Циркуляция воды в Мировом океане
Вся масса океанических вод непрерывно движется, благодаря чему происходит постоянное перемешивание, обеспечивающее проникновение кислорода на глубину и вынос питательных веществ на поверхность. По площади и глубине распространения и характеру движения воды движение вод в океане делят на течение, волнение и одиночные волны.
Одной из самых важных форм движения в океане являются морские течения – более или менее правильные перемещения водных масс в горизонтальном направлении: течения захватывают сравнительно неглубокий слой воды, имеют по сравнению с длиной небольшую ширину и отчасти напоминают реки, которые текут в «берегах» из воды. Океанические течения вызываются действием ветра, силы тяжести, приливообразующих сил. На их направление и скорость оказывают влияние сила Кориолиса и внутреннее трение воды. Трение вызывает завихрения на границах слоев с разной плотностью, сила Кориолиса приводит к отклонению водных потоков от направления ветра вправо в СП и влево – в ЮП. По мнению Л.П. Шубаева (1977), перемещение водных и воздушных масс определяется общей закономерностью: неравномерным нагреванием и охлаждением поверхности Земли. От этого в одних районах возникают восходящие токи и убыль массы, в других – нисходящие токи и увеличение массы. Перенос масс – это движение водных масс, т.е. приспособление их к полю силы тяжести, стремление к равномерному распределению.
По глубине распространения течения подразделяют на поверхностные, подповерхностные, глубинные и придонные (только поверхностные изучены достаточно хорошо).
По происхождению поверхностные делятся на фрикционные (ветровые, дрейфовые), градиентные (сточные, компенсационные, плотностные) и приливно-отливные. Фрикционные течения, вызванные временными ветрами, называют ветровыми, в отличие от дрейфовых, которые образуются под действием постоянных ветров. Сточные течения возникают в случае поднятия уровня воды, вызванного ее притоком, обилием атмосферных осадков. Компенсационные образуются при опускании уровня воды, обусловленном испарением или оттоком воды. Плотностные течения возникают из-за различий в плотности воды.
По соотношению температуры течения и окружающей воды течения делятся на теплые, холодные и нейтральные. Теплым называется такое течение, температура которого выше, чем температура окружающей воды. Холодные течения характеризуются более низкой температурой, чем температура окружающей воды. Нейтральные течения образуются при равных температурах течения и окружающей воды. При этом температура воды не играет роли в образовании течений. Например, температура холодного Перуанского течения равна 220С, но она на 6 0 С ниже температуры поверхностных вод в этом районе (15-180 ю.ш.).
По продолжительности (устойчивости) течения разделяются на постоянные, периодические и временные. Постоянные течения сохраняют направление и среднюю скорость, они возникают в результате воздействия постоянных ветров или сточно-компенсационных процессов. Периодические течения формируются под воздействием муссонов, направление и скорость их меняются. Временные течения вызываются временными, непериодическими ветрами, направление и скорость таких течений изменчивы.
Схема течений МО отражает, прежде всего, распределение господствующих ветров. Крупных циркуляционных систем десять: пять тропических – Североатлантическая (Азорская), Северотихоокеанская (Гавайская), Южноатлантическая, Южнотихоокеанская и Южноиндийская; экваториальная; две умеренных северного полушария – Атлантическая (Исландская), Тихоокеанская (Алеутская); Индийская муссонная; Антарктическая и Арктическая. Как видно, главные циркуляционные системы совпадают с центрами действия атмосферы. Эта общность генетическая, а не причинно-следственная.
Скорости и направления течений описывают законы Экмана (1905 г.). В первом законе формулируется причина возникновения течений: течение вызывается тангенциальным трением ветра о воду. Во втором законе говорится о скорости течений: скорость дрейфового течения увеличивается при увеличении скорости ветра и уменьшается с увеличением широты. Третий закон формулируется так: направление поверхностного течения не совпадает с направлением ветра. Течение отклоняется от направления ветра вправо в СП, влево – в ЮП. Отклонение составляет 450. В четвертом законе рассматривается влияние силы трения: вследствие трения движение воды, вызванное ветром, передается расположенным ниже слоям. Скорость течения при этом уменьшается, а направление его на некоторой глубине меняется на противоположное, что практически означает его прекращение. Многочисленные измерения показали, что течения оканчиваются на глубинах 200-300 м (слой Экмана).
Тропические антициклонические системы океанских течений самые крупные. Они простираются от одного берега океана до другого на 6-7 тыс. км в Атлантическом океане и 14-15 тыс. км в Тихом, а по меридиану от экватора до 400 широты, на 4-5 тыс. км. Течения устойчивые и мощные, особенно в СП, в основном замкнутые. Как и в тропических атмосферных антициклонах, движение воды идет по часовой стрелке в СП и против ее хода в ЮП. От восточных берегов океанов (западных берегов материков) поверхностная вода сносится к экватору, на ее место из глубины поднимается (дивергенция) и компенсационно поступает из умеренных широт холодная. Так образуются холодные течения Канарское, Калифорнийское, Перуанское, Бенгельское и Западноавстралийское. Скорость течений небольшая, около 10 см/с.
Струи компенсационных течений вливаются в Северное и Южное Пассатные или Экваториальные теплые течения. Скорость их большая: 25-50 см/с, на тропической периферии и до 150-200 см/с.
Подходя к берегам материков, пассатные течения, естественно отклоняются, образуя сточные течения: Бразильское, Гвианское и Антильское, Восточноавстралийское и Мадагаскарское. Скорость течений 75-100 см/с.
Гвианское и Антильское течения омывают Антильские острова и большая часть воды заходит в Мексиканский залив, из которого начинается стоковое течение Гольфстрим. Начальный его участок во Флоридском проливе называется Флоридским течением, глубина которого аномальна – 700 м, ширина 75 км, мощность 25 млн. м3/сут, что в 20 раз больше расхода всех рек Земли.
Экваториальная система представлена Экваториальным противотечением, которое образуется как компенсационное между Пассатными. Теоретически доказано, что поворот струй в открытом океане происходит в результате бокового трения и отсутствия ветра (затишье).
Циклонические системы умеренных широт различны в СП и ЮП и зависят от расположения материков.
Северные циклонические системы – Исландская и Алеутская – весьма обширны: с запада на восток они протягиваются на 5-6 тыс. км и с севера на юг около 2 тыс. км. Система циркуляции в Северной Атлантике начинается теплым Североатлантическим течением, за ним нередко сохраняется название начального участка Гольфстрима, однако собственно Гольфстрим («течение залива») продолжается не далее Ньюфаундлендской банки. Начиная от 400 с.ш. водные массы вовлекаются в циркуляцию умеренных широт и под действием западного переноса и силы Кориолиса от берегов Америки направляются к Европе. Благодаря активному водообмену с Северным Ледовитым океаном Североатлантическое течение проникает в полярные широты, где циклоническая деятельность формирует несколько круговоротов – течений Ирменгера, Норвежское, Шпицбергенское, Нордкапское.
Таким образом, Гольфстримом, в узком смысле, называется стоковое течение от Мексиканского залива до 400 с.ш., в широком – система течений в Северной Атлантике и в западной части Северного Ледовитого океана.
Второй круговорот находится у северо-восточных берегов Америки и включает течения Восточногренландское и Лабрадорское. Они выносят основную массу арктических вод и льдов.
Циркуляция северной части Тихого океана аналогична Североатлантической, но отличается от нее меньшим водообменом с Северным Ледовитым океаном. Стоковое течение Куросио переходит в Северотихоокеанское, идущее к Северо-Западной Америке, обычно на всем протяжении оно называется Куросио, в Ледовитый океан попадает относительно небольшая масса воды. Холодные течения Алеутское, Камчатское и Ойясио образуются из холодных вод Тихого океана вне связи с Ледовитым.
Циркумполярная антарктическая система представлена одним течением Западных ветров. Это самое мощное течение в МО. Оно охватывает Землю сплошным кольцом в поясе от 35-40 до 50-600 ю.ш. Ширина его около 2000 км, мощность 185-215 км3/с, скорость 25-39 см/с. Как и другие, циркумполярное течение Западных ветров незамкнутое: от него отходят ветви, вливающиеся в Перуанское, Бенгельское и Западноавстралийское течения.
Арктическая система в циркуляции вод МО генетически соответствует Арктическому барическому максимуму и ложбине Исландского минимума и представлена главным течением Ледовитого океана – Западным арктическим. Оно переносит воды и льды с востока на запад по всему Ледовитому океану к проливу Нансена между Шпицбергеном и Гренландией. Далее оно продолжается Восточногренландским и Лабрадорским.
Циркуляция вод МО дисимметрична относительно экватора. Течения, идущие с юга на север, мощные и простираются на большие расстояния: СП: Северное Пассатное – Гвианское – Гольфстрим – Североатлантическое от экватора до Шпицбергена; Северное Пассатное в Тихом океане – Куросио – Северотихоокеанское от экватора до Берингова пролива; ЮП: Перуанское и Бенгельское от Южного океана до экватора. Течения, направленные с севера на юг, угнетенные, идут на небольшие расстояния (не более 300 широты): Бразильское, Игольного мыса. Западноавстралийское, Лабрадорское и Камчатское.
Причина дисимметрии, вероятно, заключается в том, что к северу от экватора господствует меридиональный перенос, а в ЮП – зональный, а также положением и формой материков.
Значение морских течений:
-транспортная роль по отношению к тонкозернистым осадкам и к тонкой мути, взвешенной в морской воде;
-перенос планктона – мельчайших организмов, не имеющих плавательных приспособлений и пассивно увлекаемых движением воды;
-влияние на климат:около половины переноса тепла из низких широт в высокие осуществляется морскими течениями, а остальная половина путем обмена воздушными массами; морские течения создают термические аномалии (западное побережье Калифорнии, Южной Америки, Африки и Австралии, омываемые холодными течениями, холоднее, чем внутренние части материков и, наоборот, климат на побережьях, омываемых теплыми течениями, теплее и мягче, чем внутри материка).
Волнение - колебательное движение воды, оно охватывает только поверхностные водные массы – частный случай ритмических колебательных движений в природе. Волнение образуется в результате нарушения равновесия уровенной поверхности и стремления силы тяжести восстановить его. Волны, существующие под непосредственным воздействием этих сил, называются вынужденными, волны, продолжающиеся после исчезновения силы, - свободными (инерционными).
В поперечном разрезе волны выделяются: гребень – наивысшая точка волнового профиля, подошва – низшая точка волнового профиля, высота волны – расстояние от подошвы до гребня, длина волны – расстояние между двумя гребнями или подошвами, крутизна волны – отношение высоты волны к половине ее длины, скорость волны – расстояние, пробегаемое гребнем в единицу времени, период – промежуток времени между прохождением двух гребней волны.
Волнение возникает при воздействии ветра на поверхность воды. При малых скоростях ветра (около 5 м/с) образуются волны ряби. При усилении ветра устанавливается волнение. Волны образуют параллельные ряды, т.е. являются двухмерными, они имеют только длину и высоту. Когда скорости ветра и движения волны выравниваются, волны перестают расти в высоту, достигая своего максимального значения. Такое волнение называется установившимся. При затухании ветра образуются волны зыби – длинные пологие волны длиной сотни метров, высотой несколько метров. Высота ветровых волн в среднем 4-5 м, длина 150-200 м.
Наибольшие ветровые волны образуются в ЮП, у берегов Антарктиды, где дуют постоянные западные ветры (30-35 м в высоту и 400 м в длину). В СП наибольшие ветровые волны возникают на 40-450 с.ш. в Тихом и Атлантическом океане (34 м высотой и 800 м длиной). Высокие ветровые волны могут возникать в аравийском море и Бенгальском заливе.
Одиночные волны распространены во всей массе воды и образуются в результате изменения давления (барические волны), действия приливных сил (приливные волны) и землетрясений (цунами).
Цунами возникают при силе подземного толчка больше 6 баллов и расположения гипоцентра на глубине до 40 км. В открытом океане цунами незаметны, они имеют длину 200-300 км (до 1000 км) и высоту 1-2 м, скорость 400-800 км/ч. При подходе к берегу высота волны резко увеличивается (максимальная 85 м). За последнее тысячелетие ученые зарегистрировали около 1000 катастрофических цунами, причем большая их часть приходится на северо-запад Тихого океана.
Приливообразующие силы вызывают изменение уровня поверхности океанов. Колебания уровней называются приливами (уровень повышается и достигает наивысшего положения, называемого полной водой) и отливами (уровень понижается до низшего, называемого малой водой).
Теоретически полный цикл (два прилива и два отлива) должен завершаться за 24 ч 50/, а каждый прилив и отлив по 6 ч 12/30//. Действительная картина осложняется многими причинами:
1. Приливы образуются не только под действием притяжения Луны. Но также и Солнца. Приливообразующая сила Солнца в связи с его удаленностью меньше лунной (0,46 ее величины).
2. В течение 27 1/3 суток Луна делает полный оборот вокруг Земли. За это время ее склонение дважды меняется от 230 северного до 230 южного, что вызывает суточное неравенство приливов по высоте и продолжительности.
3. Расстояние от Земли до Солнца в течение года различно, а так как приливообразующая сила зависит от третьей степени расстояния до светила, то апогейные лунные приливы на 40%, а солнечные на 10% больше, чем перигейные.
4. Сложность еще больше увеличивается от разнообразного влияния на приливную волну расположения материков и их береговой линии.
5. Благодаря вязкости воды, трению ее о дно, и одного слоя о другой, наступление прилива несколько запаздывает по отношению ко времени прохождения Луны через меридиан данного места. Величина этого запаздывания называется лунным промежутком, который представляет собой отрезок времени между прохождением Луны через меридиан данного места и ближайшей полной водой.
Благодаря сочетанию всех названных причин продолжительность приливов в разных местах океана довольно различна. Принято различать приливы полусуточные (почти соответствуют теоретическим: за 24 ч 50 мин наступает две полные и две малые воды), суточные (одна полная и одна малая вода) и смешанные (изменение приливов в течение месяца от полусуточных до суточных).
Самый большой на Земле прилив (до 18 м) бывает в бухте Ноэль в заливе Фанди у Новой Шотландии. У берегов России самый высокий прилив (до 12 м) образуется на севере Охотского моря, в Пенжинской губе. Приливы больше 5 м наблюдаются только в узких заливах и проливах, а у сравнительно прямых – около 2-3 м. Во внутренних морях приливы очень незначительны: в Черном море – 13 см, Балтийском – 4,8 см, Средиземном – до 1 м (около Венеции).
Общепланетарное значение океанских приливов заключается в создании приливного трения. Приливы участвуют в перемешивании воды, в формировании берегов, в создании особых экологических условий в прибрежной полосе моря, приливную энергию используют при строительстве ПЭС.