Монография посвящается моим учителям – преподавателям кафедры
Океанологии Географического ф-та МГУ им. М.В. Ломоносова профессорам
Н.Н.Зубову, А.Д.Добровольскому, О.И. Мамаеву.

Альберт Леонидович Бондаренко, океанолог, доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Института водных проблем РАН. Область научных интересов: динамика вод Мирового океана, взаимодействие океана и атмосферы. Достижения: доказательство существенного влияния океанических волн Россби на формирование термодинамики океана и атмосферы, погоды и климата Земли.

Предисловие

“Я глубоко убеждён, что в развитии
теории океанической циркуляции близится
кризис, обусловленный тем, что слишком
много людей вычисляют и слишком мало
людей анализируют хорошие наблюдения”
(В.Б. Штокман, 1970 г.).

Понятие «течения», океанские или морские, двояко. Во-первых, это океанические или морские динамические образования, в которых огромная масса воды вовлечена в движение. К ним относятся крупномасштабные течения, среди которых всем известные: Гольфстрим, Куросио, мощные Экваториальные течения и т.д. Во-вторых, под словом «течения» подразумеваются конкретные движения, перемещения масс воды. Чтобы различить оба понятия, к слову “течения” мы будем иногда приписывать или использовать вместо него словосочетание “движения воды”. К примеру, можно выразится так: “скорость течений, движений воды в Гольфстриме составляет …. см/с.” После этого пояснения понятно, где речь идёт о течениях, как о динамических образованиях, а где о движениях воды.

Течения имеют различные пространственно-временные масштабы, механизмы и происхождение. По пространственно-временным масштабам их принято разделять на переменные по скорости и направлению, вектор которых меняется квазициклически с периодичностью приблизительно до сорока суток, а также на устойчивые или квазиустойчивые, по направлению соизмеримые с масштабами океана или моря, получившие название крупномасштабных течений или крупномасштабной циркуляции, в которую вовлечены практически все воды океана от поверхности до дна. Приповерхностные воды в Северном полушарии совершают антициклоническое движение по часовой стрелки и, соответственно, в Южном циклоническое –– против часовой стрелки. В основном в океанах средние скорости крупномасштабных течений небольшие, ~ 10 см/c. Но в западных и экваториальных областях они проявляются в виде мощных струйных течений со скоростями до 2,5 м/с, как в Гольфстриме, Куросио, Сомалийском и др. течениях.

С учётом кинематических свойств движения воды, течения можно разделить на дрейфовые, градиентные и длинноволновые. Основные вызывающие их причины: ветер, колебания атмосферного давления, неравномерное положение поверхности воды, обусловленное осадками, испарением, нагревом океана, соединением вод различной плотности. При этом одна и та же причина может создать течения, имеющие различные механизмы и пространственно-временные масштабы. К примеру, дрейфовые течения создаются ”влекущим” действием ветра. Перемещение масс воды в пространстве осуществляется неравномерно и создаёт наклон уровня поверхности океана и, соответственно, градиентные течения. Ветер и колебания атмосферного давления создают волны, в том числе и долгопериодные, в частности, волны Россби с периодом до 40 суток. Они имеют такие параметры, как орбитальные движения частиц воды и волновой перенос, т.е. фактически это волновые течения.

Очевидно, что течения – важная гидрологическая характеристика, определяющая перемещения вод океана, поведение в нём поля солёности и температуры, различных взвешенных и растворённых элементов естественного и антропогенного характера, существенно влияющая на погоду и климат Земли.

Интерес к океанским течениям человечество проявляет с глубокой древности, в основном в утилитарных целях, например, в судовождении, не касаясь их природы. Сейчас исследователи изучают возникновение и влияние течений на экологию Мирового океана, климат и погоду. В этом случае необходимо знать природу течений, их параметры, свойства, закономерности развития и многое другое.

Некоторые исследователи стремились и раньше объяснить природу течений, их закономерности, свойства, режимные характеристики. Так, Аристотель полагал, что причина океанических течений кроется в гидрологическом цикле. Испарения в тропиках, по его мнению, понижают уровень океана, а дожди в приполярных областях его повышают, в результате чего морские воды перемещаются от высокого уровня на полюсах к более низкому в тропиках. Фактически он рассматривал течения как градиентные. В XVIII в. Англичане Ричард Кирван и Бенджамин Томсон высказали предположение, что течения поддерживаются за счёт различий плотности морской воды, т.е. считали их, как и Аристотель градиентными. Первым, кто предположил, что течения могут быть дрейфовыми, ветровыми был англичанин Уильям Дампир [1699 г.] [Фащук, 2002].

В начале двадцатого века такие представления о течениях были математически описаны норвежскими учёными Сандстрёмом и Хелланд-Хансеном и немецким учёным Экманом, и им был присвоен статус теорий - градиентных геострофических течений [Sandström, Helland-Hansen, 1903], и ветровых течений [Ekman, 2006]. Эти представления безальтернативно просуществовали до начала шестидесятых годов 20-го века, популярны они и сейчас.

В начале шестидесятых годов в океанах доказательно были зарегистрированы мощнейшие динамические образования - долгопериодные волны, получившие название волн Россби. Практически те же самые волны в зоне, близкой берегу, стали называться континентальными шельфовыми волнами [Гилл, 1986, Ле Блон, Майсек, 1981]. Позже такие же образования были обнаружены советскими исследователями в замкнутых морях - Каспийском и Чёрном [Бондаренко, 1993, Иванов, Янковский, 1993].

Анализ течений, создаваемых волнами Россби и крупномасштабными течениями подсказал учёным, что оба явления должны быть связаны физически. Большинство исследователей считали, что волны Россби сформированы неустойчивостью крупномасштабных течений. По мнению других - течения формируются названными волнами в результате передачи их энергии течениям. В основном рассматривались два механизма: отрицательной вязкости и нелинейного взаимодействия волн, т.е. механизмы медленной передачи энергии волн течениям, так называемый механизм “накачки” [Лаппо, 1979, Монин, 1978, Гилл, 1986, Ле-Блон, Майсек, 1981]. Как видим, ещё в шестидесятых - семидесятых годах прошлого века некоторые учёные усомнились в безальтернативности представлений о течениях как только ветровых, дрейфовых и градиентных, термохалинных.

Однако объяснения формирования течений волнами не получили должного развития из-за их недоказанности экспериментально, и консервативности учёных, их склонности придерживаться прежних представлений о явлениях. К моменту открытия волн Россби (начало шестидесятых годов) мнение о ветровой и термохалинной природе течений прочно закрепилось в науке как единственно верное. Большинство учёных и сейчас считает, что крупномасштабные течения только градиентные, геострофические и, частично, дрейфовые.

В 2004 году отечественными учёными [Бондаренко, Жмур и др., 2004] экспериментально были получены доказательства связи волн и течений. Они оказались одновременными, высоко достоверными, при коэффициенте корреляции 0,9. Эта связь объяснена с позиции гипотезы формирования течений волнами. Однако сам механизм не был объяснён, хотя ясно, что это не передача энергии в виде отрицательной вязкости и не нелинейное взаимодействие волн, и не передача энергии неустойчивостью течений, поскольку связь параметров волн и течений носила высокодостоверный одновременный характер. Так как анализировались только три эксперимента в различных частях Мирового океана, возник вопрос о репрезентативности выводов применительно ко всему Мировому океану.

Впоследствии учёными [Бондаренко, Борисов, Жмур, 2008] было доказано, что течения всего Мирового океана в значительной степени длинноволновые, сформированные волнами Россби. При исследованиях использовались многочисленные дрифтерные наблюдения. Однако, как и прежде, механизм формирования течений волнами объяснён не был.

Работы продолжались и механизм формирования крупномасштабных течений волнами Россби был установлен [Бондаренко, Жмур, 2006]. Показано, что крупномасштабные длинноволновые течения представляют собой не что иное, как орбитальные движения частиц волн и их волновой перенос (типа Лагранжева или Стоксова переносов). Исследования базировались на анализе натурной информации, впрочем как и все предыдущие. Проведены многочисленные измерения течений, температуры воды и солёности. Установлено, что линии токов волн напоминают линии токов Большой уединённой волны открытой Дж. Расселом в 1834г, которую впоследствии назвали солитоном [Макеев, 2010].

Знакомясь в Интернете с литературой по волнам Россби мы обнаружили статью [Бетяев, 2007], из которой следовало, что К. Россби имел представления о природе океанских течений такие же, как и мы. Поскольку это важно, приведём дословно выдержку из статьи: “Они называются вихрями Россби в честь выдающегося шведского геофизика Карла Густава Россби (1898–1957), который обнаружил фундаментальную роль таких вихрей в динамике океана и в глобальной циркуляции атмосферы. Планетарные течения, такие, как Гольфстрим, Куросио – всё это вихри Россби”. Вихри Россби и волны Россби это одни и те же образования. Сейчас эти образования называют волнами Россби. К этому выводу К. Россби пришёл не зная о существовании волн Россби в океане, их обнаружили только в шестидесятых годах.

Также показано [Бондаренко, Жмур, 2007], что в основном эти движения частиц воды волн Россби в горизонтальной и вертикальной плоскостях ответственны за формирование термохалинного поля вод Мирового океана и его поверхности, а поэтому оказывают существенное влияние на погоду и климат Земли. Так, волны Россби формируют некоторые всем известные явления: крупномасштабные течения (отмечалось раньше), апвеллинг-даунвелинг, Эль-Ниньо - Ла-Нинья, пассаты, тайфуны и т.д. [Бондаренко, 1998, Бондаренко, Жмур, 2004].

Следует обратить внимание на то, что градиентные, дрейфовые и волновые течения это принципиально различные формы движения воды, обладающие различными свойствами, параметрами, характером связи с источником их возбуждения. Достаточно отметить, что волновые течения, орбитальные движения частиц воды обладают свойством суперпозиции, отсюда и отсутствием потерь энергии на трение и турбулентность. В то же время градиентные и дрейфовые течения обладают противоположными свойствами: взаимного влияния движений частиц воды в потоке и, отсюда, наличием турбулентности, и как следствие этого - большими потерями энергии (особенно в ветровых течениях). При проведении натурных и теоретических исследований течений учёный должен знать, что измерено при регистрации океанских и морских течений различными методами и приборами. Выясняется, что зачастую измерения волновых течений неадекватно отражают реальное развитие процесса, а отсюда возникают и ложные представления о течениях и их свойствах.

Данная работа носит экспериментально-теоретический характер. При выполнении исследований автор активно использовал натурные наблюдения, значимые по информативности. Предложенные новые представления о течениях обоснованы тщательным и разносторонним анализом натурных наблюдений течений, температуры морской воды и её солености. В исследованиях использованы стационарные наблюдения течений и температуры морской воды, многочисленные дрифтерные измерения этих же параметров, съёмки температуры поверхности океана из космоса. Приведен богатый по информативности натурный материал по течениям, который может быть использован в дальнейших исследованиях.

О конкретном содержании монографии можно судить по названиям глав, отражающих суть работы, и кратким аннотациям к главам.

В работе приведены:

• схемы течений Мирового океана, созданные исследователями в основном до конца ХХ в и нашими. Даётся краткое описание течений, изображенных на схемах и их анализ, а также сравнительный анализ различных схем с точки зрения оценки достоверности изображённых на них течений (гл. I.).
• общие представления о динамике основных видов течений, которые по их кинематическим свойствам можно разделить на градиентные или термохалинные, ветровые (дрейфовые) и длинноволновые (гл. II).
• экспериментальные исследования долгопериодных волн Россби и течений. Демонстрируется одновременная, высокодостоверная корреляционная связь волн и течений. Анализируя эти связи и многочисленные измерения течений дрифтерами, авторы названных выше работ пришли к выводу, что динамику вод Мирового океана в значительной степени определяют течения долгопериодных волн (гл. III).
• сведения о долгопериодных волнах экспериментального и теоретического характера, о реально наблюдаемых в океанах и морях волнах, сопоставительный анализ их и теории. Отмечается, что реально наблюдаемые волны имеют существенные различия с их теоретическими идентификаторами. Из этого делается вывод, что реально наблюдаемые волны не достаточно полно описаны математически (гл.IV).
• экспериментальные исследования инерционных волн. Показано, что эти постоянно наблюдаемые, энергетически устойчивые явления представлены в виде волнового поля с большим временем жизни и возбуждения; изменение скорости течений инерционных волн существенно определяется закономерностью их модуляционного построения (гл.V).
• на примере Гольфстрима показано, что собой представляют крупномасштабные течения и как они формируются волнами Россби (гл.VI).
• закономерности формирования глубинных и поверхностных противотечений Мирового океана волнами Россби (гл. VII).
• закономерности поступления тёплых вод Атлантики в Северный Ледовитый океан в виде турбулентного обмена вод океанов, но не адвективно (гл. VIII).
• оценка принятых методов измерения, которые не обеспечивают получение репрезентативной информации о волновых течениях океанов и морей. Исследователи, использующие эту информацию зачастую получают неверные представления о волновых течениях и самих волнах (гл. IX).
• закономерности формирования волнами Россби термохалинного поля вод морей и океанов, когда вертикальные движения частиц воды в реальных волнах Россби формируют температуру воды морей и океанов и тем самым температуру их поверхности (гл. X).
• экспериментальные исследования апвеллинга–даунвеллинга прибрежной зоны моря, который формируется континентальными шельфовыми волнами и связанными с ними физически и корреляционно крупномасштабными течениями (гл. XI).
• закономерности формирования явления Эль-Ниньо – Ла-Нинья. Показано: это не что иное как апвеллинг-даунвеллинг и формируется волнами Россби и крупномасштабными течениями. Получена хорошая корреляционная зависимость амплитуд колебаний скорости течения волн с температурой океанской поверхности, показателем развития Эль-Ниньо – Ла-Нинья (гл. XII).
• закономерности формирования атмосферных вихрей волнами Россби. Установлено, что волны создают подъём воды и тем самым формируют температуру поверхности океанов в виде аномалий округлой формы. В свою очередь эти аномалии формируют атмосферные, которые поддерживаются и развиваются за счёт передачи тепловой энергии океана, подаваемой волнами на его поверхность (гл. XIII).
• закономерности теплового взаимодействия океана и атмосферы. Показано, что оно в основном осуществляется с помощью волн Россби. Прослеживается устойчивая связь течений волн Россби с температурой поверхностных вод океана. В свою очередь изменения температуры вод океана сказываются на изменениях температурного режима атмосферы, а отсюда - погоды и климата Земли (гл. XIV).
• методы измерения течений и их анализ. Показано какие из них обеспечивают получение репрезентативной информации и какие – не обеспечивают (гл. XV).

(продолжение следует…)