5 лет назад
Нету коментариев

Пока еще невозможно решением общей задачи показать, как формировался во взаимодействии тепловой и динамический режимы атмосферы над Антарктикой, режимы Южного океана, как возникала шапка оледенения. Мы не знаем пока, в какое время и как долго это происходило, когда возник материк в южнополярной области среди океана. Поэтому приходится начинать описание процесса взаимодействия с момента, когда он уже установился и соответствовал наблюдающимся сейчас условиям. Чтобы упростить задачу, нужно рассматривать взаимодействие не в целом, а по отдельным звеньям и этапам его.

а) Циркуляция атмосферы. Итак, рассмотрим холодный материк, окруженный относительно теплыми водами океана. В некоторых случаях будем в первом приближении считать, что он кругл и симметричен относительно географических координат.

Как уже говорили раньше, поле атмосферного давления хорошо согласуется с полем изаномал температуры подстилающей поверхности и температуры воздуха, о чем наглядно свидетельству­ют соответствующие карты, построенные для северного и южного полушарий. Положительным аномалиям соответствуют области пониженного, а отрицательным повышенного давления атмосферы. Необъяснимой с таких позиций остается цепочка антициклонов в южном полушарии, но их происхождение, видимо, не связано, с термическими процессами. Не находит такого объяснения пока и цепочка неподвижных циклонов, расположенных вокруг Антарктиды вблизи побережья.

Схема циркуляции воздуха на Антарктикой

Схема циркуляции воздуха на Антарктикой

Схема асиметричной циркуляции воздуха над Антарктикой

Схема асиметричной циркуляции воздуха над Антарктикой

Не учитывая эту цепочку циклонов, хотя ее роль в создании местной циркуляции воздуха и значительна, построим схему общей циркуляции воздуха в Антарктике.

Распределение среднегодового атмосферного давления в Антарктике и прилегающих к ней областей южного полушария и вертикальные меридиальные разрезы атмосферы (см. рис. 21, 22, 23) позволяют представить себе осредненную циркуляцию воздуха в этих областях земного шара таковой, какой она изображена на рисунке 25. Не будем при этом рассматривать, что происходит ближе к экватору. Будем считать также, как это делали и при расчетах теплового баланса, что циркуляция, связанная с процессами, протекающими на поверхности Антарктики, ограничивается тропосферой. Об этом свидетельствует распределение различных метеорологических характеристик по высоте, приведенное на разрезах, и наличие четко выраженной верхней границы — тропопаузы.

Описывая в дальнейшем закономерности циркуляции воздуха над Антарктикой, будем считать ее стационарной и симметричной относительно оси вращения Земли. Однако в общих чертах все же попытаемся представить себе, к чему приведет нарушение симметрии за счет увеличения интенсивности в одной из областей внешней или внутренней циркуляции. Это нам понадобится в даль­нейшем для объяснения некоторых особенностей циркуляции воздуха над Антарктикой. Как показали эксперименты в лабораторных условиях, изменение интенсивности и симметрии в отдельных звеньях циркуляции должно привести в рассматриваемом случае к сдвигу вертикальных колец циркуляции в одну из сторон так, как показано на рисунке 26. Очевидно, что это приведет к смещению полей различных характеристик относительно географических координат и материка Антарктиды: давления, температуры, поля ветра.

Основной причиной циркуляции воздуха в Антарктике, как уже говорилось, является контраст температуры вод Южного океана и поверхности ледяного материка. Как и всякая тепловая конвекция, возникающая при этом, циркуляция воздуха в описываемой области характеризуется наличием резко выраженной поверхности раздела между двумя встречными потоками воздуха различной температуры и плотности. Если бы Земля не вращалась, а поверхность на описываемом участке ее можно было бы считать плоской, то и поверхность раздела была бы плоской и горизонтальной. Однако высокий материк и вращение Земли делают ее наклонной. Переменное по широте значение силы, связанной с вращением Земли, и круговая симметрия делают эту поверхность куполообразной (см. рис. 25).

Пояс центров повышенного давления в южном полушарии вызывает круговой северо-западный поток воздуха. Эта циркуляция не обладает чисто конвективным характером. Поток воздуха уме­ренных широт в данном случае движется в направлении понижения средней температуры, связанного с увеличением широт места, и поэтому здесь нет оснований для возникновения двуслойной структуры потоков воздуха, подобной рассмотренной выше. Однако горизонтальное (в данном случае) сближение двух масс воздуха различной температуры и плотности приводит и здесь к образованию второй, также наклонной поверхности раздела, которая кольцом опоясывает эти области океана по кругу широт. Схематически обе поверхности раздела указаны на рисунке 25 пунктирными линиями.

Циркуляцию воздуха над Антарктикой в среднем следует считать достаточно замкнутой. Обмен массами и теплом между двумя звеньями циркуляции южного полушария в стационарных условиях осуществляется главным образом в областях подъема воздуха. Часть потока с северной стороны в верхних слоях воздуха может включиться в верхний поток антарктической циркуляции, направленной к югу. Вообще же не следует преувеличивать значение прямого упорядоченного переноса в обмене масс воздуха между двумя рассмотренными звеньями общей циркуляции в тропосфере над южным полушарием, так как основная часть массы воздуха северо-западных ветров участвует в круговом движении. Конечно, все эти рассуждения справедливы только для случая стационарного движения при симметричных условиях.

Приведенная схема осредненной циркуляции воздуха достаточно хорошо согласуется с имеющимся материалом аэрологических и метеорологических наблюдений на побережье Антарктиды, в ее внутренних районах и в окружающем ее Южном океане.

Наклонные поверхности раздела потоков воздуха различной плотности должны, естественно, пересекаться с поверхностью Земли, образуя следы, именуемые на синоптических картах ме­теорологическими фронтами. Метеорологические фронты, постоянно наблюдающиеся в каких-либо областях Земли, называются климатическими метеорологическими фронтами. Такие два фронта должны опоясывать на некотором расстоянии один от другого антарктические области южного полушария. Это положение хорошо согласуется с существующим в климатологии представлением об антарктическом и полярном фронтах (рис. 27), расположенных в описываемой области южного полушария.

Итак, физическая природа циркуляции воздуха над Антарктикой та же, что и циркуляции муссонов, но знак контраста температур поверхности моря и материка в течение сезона здесь не меняется, поэтому и циркуляция воздуха имеет в течение года одно и то же направление. От обычной муссонной циркуляции ее отличает и то, что к контрасту температур поверхности моря и материка добавляется уменьшение температуры с увеличением широты. На эту циркуляцию, усиливая ее, налагается и стоковый эффект.

По теории муссонов, для того чтобы подсчитать количество тепла, переносимого в атмосфере с моря на материк, необходимо знать градиент изаномал, характеризующий поток именно этого тепла, а не тепла, распространяющегося вдоль меридиана пропорционально градиенту некоторой нормальной температуры, и умножить его на условный коэффициент турбулентного теплообмена. Этот коэффициент, характеризующий перенос тепла во всей толще атмосферы, охваченной муссонной циркуляцией, равен

F_1

Градиент аномалии температуры для побережья Антарктиды можно считать примерно равным 2° на 1° широты, т. е. на 111 км. Тогда с моря на материк над всем побережьем Антарктиды в атмосфере должно поступать около 25 • 1018 ккал/год. Постепенно расходуясь, это тепло переносится в центральные области материка.

Основные климатические фронты юного полушария

Основные климатические фронты юного полушария

Поперечные колебания поверхности раздела в атмосфере

Поперечные колебания поверхности раздела в атмосфере

Совпадение предложенной схемы циркуляции воздуха с действительностью не ограничивается совпадением только ее средних характеристик. Оно распространяется и на периодические процессы, возникающие на поверхности раздела и связанные с изменениями режима циркуляции.

Оказывается, поверхность раздела непрерывно колеблется, причем существует два основных типа этих колебаний. Наклон поверхности раздела зависит от разности скоростей верхнего и нижнего потоков воздуха. Таким образом, в результате изменений скоростей куполообразная поверхность раздела будет то уплощаться, то вспучиваться, а край, пересекающийся с земной поверхностью,— перемещаться в горизонтальном направлении так, как это указано на рисунке 28.

Если изменение скорости ветра произойдет внезапно, то поверхность раздела, в силу инерции системы, может начать колебаться с некоторым собственным периодом. Подсчеты показывают, что период таких колебаний невелик и равен примерно 0,6 суток.

При постепенном изменении скоростей потоков воздуха, например сезонном, наклон поверхности будет плавно следовать за этим изменением. В результате край поверхности раздела — Антарктический фронт — будет совершать горизонтальные перемещения с периодом в один год. Именно так и происходит в действительности: Антарктический фронт перемещается в широтном направлении от сезона к сезону, радиус его круга, опоясывающего на соответствующих широтах земной шар, то увеличивается, то уменьшается. То же самое происходит и со второй поверхностью раздела, что приводит и к перемещениям Полярного фронта.

Мы рассмотрели случай, когда поверхность раздела колеблется как единое целое относительно некоторой неподвижной узловой линии, расположенной близко к середине (см. рис. 28). При неравномерном для всей поверхности изменении скорости потоков на ней может возникнуть несколько волн меньшего периода и меньшей длины, может возникнуть и асимметрия колебаний. Это один из возможных типов волн — волн, распространяющихся поперек поверхности раздела, т. е. по радиусам.

Второй тип колебаний — волны, распространяющиеся вдоль кругов куполообразной поверхности раздела в результате относительного движения двух слоев воздуха различной плотности. Причина их возникновения принципиально та же, что и ветровых волн в море. Но известно, что высота и длина таких волн, именуемых гравитационными, зависит от скорости относительного движения, от длины разгона, продолжительности действия ветра, и от разности плотностей двух движущихся друг относительно друга сред. Чем меньше разность плотностей, тем больше, при прочих равных условиях, высота, длина и период волны. Высота таких внутренних волн в атмосфере достигает 1000—2000 м, длина — сотен километров, а период — 2—3 суток. При таком, прогибе поверхность раздела может достигнуть поверхности Земли, волна становится неустойчивой, разрушается как морская волна, подходящая к берегу, при этом образуются огромные по размерам вихри. Эти-то волны-вихри и образуют цепочки циклонов, движущихся вокруг Антарктиды в направлении с запада на восток (см. рис. 18). Схематически распространение таких волн по поверхности раздела изображено на рисунке 29.

Как уже говорили, на картах вокруг Антарктиды обнаруживаются две или три цепочки циклонов. Две из них возникают на поверхности раздела, расположенной и над материком. Почему на этой поверхности возникают две цепочки циклонов? Оказывается, дело в том, что в случае движения двух потоков воздуха под некоторым углом друг к другу волны на достаточно широкой поверхности раздела возникают не в виде гряд, а в виде холмов, расположенных в шахматном порядке. Такие волны называются трехмерными.

Изучая синоптические карты южного полушария, обнаружили, что в двух из трех цепочек циклоны непрерывно перемещаются с запада на восток, а самая близкая к материку цепочка остается неподвижной. Это налагает определенный отпечаток и на карту давления, осредненную для месяца: в той области, где циклоны движутся, при осреднении, они, естественно, исчезают, а вместо них вдоль пути движения барических образований обнаруживается кольцевая область пониженного давления. Но поскольку циклоны у берегов Антарктиды неподвижны, они обнаруживаются и на осредненной карте (см. рис. 19). В чем же заключается причина такого режима этих циклонов? По этому вопросу единого мнения пока еще не сложилось.

Продольные волны на круговой поверхности раздела в атмосфере

Продольные волны на круговой поверхности раздела в атмосфере

Одни утверждают, что это связано с орографией местности, конфигурацией береговой черты, к особенностям которых и «привязаны» эти циклоны. Однако против этого говорит равномерность их распределения вокруг Антарктиды и определенная связь их числа с числом циклонов подвижной цепочки. В свою очередь, это указывает на вероятность единства причин их происхождения.

Другие ученые указывают на зависимость этих циклонов от теплового режима прибрежных вод, который из-за круговых течений, образующих вокруг материка цепочку водяных вихрей, ха­рактерен чередованием областей с более высокой и более низкой температурой поверхности воды, областей, покрытых плавающим льдом, и областей, свободных от него. Действительно, такое чере­дование теплового режима вод может создать и неодинаковый прогрев атмосферы, а следовательно, и чередующиеся области повышенного и пониженного давления в барическом поле. Но это обязывает быть неподвижными относительно материка и местные круговые системы морских течений. К этому вопросу мы еще вернемся, когда будем рассматривать движения в океане, возникаю­щие в результате взаимодействия с атмосферой. Сейчас же попытаемся определить причину кажущейся неподвижности циклонов, исходя из предложенной схемы циркуляции и колебаний на по­верхности раздела. Но прежде укажем еще на одно отличие режима этой цепочки циклонов от режима внутренней и внешней цепочки. Циклоны ближайшей к материку цепочки, как правило, не разделены фронтами, что типично для двух других цепочек. Если исходить из представления о волновом происхождении циклонов, то это означает, что при прогибе поверхность раздела не достигает поверхности Земли и волны находятся в режиме устойчивого движения. В пользу этого говорит и большая в этих областях толщина нижнего потока воздуха.

Аэрологические наблюдения показывают, что скорость верхнего потока воздуха на достаточно большом удалении от берега материка больше скорости нижнего потока, причем верхний поток направлен почти на восток. Если скорость движения волн на поверхности раздела зависит от разности скоростей двух потоков, а направление совпадает с направлением потока, скорость которого больше, то скорость и направление распространения волн относительно земной поверхности определятся суммой скорости распространения волн по поверхности раздела и скоростью нижнего потока.

Соотношения этих скоростей на значительном удалении от материка в области двух северных цепочек циклонов таковы, что они, как волны, должны распространяться с запада на восток, что и согласуется с их движением в действительности.

У берегов Антарктиды скорости верхнего и нижнего потоков воздуха близки по величине и почти обратны по направлению. Такое же соотношение сохраняется для скорости движения волн по поверхности раздела и скорости нижнего потока воздуха. Это и приводит к тому, что волны кажутся неподвижными относительно земной поверхности. Так возникают своеобразные «стоячие» волны в атмосфере вокруг Антарктиды, волны, с которыми и связано происхождение неподвижной цепочки циклонов.

Мы уже говорили, волны возникают и на самой северной поверхности раздела, обусловливающей существование Полярного фронта. Но эта поверхность не так ярко выражена, как поверхность раздела над материком, поэтому и процессы, развивающиеся на ней, менее постоянны. В результате этого третья, если считать от Антарктиды, цепочка циклонов полностью наблюдается не всегда.

Так обстоит дело при симметричной относительно материка циркуляции воздуха. Однако нередко отмечаются резкие изменения траекторий движения одного или группы циклонов и стреми­тельное смещение их на большие расстояния в широтном направлении. Эти особенности движения циклонов можно объяснить смещением не всего, а части края куполообразной поверхности раздела в результате асимметричного и большого изменения скоростей в общей схеме циркуляции над Антарктикой. Значительные и длительные изменения формы обычно круговых траекторий движения циклонов могут быть объяснены нарушением симметрии циркуляции. Именно в таких случаях циклоны могут заходить на континент, пересекать его выступающие в океан части, но они никогда не могут пересечь его через центр оледенения, если присущая этой области общая циркуляция не будет разрушена полностью. Возможные изменения траекторий движения циклонов изображены на рисунке 30.

Отличительной чертой погоды и большинства штормов в Антарктике является стремительность их смены, неожиданное начало и прекращение и относительная кратковременность штормов. Особенно часты штормы продолжительностью около суток или немного более. Это хорошо согласуется с величиной периода собственных поперечных колебаний раздела воздушных потоков. Таким образом, эта особенность может быть объяснена быстрым смещением в горизонтальном направлении края поверхности раздела, которая, наступая или отходя от данного района, и приводит к быстрой смене погоды и, в частности, ветрового режима.

Явления в природе сложны и не всегда позволяют обнаружить причины, обусловливающие все особенности процесса. Теоретические исследования вынуждают идти на значительное их упрощение. Вот почему чрезвычайно полезным является и лабораторный эксперимент, т. е. физическое моделирование природного процесса.

Траектория движения циклонов над Антарктикой

Траектория движения циклонов над Антарктикой

Именно такие исследования были проведены Т. В. Бончковской для изучения циркуляции воздуха и, в частности, над Антарктикой. В плоский круглый сосуд диаметром 1,5 м была налита вода, имитирующая атмосферу. В центре сосуда находился куполообразный холодильник, моделирующий оледенение Антарктиды. Дно сосуда, за пределами холодильника, должным образом подогревалось. Сосуд вращался вокруг вертикальной оси. Величина подогрева и охлаждения и скорость вращения были подобраны так, чтобы моделировать изучаемый процесс не только каче­ственно, но и в определенной мере количественно, так как только при этом условии результаты эксперимента можно сопоставлять с наблюдениями в природе (рис. 31).

Модель циркуляции атмосферы

Модель циркуляции атмосферы

Наблюдения на модели велись путем непрерывного фотографирования подкрашенной во вращающемся сосуде жидкости.

В начале вращения над «Антарктикой» была хорошо видна куполообразная поверхность раздела холодного стекающего и теплого натекающего потоков жидкости. Потом на ней начинали образовываться волны, вскоре разрушающиеся у края и превращающиеся в вихри с вертикальной осью, непрерывно движущиеся вокруг «материка» — холодильника. В различных условиях число вихрей изменялось от 5 до 8, что хорошо согласовывалось с числом циклонов, обычно наблюдаемым в действительности, и числом, которое получалось из теоретической схемы циркуляции (рис. 32). Последующими экспериментами было установлено, что при установившемся режиме в определенных условиях возникает ритмический процесс, проявляющийся в том, что вокруг материка временами движется большее или меньшее число циклонов.

Фотография вихрей во вращающейся жидкостной модели атмосферы

Фотография вихрей во вращающейся жидкостной модели атмосферы

Однако на модели была обнаружена путем фотографирования только одна цепочка вихрей. Вероятно, на модели возникло и ближайшее к материку кольцо волн, но его не удалось обнаружить визуально. Объясняется это тем, что данные волны находятся в установившемся режиме, и вихри жидкости здесь не образуются. Наличие постоянной цепочки циклонов вокруг побережья Антарктиды создает перемежающийся циклонический режим ветра в этих районах, с которым связываются и местные циклонические течения в недалеких от берега областях Южного океана и его окраинных морей.

Стоковые ветры, являющиеся составной частью циркуляции воздуха над Антарктидой, возникающие в результате движения холодного воздуха вниз по склонам, под действием силы тяжести, особенно заметны на ледниковом склоне и у побережья. Особенно отчетливо и постоянно они наблюдаются на склоне, куда редко заходят циклоны и своими штормовыми режимами не нарушают их систематического потока. При надвижении циклона на побережье стоковые ветры «смываются» более мощными движениями атмосферы.

б) Циркуляция океана. Известно, что в процессе взаимодействия океана и атмосферы в тепловом отношении более активен океан, а в динамическом — атмосфера. Следовательно, тепловой режим океана можно считать более консервативным, менее изменяющимся под действием возникающих в нем течений. В свою очередь, можно считать, что все основные движения океана, исключая приливные, так или иначе связаны с ветром или полем атмосферного давления.

Поле давления создает в океане бароградиентные течения, распространяющиеся на всю толщу воды, а ветер — дрейфовые, охватывающие только поверхностные слои океана.

Создаваемые ветрами сгоны и нагоны воды приводят к возникновению в океанах и морях градиентных течений, обусловленных возникновением горизонтального градиента давления в водных массах, связанных с наклоном поверхности. Конвекционные течения в океане, обусловленные перераспределением плотности, а следовательно, и поля давления в зависимости от солености и температуры воды, не являются основными.

Северо-западные ветры, дующие в широком и сплошном кольце у северных границ Южного океана, создают мощный поток дрейфового течения. Если нет других течений, этот поток должен отклоняться у поверхности под действием силы Кориолиса влево от направления действия ветра примерно на 45°. С глубиной направление течения все больше и больше отклоняется влево, а скорость его уменьшается. Глубина, на которой направление течения противоположно направлению его у поверхности, называется глубиной трения. На этой глубине скорость дрейфового течения ничтожно мала по сравнению со скоростью его на поверхности. Если подсчитать суммарный поток воды, вызванный действием ветра на поверхность, то при большой глубине моря он направлен под углом 90° влево от направления ветра и прямо пропорционален скорости ветра.

Этот кольцевой поток дрейфового течения, отклоняясь от направления ветра влево (рис. 33) и встречаясь с циркуляцией вод умеренных широт южного полушария, создает здесь нагон (подъем уровня), в результате чего возникает наклон, направленный к югу, а следовательно, и градиент давления, направленный в ту же сторону. Массы вод в этой области океана откликаются на это градиентным течением. Такое течение, распространяясь до дна, охватывает всю толщу океана, а поток его в южном полушарии направлен влево под углом 90° к направлению градиента. В результате трения у дна режим течения начинает меняться подобно тому, как это происходит в поверхностных слоях при дрейфовом течении. Именно через этот придонный переходный слой сказывается влияние рельефа дна и на направление градиентного течения.

Возникновение дрейфово-градиентного потока Антарктического кругового течения

Возникновение дрейфово-градиентного потока Антарктического кругового течения

Таким образом, скорость и направление течения в поверхностном слое будут равны сумме скоростей градиентного и дрейфового потоков с учетом направления. Так возникает мощное течение Южного океана — Антарктическое круговое течение, охватывающее широкую область океана от субтропической до антарктической конвергенции.

Дальше к югу наблюдается полоса слабых течений восточного направления, являющегося отголоском мощной циркуляции воздуха к северу от этих мест. Еще далее к югу начинается зона устойчивых и сильных юго-восточных ветров муссонного и стокового происхождения. Как видим, у линии антарктической дивергенции возникают условия для образования дрейфовых течений циклонального характера (для южного полушария по часовой стрелке). Поскольку такая схема распределения ветра по широте является не сплошной, а чередующейся с областями затиший, обусловленных расположением неподвижных циклонов, разделенных гребнями повышенного давления атмосферы, эти циркуляции носят локальный характер и масштабы их соизмеримы с масштабами центров пониженного атмосферного давления. Но вообще говоря, если бы даже такая схема изменения ветра наблюдалась непрерывным кольцом, общего движения по часовой стрелке не установилось. Малая ширина зоны по сравнению с ее длиной по кругу широт привела бы к тому, что движение оказалось неустойчивым и она разбилась бы на более мелкие звенья.

Вернемся к вопросу о возникновении неподвижной цепочки циклонов и обсудим еще одну из возможных причин их возникновения.

Воды океана, так же как и атмосфера, выхолаживаются у материка и более нагреты в северных его областях. Картина циркуляции в толще вод оказывается в океане более сложной, чем в атмосфере. В результате возникают несколько поверхностей раздела, следы которых мы видим на поверхности в виде линий сходимости и расходимости потоков (конвергенции и дивергенций). Воды прибрежных областей Южного океана хотя и относительно холодные, но в силу меньшей солености более легкие, поэтому распространяются по поверхности до северной границы Антарктики — антарктической конвергенции — и определяют ее. Сложная циркуляция с поверхностью раздела возникает и в прибрежных областях, которая обусловлена особенностями ветровой циркуляции вблизи береговой черты.

Поскольку существует относительное движение слоев воды с различной плотностью, на них могут возникнуть внутренние волны, а из них образоваться вихри с вертикальной осью, подобные тем, которые возникают в атмосфере.

Такие вихри и могут представлять собой циклонические течения в прибрежных водах Южного океана. В свою очередь эти течения, создав подток более теплых вод с севера в сторону ма­терика, расчистят большие пространства ото льда. В таком случае возникнут условия более интенсивного локального теплового воздействия океана на атмосферу и над каждым таким «тепловым океаном» возникает область прогретого воздуха, т. е. область пониженного давления атмосферы со свойственной ей циклонической циркуляцией воздуха. Как видим, таким путем режим ветра и давления в атмосфере можно объяснить тепловым эффектом возникшего течения. Но для этого должно быть сохранено одно обязательное условие: вихри в океане, возникшие благодаря своим собственным внутренним процессам, даже в условиях вращения Земли, не должны смещаться относительно береговой черты. Но этот вопрос не исследован еще до конца. Однако представляется все же, что неподвижность вихревых течений относительно материка маловероятна. А если это так, то тогда придется согласиться с предположением о своеобразных «стоячих» волнах в атмосфере вокруг Антарктиды.

Все это показывает, как могут взаимно обусловливать друг друга описываемые процессы в атмосфере и океане. Поэтому, возможно, истина лежит в более сложном, чем нам сейчас представ­ляется, процессе их взаимодействия.

Теперь рассмотрим циркуляцию вод и взаимодействие ее с атмосферой у самого берега Антарктиды. Этот процесс очень интересен, но сложен. Попытаемся установить лишь связь ветра с те­чениями, т. е. выявить динамическое взаимодействие. Все, что касается теплового взаимодействия, осложненного процессами ледообразования, таяния и механического вскрытия ледового покрова, пока не поддается какому-либо точному количественному описанию.

Определяющим для этой области Южного океана будет береговой юго-восточный ветер.

Из исследований прибрежной циркуляции вод известно, что сгонным ветром, понижающим уровень воды у берега, не всегда будет береговой ветер, так же как нагонным не всегда является ветер, дующий с моря. Объясняется это уже известным нам фактом— отклонением суммарного дрейфового потока, или, как его называют, полного потока на 90° по отношению к направлению ветра. Таким образом, в южном полушарии наибольший эффект нагона будет наблюдаться тогда (если смотреть с берега на море), когда ветер дует справа налево вдоль основного направления береговой черты, а наибольший эффект сгона, когда ветер дует слева направо (рис. 34). Ветры, дующие перпендикулярно к береговой черте с материка или с моря, не вызовут ни повышения, ни понижения уровня воды, так как вызванные ими потоки будут направлены вдоль береговой черты. Следовательно, на побережье Антарктиды все ветры восточных румбов, дующие и с моря и с материка, будут нагонными, а западных — сгонными. Говоря так, мы имеем в виду осредненную береговую черту, совпадающую с кругом широт. В действительности в деталях это не так, но для получения общей картины дрейфа воды вокруг Антарктиды такое допущение возможно. При определении же местных особенностей циркуляции вод у берега, опираясь на приведенную закономерность, их надо определять с учетом истинного направления ветра по отношению к истинному расположению береговой черты на данном участке.

Прибрежное течение вокруг Антарктиды

Прибрежное течение вокруг Антарктиды

Существует еще одна особенность прибрежных ветровых течений: чем меньше глубина моря, тем больше направление полного потока дрейфового течения совпадает с направлением ветра. При изменяющейся и незначительной глубине возникает более сложная зависимость направления течения от направления ветра и уклона дна. Однако глубины моря у берегов Антарктиды, как правило, значительны, поэтому в первом приближении этим влиянием можно пренебречь.

Итак, юго-восточные ветры создают нагон у берегов Антарктиды, уровень воды несколько повышается, и возникает градиент давления, направленный от берега в море. В результате у берега появляется градиентное течение, направленное вдоль берега на запад. Ветровое течение на поверхности, отклоненное от направления ветра на 45°, совпадает с направлением градиентного потока, отчего суммарное течение в поверхностном слое воды у берега должно обладать достаточно большой и постоянной скоростью.

Вот это обстоятельство и позволяет утверждать, что в прибрежной полосе вокруг Антарктиды должно существовать устойчивое кольцо течения западного направления. Это подтверждается наблюдениями за течениями в прибрежной зоне океана. Однако имеются данные, свидетельствующие о существовании разрывов в этом кольцевом потоке. Надо полагать, что это связано с неточностью или недостаточностью наблюдений в отдельных районах побережья. Возможно также, что в этих случаях сказываются особенности очертания береговой линии (бухты, заливы, мысы). Если бы в этих районах производить наблюдения за течением на несколько большем удалении от берега, где влияние местной конфигурации береговой черты сгладилось, то вновь проявилась бы общая закономерность, обусловленная осредненным генеральным направлением берега материка, простирающегося с запада на восток. Несовпадение генерального направления береговой черты с параллелями могут привести к отклонению течения от западного направления, но не прервать его.

Ветер дует с берегов Антарктиды практически непрерывно, но вызванный им нагон и подъем уровня воды не может продолжаться бесконечно. Образовавшееся градиентное течение приводит к оттоку вод от берега и таким путем устанавливается определенное равновесие. Интересно проследить более детально за циркуляцией воды у берега, так как она существенно влияет и на тепловой режим.

Подток воды к берегу осуществляется в верхнем слое, равном глубине трения. Ниже расположен глубинный градиентный поток (рис. 35), направленный вдоль берега. В придонных слоях, под действием трения воды о дно, возникает поворот вектора скорости течения, причем суммарный поток придонного течения направлен в сторону моря. Он-то и обеспечивает отток нагоняемых в поверхностном слое вод. Но тогда в случае нагона у берега должно происходить опускание поверхностных вод. И действительно, это опускание происходит, но до сих пор ни теоретически, ни лабораторно, ни в природных условиях не удалось окончательно изучить структуру этих вертикальных потоков: их скорость, изменение по глубине, распространение по горизонтали не определены. Не удалось установить и границу, где эти вертикальные потоки по мере удаления в море прекращаются. В природе и в лабораторных условиях трудности определения вертикальных потоков связаны с их малостью по сравнению с горизонтальной составляющей скорости течения, теоретическое решение этой задачи пока не завершено из-за сложности уравнений, описывающих этот процесс.

Прибрежная циркуляция

Прибрежная циркуляция

Роль прибрежной циркуляции в теплообмене и массообмене очень велика. При нагонах в условиях средних широт температура воды повышается. Сгон в таких условиях приводит к подъему более холодных глубинных вод, что влечет за собой резкое понижение температуры воды. Так, например, умеренный ветер, дующий в течение суток в условиях Крымского побережья Черного моря справа налево, если стоять лицом к морю, приводил к понижению температуры воды у берега на 10°.

Постоянные сгонные для западных берегов пассатные ветры приводят на некоторых участках побережья к постоянному подъему глубинных холодных океанических вод. Так возникают отри­цательные аномалии температуры поверхностного слоя воды (рис. 36). С подъемом холодных глубинных вод. в частности, связан температурный режим северной части холодного Перуанского течения, распространяющегося с юга на север вдоль западного берега Южной Америки.

Аномалии температуры поверхностных вод Мирового океана

Аномалии температуры поверхностных вод Мирового океана

Более того, подъем глубинных вод, происходящий в результате сгона, влияет и на органическую жизнь в океане. Известно, что глубинные воды океанов, куда опускаются все умершие в толще воды организмы, очень богаты биогенными элементами, необходимыми для развития органической жизни. Такие воды, поднимаясь у берегов, в результате сгона резко повышают продуктивность в данном районе океана во всех звеньях органической жизни. Не случайно поэтому в таких местах сосредоточены наиболее богатые рыбные промыслы. Достаточно сказать, что именно в результате таких процессов продуктивность сравнительно узкой полосы вод Тихого океана вдоль побережья Перу и Чили оказалась максимальной по сравнению с продуктивностью всех других районов Мирового океана. В этой ничтожной по сравнению со всей площадью Мирового океана полосе вод, протянувшейся вдоль берега на 1000 км, имеющей ширину 75—100 км, добывается 1/5 часть всего мирового годового улова рыбы.

В Южном океане у берегов Антарктиды тепловой режим вод, связанный с прибрежной циркуляцией, очень сложный. Объясняется это как особенностями расположения источников и стоков тепла в океане, так и слоистой структурой его вод. Гидрологические разрезы, характеризующие тепловой режим вод у берега южнополярного материка, приведены на рисунке 37. Прогиб изотерм и изохалин при подходе к берегу наглядно свидетельствует о происходящем здесь опускании поверхностных вод. С этой прибрежной циркуляцией, надо полагать, связана и линия антарктической дивергенции — ближайшая к материку зона расхождения вод. Следует предположить (рис. 38), что там происходит подъем глубинных вод, связанный и с прибрежной циркуляцией. Часть этих вод движется к материку, увлеченная нагонными процессами, другая часть движется по поверхности в открытый океан до следующей характерной линии — линии антарктической конвергенции, покрывая всю поверхность океана до границы Антарктики.

Меридиональный прибрежный разрез

Меридиональный прибрежный разрез

Схема циркуляции антарктических вод

Схема циркуляции антарктических вод

Сгонно-нагонные процессы у берега при наличии ледяного покрова в зимних условиях происходят, естественно, несколько иначе, чем летом, когда лед разрушается и уносится в море от бере­гов Антарктиды. При условии сплошного неподвижного ледового покрова у берега и наличии большого количества плавучих и морских льдов режимы сгонно-нагонных течений изучены совсем мало, но общая картина процесса сохраняется.

Расчеты показывают, что при среднегодовом значении скорости юго-восточного нагонного ветра, равном 7 м/сек, на каждый погонный километр побережья Антарктики нагоняется, а, следо­вательно, затем опускается и оттекает в придонном слое около 30 км3 воды. Если умножить эту величину на протяженность побережья материка, приблизительно равную 15 600 км, то окажется, что в вертикальном обмене вод, связанном с прибрежной циркуляцией, участвует объем воды, равный около 470 тыс. км3 в год. Если сопоставить этот объем воды с объемом воды, сосредоточенном над материковой отмелью, то, принимая максимальную глубину в этой зоне океана, равной 200 м, а ширину при постоянном уклоне дна, равной 100 км, окажется, что этот объем может сменяться в течение года 2—3 раза.

По мере изменения направления ветра с удалением от берега в открытое море от восточного течения начинают ответвляться потоки с северной составляющей скорости течения. Они-то и вы­носят льды и айсберги в более северные широты. Движение плавучих льдов, благодаря влиянию парусности, меньше отклоняется от направления действия ветра, чем поверхностные слои воды. Это ускоряет их движение на север. Смещение айсбергов на север происходит со скоростью смещения водных масс.

Однако вертикальный обмен вод не ограничивается только прибрежными районами океанов. При определенных системах ветров сгонно-нагонные процессы с подъемом и опусканием уровня могут возникнуть и в открытых областях океана, создавая зоны сходимости и расходимости горизонтальных потоков течения на поверхности, где соответственно будут возникать области подъема и опускания морских вод. Однако следует предположить, что столь интенсивными, как у берега, такие области подъема и опускания вод быть не могут.