающей их жидкости.
Принято считать, что роль турбулентных вихрей аналогична роли молекул в медленно движущихся средах. Как движение молекул приводит к выравниванию в пространстве всех характеристик, так и турбулентный обмен ведет к полному смешиванию жидкостей. Подобно молекулярному трению, существует и турбулентное, только оно намного сильнее первого.
По мнению советского ученого А. Н. Колмогорова, турбулизация в жидкой среде происходит следующим образом. После того, как струя теряет свою устойчивость, от нее начинают отрываться большие турбулентные вихри. Они также являются неустойчивыми образованиями (у них свое время существования или пути смешивания). Дробление вихрей идет до тех пор, пока вся энергия вихря не диссипирует, т. е. превратится в теплоту. Этот каскадный процесс лежит в основе превращения энергии струи в энергию вихря, а затем в теплоту.
В настоящее емя одновременное изучение всех видов океаническ. э и атмосферного движений – от мельчайших до соизмеримых с размерами нашей планеты – невозможно. Но тем не менее было бы неправильным не учитывать при описании общей циркуляции океана мелкие процессы. В таком случае они должны быть включены, или, выражаясь научным языком, параметризированы, т. е. необходимо найти какое‑то количественное выражение их влияния на макромасштабные процессы.
Так каково же отношение турбулентности к океаническим вихрям и кольцам? В отличие от атмосферных циклонов и антициклонов, вихри в океане отличаются небольшими размерами. Поэтому необходимо при численном моделировании циркуляции океана или при измерении океанических полей использовать небольшие пространственные интервалы. Так, при размерах вихря 200 км измерения или расчеты следует проводить примерно через каждые 20 км. Легко подсчитать, что если мы захотим покрыть Мировой океан сеткой, узлы которой будут расположены через каждые двадцать километров, таких точек будет почти миллион. Уровень современных технических возможностей и несовершенство электронно – вычислительных машин в настоящее время исключают это. Значит, нужно параметризировать влияние циклонов и антициклонов в океане на крупномасштабные движения. А чем синоптические возмущения отличаются от турбулентных вихрей?
Траектории погруженных в глубину аппаратов нейтральной плавучести (их относительный вес равен относительному весу морской воды). Одна из задач современной океанографии – объяснить и описать «хаотичность» этих траекторий, применив физические законы движения вод в океане.
Каскадные процессы дробления турбулентных вихрей относились к вихрям, чьи горизонтальные и вертикальные размеры близки. Однако можно ли считать таковыми циклоны и антициклоны в океане? Если они достигают дна во внутренних районах Саргассова моря, то их высота, например, будет почти в сорок раз меньше диаметра. Это означает, что их можно считать двухмерными образованиями. Отсюда возникает вопрос, вправе ли мы законы трехмерной турбулентности применять к двухмерным движениям?
Изучение двухмерной турбулентности, сначала представлявшее чисто теоретический интерес, имеет огромное практическое значение. Оно связано с попыткой разгадать принципы функционирования гигантской термодинамической машины океан – атмосфера, объяснить основные закономерности формирования климата и синоптической изменчивости нашей планеты.
Теорию двухмерной турбулентности трудно изложить популярно. Упомянем лишь об ее основном выводе. Он интересен своей парадоксальностью. Дело в том, что в определенных случаях движения более мелких размеров передают энергию движениям планетарных масштабов, т. е. речь идет об отрицательной вязкости. Если не объяснить это явление, то может сложиться впечатление, что «хаос создает порядок». В действительности это не так. Из‑за двухмерного характера крупных атмосферных и океанических вихрей движения в них более или менее упорядочены. При слиянии двух образований с упорядоченным движением может возникнуть новый элемент циркуляции океана, намного больший, чем вихри, – Сомалийское течение, например. Возможно и то, что какое‑либо оторвавшееся от Гольфстрима кольцо вновь вернется к течению, тем самым отдав ему свою энергию.
А сейчас можно перейти к основному вопросу, который волнует океанографов: как атмосфера передает механическую энергию океану и как она распределяется в нем. Ответ дать нетрудно. Чтобы преодолеть пассивность и инертность океана и повлиять на крупномасштабные процессы в нем, необходимо периодическое воздействие определенного фактора в течение длительного времени. Подобное воздействие, например, может оказать смена муссонов. Они возбуждают колебания (волны Россби), которые в дальнейшем, вследствие взаимодействия, усиливаются и генерируют вихри в океане, которые, в свою очередь, распространяются к его западным берегам. Там они сливаются друг с другом и поглощаются главным потоком (в данном случае Сомалийским течением), отдавая ему свою энергию.
Это постоянно протекающий процесс во всех океанах. Он в значительной степени аналогичен процессу зарождения и эволюции циклонов и антициклонов в атмосфере. Как известно, циклоны и антициклоны определяют погоду, поэтому выражение «погода в океане» можно считать вполне закономерным. Хотя и медленно, эта погода изменяется, океан «живет» по своим правилам и законам. Это подтверждается и рядом экспериментальных данных.
Итак, океан меняется, но как? Ныне существует много теорий изменения океана. Необходимы сложные практические измерения, подтверждающие или отрицающие теоретические данные, чтобы проверить и изучить законы, управляющие «погодой в океане».
ПОЛИМОДЕ
Полигон – 70
Период шестидесятых – семидесятых. годов стал переломным для океанографических исследований. В начале этого периода крупный американский океанограф X. Стомелл в своем обращении к океанографам «Почему наши идеи циркуляции океана имеют столь странное, нереальное качество?» говорит о необходимости проведения экспериментов с целью проверки теоретических идей. В 1972 году академик Л. М. Бреховских пишет: «…накопление наблюдений не может заменить целенаправленного эксперимента».
Океанографы уже давно пришли к мысли, что необходимо объединить свои усилия для проведения подобных экспериментов. Так постепенно с 1969 по 1976 год зрела идея создания программы ПОЛИМОДЕ. С 1974 года начались планомерные работы по ее детальной разработке и частичной реализации. Что же означает слово ПОЛИМОДЕ? Оно является символом преемственности в океанографической практике, символом общностни усилий СССР и США в исследовании океана. Оно возникло из слияния слов Полигон и МОДЕ
– названий советского и американского экспериментов по изучению изменчивости движений в океане, осуществленных в семидесятых годах нашего века. После завершения Аравийского эксперимента в 1967 году появились новые концепции проведения современных измерительных работ по исследованию структуры течений в океане. Его результаты показали, что двух месяцев абсолютно недостаточно для подобных исследований. Оказалось, что необходимо также увеличить количество и плотность автономных буйковых станций (АБС). И лишь спустя три года был осуществлен эксперимент Полигон—70. Научное руководство им было возложено на директора Акустического института АН СССР академика JI. М. Бреховских и заведующего лабораторией гидрологических процессов Института океанологии АН СССР профессора В. Г. Корта. Согласно предварительно разработанной программе, районом эксперимента была избрана обширная область севернее Островов Зеленого Мыса, расположенная в тропической зоне Атлантического океана. На этом полигоне, имеющем форму креста размером 240 х 240 километров, было установлено семнадцать АБС. Шесть научно – исследовательских судов работали в течение семи месяцев на полигоне, обслуживая АБС и выполняя и другие задачи по программе эксперимента.
Флагманом программы «Полигон—70» был определен корабль «Дмитрий Менделеев», который вместе с другим судном «Академик Курчатов» обеспечивал работу четырнадцати автономных буйковых станций. Остальные три обслуживало судно морской гидрографической службы «Андрей Вилитский». Каждые двадцать пять дней буи заменялись другими, а раз в три дня проводился визуальный контроль буев.
В выполнении программы «Полигон—70» участвовали и научно – исследовательское судно Морского гидрографического института АН УССР «Академик Вернадский», а также суда Акустического института АН СССР «Сергей Вавилов» и «Петр Лебедев». Этим экспедиционным судам было поручено исследование микроструктуры океанических течений, а также специальные акустические эксперименты.
Во время советского океанографического эксперимента «Полигон-70» был открыт антициклонический вихрь, в котором вращение вод осуществлялось по часовой стрелке. Цифрами 1—17 обозначены места, где были расположены АБС, а длина стрелок пропорциональна скорости течений, измеренной 24 мая 1970 г.
В результате столь длительной напряженной работы был накоплен богатый экспериментальный материал, обработка которого требовала большой затраты времени и усилий. Но полученные результаты превзошли все ожидания и вознаградили ученых за их самоотверженный труд. Главным было то, что удалось открыть вихревое образование (антициклон), который присутствовал на полигоне большую часть времени эксперимента. Он представлял собой эллипс, вытянутый в направлении северо – запад – юго – восток. Длина его большой оси составляла 400 километров, а малой – 200 километров. Антициклон медленно перемещался на запад со скоростью 5 сантиметров в секунду. Вихревое возмущение было ярко выражено до глубины 1500 метров, а скорость кругового движения на этом уровне достигала 10 сантиметров в секунду. При подобном рассмотрении оказалось, что этот вихрь не единственный. Тогда было высказано предположение, что над полигоном двигался целый «пакет вихрей», расположенных в шахматном порядке. А это означало, что за каждым циклоном следует антициклон, и наоборот.
Эксперимент «Полигон—70» дал окончательный ответ на вопрос, есть ли вихри в океане. Но этот ответ повлек за собой возникновение множества новых вопросов; был ли открытый вихрь случайным явлением или он закономерен? Какова природа вихрей в океане? Какова связь между ними и колебаниями в атмосфере? Происхождение энергии вихревого движения и т. д. Эти вопросы волновали и американских ученых. К тому времени они уже запланировали проведение эксперимента МОДЕ (по первым буквам английского названия
– Срединно – океанический динамический эксперимент). И здесь советские коллеги предложили им свою помощь. В 1972 году они предоставили им первичные результаты эксперимента «Полигон—70», что явилось первым крупным шагом по пути совместного сотрудничества в изучении океана.
МОДЕ-1
Эксперимент в Индийском океане для советской океанографической науки явился предвестником эксперимента «Полигон—70». Точно так же и американских ученых океанографическая экспедиция «Эрайез», о которой мы уже говорили, заставила задуматься над тем, каковы механизмы движений в океане. В 70–80–е годы нашего столетия вопрос о том, существует ли «погода океана», и если да, то каким законам она подчиняется, не переставал волновать ученых – океанографов. После создания необходимой экспериментальной базы американские ученые подготовили программу МОДЕ.
Сразу же возникли трудности как научно – технического, так и финансового характера. Во – первых, необходимо было избрать удачный район, который бы являлся наиболее типичным для формирования погоды в океане. Нужно было решить, какие параметры следует измерять и как долго. Кроме того, не было известно, каковы размеры циклонов в океане и др.
Сначала предполагалось, что эксперимент будет разделен на две части – предварительную и основную экспериментальную. Целью предварительной части – Пре – МОДЕ был сбор сведений и результатов, которые бы обеспечили полноценное проведение основных измерительных работ. В силу финансовых затруднений эксперимент Пре – МОДЕ не состоялся; но спустя три года, после тщательной подготовки, был осуществлен эксперимент МОДЕ – I.
МОДЕ – I начался в марте 1973 года. В нем приняли участие пятьдесят ученых из США и Великобритании из пятнадцати научных институтов. В их распоряжении находились несколько сот человек обслуживающего персонала, шесть судов и два самолета: внушительная часть научного потенциала, судов и оборудования двух стран, предоставленная для проведения физических экспериментов в океане.
Измерительные работы проводились в районе диаметром 600 километров, лежащем между Бермудскими островами и полуостровом Флорида. В выборе района существенную роль сыграла его близость к континенту, Бермудским и Багамским островам. Здесь сыграл роль и тот фактор, что АБС не в состоянии посылать акустические сигналы на слишком большие расстояния. Кроме того, поблизости от района эксперимента располагается течение Гольфстрим, которое вносит большое разнообразие в гидрологический режим данной области. В результате, за четыре месяца напряженной работы было собрано огромное количество новых данных. Дрейфующие поплавки «Софар», работающие на акустическом принципе связи с сушей, дали статистическую картину распределения вихрей в пространстве и времени. В процессе эксперимента было подтверждено существование «погоды в океане». Были изучены и некоторые наиболее общие закономерности вихревого поля, было показано, что интенсивность вихрей в различных областях океана неодинакова. Иными словами, не во всех областях вихри встречаются одинаково часто, но, возможно, везде имеют ключевое значение для процессов преобразования энергии и ее распределения в океане, т. е. процессов, лежащих в основе механизмов океанической динамики.
Двадцать лет назад считалось, что течения в океане являются результатом дующих над поверхностью океана ветров. На основе этого разрабатывались довольно убедительные и простые теории, которые, на первый взгляд, убедительно объясняли основные особенности движения в океане. Но вот появилось экспериментальное подтверждение существования вихрей в океане, и перед океанографией возникла проблема радикального изменения научных взглядов.
Во время эксперимента МОДЕ – I был зарегистрирован океанический вихрь. Является ли он аналогом атмосферных циклонов и ураганов с их климатическими последствиями? Во всех ли областях океана роль вихрей в переносе океанической энергии одинакова? Отличаются ли кольца Гольфстрима от обычных вихрей в открытом океане? И, наконец, насколько обогатились наши знания механизмов движения в океане?
Структура поля температуры и поля скорости антициклона на глубине 500 м во время эксперимента МОДЕ – I. Внутри вихря температура выше, а векторы скорости направлены по изолиниям температуры.
Чрезвычайно показательным для описания проблемы исследования вихрей в океане является высказывание американского океанографа Карла Вунша: «Мы можем рассматривать МОДЕ – I как аналог программы исследования погоды, закончившейся двухдневными измерениями северо – восточных ветров над Новой Англией.
И это единственный случай, когда были регистрированы эти ветры. Таким образом возникает целая серия вопросов: дуют ли эти ветры над Новой Англией постоянно? Если нет, то как часто? Что происходит в период затишья ветров? Для всех ли частей света типичны эти ветры?»
В 1976 году, когда Карл Вунш написал эти строки, да и теперь, когда этими проблемами вплотную занялись океанографы, вряд ли кто‑нибудь верил, что спустя несколько лет все будет решено – столь многочисленны и сложны были возникавшие вопросы. И в то же время четко наметился путь, которым должны были идти ученые, чтобы изучить физические механизмы энергетического обмена в океане. И путь этот отнюдь не был легким. Он подразумевал проведение многолетних измерений (ибо, как уже было сказано, «погода в океане» изменяется медленно), причем в разных районах Мирового океана с их специфическими географическими и климатическими особенностями. Всем было ясно, что какой‑нибудь одной стране не под силу глобальное изучение вихрей в океане. Следующим шагом должно было стать объединение усилий наиболее развитых в области океанографии стран. И таким шагом стал эксперимент ПОЛИМОДЕ.
