Влияние течения Гольфстрим на климат умеренных широт

Размещено на http://www.allbest.ru

2

Размещено на http://www.allbest.ru

Влияние течения Гольфстрим

на климат умеренных широт

(Курсовая работа)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Циркуляция и динамика поверхностных и глубинных вод в Северной Атлантике

1.1 Поверхностные воды

1.2 Глубинные воды

Глава 2. Общие представления о системе течений Гольфстрим

2.1 История развития представлений о Гольфстриме

2.2 Составные части Гольфстрима

2.2.1 Истоки Гольфстрима

2.2.2 Собственно Гольфстрим

2.2.3 Разветвления Гольфстрима

Глава 3. Характеристика системы течений Гольфстрим

3.1 Скорости и расходы воды истоков Гольфстрима

3.2 Скорости воды собственно Гольфстрима

3.3 Меандры и вихри Гольфстрима

3.4 Поле температуры и его изменение

Глава 4. Влияние течения Гольфстримна климат Европы

4.1 Взаимодействие с атмосферой

4.2 Влияние на климат Европы

Заключение

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

гольфстрим вихрь вода

Гольфстрим - одно из мощнейших течений в Мировом океане и самое мощное теплое течение на планете. Его название переводится дословно с английского языка выражением «Река из залива».

Представления о системе течений Гольфстрим развивались еще с древних времен. Краткая история изучения Гольфстрима будет описана во второй главе. На современном этапе данной проблемой занимались и занимаются европейские и американские ученые. Не составляет исключение и суверенная Россия. Еще, будучи в составе СССР, Россия отправляла экспедиции в район Гольфстрима. В них принимали участие такие суда как «Академик Мстислав Келдыш», «Академик Вавилов», «Академик Иоффе», «Профессор Штокман», «Рифт», «Шельф». На их бортах производились высокоточные гидрологические разрезы, где определялась температура, соленость, скорость течений, концентрации кислорода, силикатов и нитратов. Со стороны России Гольфстрим изучали Н. Д. Демидов, С. А. Добролюбов, С. С. Лаппо, В. П. Терещенков, Е. Г. Морозов, Н. П. Лавевров, Е. И. Баранов и др.

Актуальность данной работы состоит в том, что в последнее время в средствах массовой информации появились сообщения о том, что глобальное потепление может нарушить равновесие в Гольфстриме и произойдет похолодание в Северной Америке и Европе [4, 19]. Все это не является выдумкой, поскольку установлено, что вследствие таяния ледников, образуется холодная пресная вода, которая менее плотная, чем морская при такой же температуре, и такая вода остается на поверхности, охлаждая океан.

Объектом исследования выступает течение Гольфстрим, предметом - его влияние на климат умеренных широт.

Целью данной работы является изучение процессов происходящих не только в самом Гольфстриме, но и во всей северной Атлантике. Это изучениенеобходимо для того, чтобы определить, как взаимодействуют между собой атмосфера и океан, и как эти процессы влияют на климат умеренных широт в северном полушарии.

Задачи данной работы сводятся к следующим:

описать общую циркуляцию воды в северной Атлантике;

дать общие представления о системе течений Гольфстрим;

описать важнейшие параметры Гольфстрима: скорость, температуру и расходы воды;

оценить влияние Гольфстрима на климат Европы и сравнить эти данные с климатом более удаленных от Атлантики регионов.

При подготовке работы использована научная литература, материалы Института водных проблем РАН, и океанографического института им. П. П. Шишкова, а также информация из учебных пособий по климатологии и океанологии.

ГЛАВА 1. ЦИРКУЛЯЦИЯ И ДИНАМИКА ПОВЕРХНОСТНЫХ И ГЛУБИННЫХ ВОД В СЕВЕРНОЙ АТЛАНТИКЕ

1.1. Поверхностные воды

Циркуляция вод Северной Атлантики неразрывно связана с другими акваториями: Южной Атлантикой, Северным Ледовитым океаном, а Южная Атлантика в свою очередь связана с Тихим океаном, именно из Индийского океана поворачивает Бенгельское течение. Для более наглядного понимания сути вопроса рассмотрим фрагмент карты океанических течений, а конкретно для Атлантического океана и части, прилегающих к нему акваторий (рис. 1.1).

120є	80є	40є	0є	40є
	880є
	60є
	40є
	20є
	0є
	20є
	40є
	60є

Рис. 1.1. Схема общей циркуляции вод Атлантического океана [15]

Течение Западных Ветров питает Бенгельское течение, оно достигает экватора, где разогревается и разветвляется на две ветви, одна из которых подпитывает Гвианское течение, которое в свою очередь является одним из источников питания Гольфстрима. В этом и заключается связь с Южной Атлантикой и Тихим океаном.

Теперь перейдем к Северной Атлантике. Здесь сложилась замкнутая система поверхностных течений, которые перемещаются по ходу часовой стрелки. Это движение связано с действие постоянного Азорского максимума, который своими ветрами принуждает воды циркулировать именно таким образом. Итак, начнем с Северного Пассатного течения. Оно возникает под действием постоянно дующих с северо-востока пассатов, и несет свои воды в сторону Карибского бассейна. Когда оно доходит до цепи Малых Антильских островов, часть воды все-таки проходит в Карибское море, а друга часть вынуждена поворачивать направо под действием силы Кориолиса и подпора сзади, образуя Багамское течение, которое соединяется с Флоридским и образует Гольфстрим. Он в свою очередь доходит до Ньюфаундленда, где разветвляется на несколько ветвей, одна из них порождает Португальское течение, которое, достигая берегов Португалии и северо-восточного побережья Африки, поворачивает вправо, порождая Канарское течение, которое вследствие оттока воды от западного побережья Африки устремляется на юг. Таким образом, круг замыкается, при этом в него поступает новая порция вод из Южной Атлантики, а часть уходит вместе с другими ветвями Гольфстрима в северные районы Атлантики.

Происходящее в северной части Атлантики и южной части Северного Ледовитого океана представляет еще больший интерес. Здесь течения не образуют такое значительное кольцо. В этом месте Северо-Атлантическое течение разветвляется на множество более мелких течений, которые доходят до Карского моря, заходят далеко на север от архипелага Шпицберген. Небольшое кольцо формируется в районе Исландского минимума. Здесь от Северо-Атлантического течение ответвляется течение Ирмингера, которое движется вдоль восточного побережья Гренландии. По мере своего движения это течение сталкивается с холодным Восточно-Гренландским течением, не достигая побережья Гренландии. Течение Ирмингера проникает в море Лабрадор, но холодные распресненные воды вытесняют менее плотные теплые воды назад в район первичного разветвления Гольфстрима. Оставшаяся часть Северо-Атлантического течения движется дальше в Северный Ледовитый океан. Там оно переходит в Норвежское. После того как это течение доходит до более мелкой зоны, где дно рассечено многочисленными подводными порогами, оно разветвляется на еще более мелкие ветви - это Шпицбергенское и Нордкапское течение. Шпицбергенское течение достигает архипелага Шпицберген, а Нордкапское проникает в Баренцево море, вплоть до Карских Ворот, благодаря чему большая часть акватории Баренцева моря не замерзает зимой, в т. ч. и портовый город Мурманск.

1.2 Глубинные воды

Наибольший интерес представляет происходящее на глубинах
свыше 500 м. Обычно люди представляют себе, что теплые воды после достижения ими высоких широт охлаждаются и опускаются и перетекают в низкие широты по дну, где могут подниматься и нагреваться снова, эти представления отчасти верны, но не все так просто.

Рассмотрим основные водные массы, которые наблюдаются в районе действия Гольфстрима. В результате разрезов в Северной Атлантике были выявлены промежуточные и глубинные водные массы, среди них можно выделить следующие: Северо-западную глубинную (СЗГВ), Северо-восточную глубинную (СВГВ), Донную восточного бассейна (ДВ), Лабрадорскую (ЛВ), Средиземноморскую (СВМ), Исландскую промежуточную (ИПВ) и Арктическую промежуточную (АПВ), а также антарктические сильноизмененные воды (ААДВ), которые выделяются южнее 30є с. ш.

Теперь кратко опишем эти массы.

СЗГВ формируется в результате перетекания зимой через Датский пролив АПВ, при последующем движении вдоль склона Гренландии и опускании АПВ частично перемешивается с окружающими ее СВГВ и ЛВ. Эта масса наиболее плотная и наиболее холодная из всех рассматриваемых.

СВГВ формируется аналогично СЗГВ при перетекании АПВ порогов Фарерско-Исландского хребта, однако здесь есть существенное отличие: при опускании эта масса смешивается с гораздо более теплыми водами, которые имеют частично средиземноморское происхождение.

Различия в температурах между СЗГВ и СВГВ обусловлено наличием Срединно-Атлантического хребта (САХ), и более холодные и тяжелые воды не могут перевалить через САХ.

ДВ образуется при смешивании СВГВ и сильно трансформированной арктической промежуточной массы.

ЛВ образуется зимой в центральной части моря Лабрадор в результате вертикальной конвекции. Для нее характерна минимальная соленость.

СВМ представляет собой соленые и плотные воды Средиземного моря, вытекающие из Гибралтарского пролива. Эта масса воды опускается до глубины 1000 м, и распространяется по Атлантике на запад, юго-запад и север.

ИПВ представляет собой продукт окончательного преобразования средиземноморских и арктических вод, ее отличительный признак - минимальное содержание растворенного кислорода.

АПВ образуется в Северном Ледовитом океане в результате конвекции и интенсивной теплоотдачи пришедших с юга поверхностных масс. В Северной Атлантике она в чистом виде не встречается, поскольку смешивается с другими глубинными водными массами, а ее характерным признаком является повышенное содержание биогенных элементов.

ААДВ образуется около побережья Антарктиды в результате конвекции и трансфронтального обмена. Все эти процессы приводят к тому, что Антарктические воды уплотняются и опускаются в придонные слои. Распознать эти массы можно по наличию биогенных элементов, относительно высокому содержанию кислорода. В Северной Атлантике эти масса в чистом виде не встречается. По пути к экватору ААДВ смешивается с другими массами и постепенно трансформируется. Доходя до районов действия Гольфстрима, эта масса практически полностью теряет свои свойства и кардинального влияния на общий фон температур практически не оказывает.

В 1980-х гг. было выявлено, что ЛВ изменяется во времени, особенно ее ядро. Изменяется соленость плотность и температура этой водной массы. Если до 1964 г соленость этой массы практически не менялась, равно как и температура, которая составляла в среднем +2,5єС. В 1983 г в ядре стал проявляться едва различимый минимум, который отличался по солености не более чем на 0,01‰, а температура в ядре была на 0,1єС меньше, чем в окружающей воде. Совсем иная картина наблюдалась в 1990-х гг., когда минимум уже отличался на 0,06‰, а температура при этом упала на 0,5 - 0,7єС. Это говорит о том, что ЛВ уплотняется и углубляется. Похожее состояние наблюдалось и в 1950-х годах [1].

Если проанализировать динамику температур за период с 1950-х до 1990-х во всей Лабрадорской массе, то окажется что в разные периоды эти массы вели себя по-разному. С конца 1950-х до начала 1980-х годов отмечался прогрев, за исключением самых восточных разрезов. Максимальный подъем температур наблюдался в западном бассейне и составил 0,25 - 0,32єС. При этом ЛВ значительно ослабевала.

Все эти изменения могут вызывать несколько сценариев развития циркуляции и меридионального переноса тепла. В 1970-х гг. имело место уменьшение воспроизводства ЛВ, в связи этим ЛВ была распространена в верхнем слое. Это привело к интенсификации конвекции и переноса тепла в 1980-х. В 1990-х ЛВ начала охлаждаться, опреснятся и уплотнятся, ее ядро заглубилось, масса стала продвигаться значительно южнее и в результате развилась трехслойная циркуляция (рис 1.2).

При первом сценарии, когда развита типичная одноячеистая циркуляция, осуществляется значительный перенос теплоты (до 1,3 ПВт) на север. При этом выход ЛВ пониженный.

При втором сценарии, когда в циркуляции развито две ячейки, перенос тепла в высоких широтах уменьшается почти в два раза (0,5 - 0,7 ПВт)

Такие колебания являются важным индикатором изменения циркуляции в Северной Атлантике. Ослабление образования ЛВ приводит к благоприятным условиям для возникновения глубинной конвекции в море Лабрадор за счет принесение теплых и соленых вод в более высокие широты. В свою очередь активное образование ЛВ замедляет конвекцию и снижает количество поступающих вод, а это ослабляет ЛВ, таким образом, круг замыкается и процесс имеет определенную цикличность, однако для того, чтобы установить периодичность этих явлений необходимо проводить наблюдения до тех пор, пока эта закономерность не выявится полностью.

Чтобы наглядно представить изменения общего потока теплоты и потока на единицу площади, рассмотрим таблицу 1.1.

Таблица наглядно показывает, что, при усилении ЛВ, поток тепла через более низкие широты снизился, по сравнению с периодами типичной циркуляции. В это время ЛВ проникает на юг дальше и действует на меньшей глубине, в то время как антарктические воды заходят далеко на север и не дают опускаться ЛВ глубже (рис 1.2). При всем этом СВГВ не достигает дна, хотя она более прогретая, нежели СЗГВ и таким образом ее вклад уменьшается, а в высоких широтах меридианальный перенос тепла наоборот возрос. В 1950-е и 1990-е годы наоборот энергообмен был направлен в другую сторону. В высоких широтах перенос тепла был значительно меньше, зато он был увеличенным в более низких широтах.

Рис. 1.2. Схематическая циркуляция вод в Северной Атлантике [1]

типичная (А) и аномальная (Б)

Таблица 1.1

Разница в меридиональном потоке тепла в Северной Атлантике между районами 24 - 36 и 36 - 48є с. ш. [1]

Годы	24 - 36є с. ш.	36 - 48є с. ш.
	ПВт	Вт/м2	ПВт	Вт/м2
1950-е	0,91±0,38	105±44	0,20±0,28	34±47
1980-е	0,19±0,26	22±30	0,67±0,20	103±31
1990-е	0,84±0,24	95±27	0,17±0,19	35±39

Влияние на климат этой динамики пока тоже изучено недостаточно, однако появилось две точки зрения по поводу этого вопроса.

Первая заключается в том, что изменения свойств ЛВ не оказывает никакого существенного влияния на климат. Н. П. Лаверов и
С. С. Лаппо утверждают, что объема ЛВ не хватит, чтобы кардинально изменить направление течения и интенсивность конвекции, т. к. уменьшение потока тепла в высоких широтах компенсируется увеличением переноса теплоты в низких широтах. Поэтому при рассмотрении динамики водных масс ученые рассматривают ЛВ лишь как индикатор состояния вод северной Атлантики.

Вторая точка зрения сводится к следующему. Некоторые ученые (например, физик-теоретик А. Зангари) считают, что ЛВ является ключевым фактором, влияющим на распределение температуры и скорости течений внутри Гольфстрима. Главным фактором является плотность этой массы, которая всего лишь на 0,1% плотнее, и значительно холоднее Гольфстрима. Как утверждает А. Зангари, в случае распреснения ЛВ сравняется по плотности с Гольфстримом, и значительно охладит его. Это вызовет негативные последствия для стран Северной Европы в т. ч. погодные аномалии, которые проявляются уже сегодня.

Изучив поверхностную и глубинную циркуляцию можно сделать вывод о том, что однозначный ответ на вопрос о том, как влияет динамика ЛВ на климат Европы, пока не дан. Чтобы ответить на этот вопрос необходимо дальше исследовать эти регионы с целью выявления взаимосвязи между динамикой глубинных вод и погодными аномалиями в прилегающих районах Земли.

ГЛАВА 2. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СИСТЕМЕ ТЕЧЕНИЙ ГОЛЬФСТРИМ

2.1 История развития представлений о Гольфстриме

Уже с древних времен люди предполагали, что в северной части Атлантического океана есть мощное течение. Возможно, об этом могли знать викинги, древние греки и карфагеняне. Догадки эти были вполне обоснованы теми фактами, что периодически на побережье Западной Европы выбрасывало весьма удивительные вещи не характерные для этих мест, например, иногда туда выбрасывало кокосовые орехи, а часто бутылки с посланиями от затонувших кораблей.

В Древней Греции и Древнем Риме знали о том, что в Атлантическом океане есть мощное теплое течение, которое согревало жителей этих стран. Древние мореплаватели даже могли пользоваться этим [12]. В средние века, когда в Европе католическая церковь имела наибольшее влияние, знания были забыты и потеряны, а представления о Гольфстриме не развивались. У большинства людей попросту их не было. Ситуацию смогли переломить лишь Великие географические открытия, но и тогда многие исследователи не знали о том, в какие течения они попадали во время своих плаваний.

В XV веке начинается эпоха великих географических открытий и исследования океанов. Еще Х. Колумб, совершая плавание в 1492 г. заметил, что его судно плывет гораздо быстрее запланированного, таким образом он, не догадываясь, открыл Канарское течение. Позже он заметил, что существует мощное течение, впадающее в Карибское море, а затем в Юкатанский пролив. Обстоятельства сложились таким образом, что корабль Колумба развернулся на 180є и облегчил путь мореплавателям, причем сам Колумб об этом не знал. Через пять лет Братья Каботы, доплыв до Лабрадорского течения (понятно, что они этого не знали), открыли противотечение, которое двигалось на юго-запад [6]. Достоверное описание существования Гольфстрима появилось в 1513 г, когда Хуан Понс де Леон описал Флоридское течение, и объяснял его образование стоком речных вод в Мексиканский залив, впоследствии выяснилось, что это неверно, а расход воды во Флоридском течении превышает сток в Мексиканский залив в 100 раз. В 1663 г было установлено, что в Северной части Атлантики воды движутся почасовой стрелке, и полагали, что виновником этого явления было Солнце, которое притягивало огромные массы воды к экватору, а те отклонялись на север при столкновении с берегами Америки, следуя за ним. В XIX в. появились новые возможности для исследования Гольфстрима и его системы течений. Начали проводиться наблюдения вертикального разреза этих вод. Джон Эллиот Пилсбери в 1885 г показал то, как можно измерить скорость течения по градиенту плотности воды точно так же как скорость ветра по градиенту атмосферного давления. Как известно соленость и температура в разных частях океана разные, поэтому и возникла необходимость учитывать эти показатели при расчетах.

В 1931 г. был основан институт океанографии в Вудс-Холе, и появилось исследовательское судно «Атлантис», которое периодически в разные сезоны года делало разрезы через Гольфстрим между Бермудскими островами и мысом Монток. Определялась соленость и температура вод. В послевоенные годы также проводились исследования. Было открыто течение Склоновых вод, выяснено, что Гольфстрим разветвляется как минимум на четыре широких потока, проведены разрезы по разным показателям.

Наиболее полные представления ученых сложились уже в 1970 - 1990-х гг. прошлого столетия, когда спутниковые снимки и дрейфующие буйки позволили выявить в Гольфстриме наличие вихрей и меандров, а также неоднородности в распределении температур и соленостей. Была изучена глубинная циркуляция, и оказалось, что она гораздо сложнее поверхностной.

2.2 Составные части Гольфстрима

Гольфстрим представляет собой систему течений в западной и северной части Атлантического океана общей длиной свыше 10 тыс. км, направленных от берегов Флориды к Северному полярному бассейну. Согласно И Айселину, система разграничена на следующие течения: Флоридское, собственно Гольфстрим, Северо-Атлантическое, Португальское, Ирмингера и Норвежское [3]. Флоридское течение располагается от острова Драй-Тортуас до мыса Хаттерас, собственно Гольфстримом названа часть системы, простирающаяся от мыса Хаттерас до южной оконечности Большой Ньюфаундлендской банки, течение, идущее на северо-восток, получило название Северо-Атлантическое. Оно, двигаясь к северу Атлантического океана, образует многочисленные ответвления, основными из которых являются Португальское течение, течения Ирмингера и Норвежское течение, Норвежское в свою очередь разветвляется на Шпицбергенское и Нордкапское.

Существенными чертами, объединяющие данные течения в одну систему являются: наличие теплого ядра на протяжении всей системы, т. е. вод, имеющих значительно более высокую температуру в сравнении с окружающими водами в течение всего года; наличие резкого гидрологического фронта; неразрывная полоса максимальных скоростей течений. Последние измерения на кораблях (непрерывная регистрация температуры воды) подтвердили гипотезу о том, что Гольфстрим является «рекой теплой воды» в поверхностном слое океана [8].

2.2.1 Истоки Гольфстрима

Главными источниками для питания Гольфстрима служат пассатные течения, которые нагоняют воду сначала в Карибское море, а затем в Мексиканский залив. Поскольку проливы между островами довольно глубокие, Северное пассатное течение практически полностью попадает в Карибский бассейн, и лишь его небольшая часть обходит его стороной, образуя Антильское течение. С Южным Пассатным течением (ЮПТ) все куда интереснее, оно получает питание от Бенгельского течения. Из-за того, что Южная Америка имеет форму клина, ЮПТ в районе мыса Сан-Роки разветвляется на две ветви. Северная ветвь называется Гвианским течением, оно проходит вдоль побережья Южной Америки, попадая большей частью через глубокие проливы, проникает в Карибское море. Оставшаяся часть воды огибает Антильские острова и образует Антильское течение. Воды Гвианского и Северного Пассатного течения формируют Карибское течение, идущее до Юкатанского пролива. Расходы воды в этих местах приблизительно равны и составляют 30Ч106 м3/с. Таким образом, Мексиканский залив переполняется теплой водой и большая часть вод, попавших в Мексиканский залив, сразу же направляется к Флоридскому проливу. Другая их часть образует петлеобразное течение в Мексиканском заливе, и совсем незначительная часть проходит вдоль шельфа по часовой стрелке и только потом направляется во Флоридский пролив. Получается, что уровень воды в Мексиканском заливе выше уровня окружающих вод, поэтому образуется узкое градиентное течение - Флоридское.

Флоридское течение является основным источником Гольфстрима. Плотность воды, проходящей через Флоридский пролив, перераспределяется таким образом, что более легкая вода находится с правой стороны (если смотреть по течению), а более плотная с левой. Поверхность моря поднимается к правой стороне так, что уровень моря у побережья Кубы на 45 см. выше, чем у берега Флориды. Другим его источником является Антильское течение, которое сливается с Флоридским севернее Бермудских островов. Именно с этого района и начинается собственно Гольфстрим.

2.2.2 Собственно Гольфстрим

Южнее мыса Хаттерас Гольфстрим не отходит далеко от шельфа Северной Америки, а севернее он начинает поворачивать на восток (рис 2.1). Разные ученые объясняют это явление по-разному. Дефант считает, что причинами этого поворота являются преобладающие ветры со стороны материка и влияние силы Кориолиса. Б. Уоррен же пришел к выводу, что на этот поворот влияет рельеф дна этого района. Он заметил, что около Большой Ньюфаундлендской банки располагается несколько горных цепей, таких как Юго-Восточный хребет и продолжение гор Новой Англии, кроме того ширина шельфа Северной Америки увеличивается к северу от мыса Хаттерас на 150 - 200 км. Конфигурация шельфа и подводных хребтов образует своеобразные направляющие для основного потока. Юго-Восточный хребет, отдельные вершины которого возвышаются над окружающим дном на 950 м можно сравнить со своеобразным ситом, которое разделяет поток на несколько более мелких.

Согласно схеме И. Айселина, Гольфстрим следует вдоль шельфа Северной Америки до мыса Хаттерас (рис 2.1). Потом он, меандрируя, направляется на восток до 50є з. д. В этом месте он разветвляется на две ветви, одна из которых поворачивает назад на юго-запад.

Гольфстрим расположен между теплыми и солеными водами Саргассова моря и холодными и менее солеными водами арктического и прибрежного происхождения. На самой границе этих вод и расположено течение. Положение гидрологического фронта тесно связано с положением зоны максимальных скоростей Гольфстрима. Воды, которые пришли из Мексиканского залива беднее кислородом, чем воды Антильского течения.

Рис. 2.1. Гольфстрим 21.04.1974 [14]

(Снимок со спутника в инфракрасном диапазоне)

Кроме повышенной температуры воды Гольфстрима характеризуются повышенной соленостью, причем соленостный максимум в начале течения лежит выше термического, иногда выходя на поверхность, а в Северо-Атлантическом течении вновь опускается. В то же время в промежуточных водах Гольфстрима, поступающих из Флоридского пролива, наблюдается минимум солености на глубине 600 - 800 м. Это связано с проникновением промежуточных вод из Южной Атлантики.

2.2.3 Разветвления Гольфстрима

До начала 60-х гг. XX в. не было ясного представления о процессе разветвления Гольфстрима и его причинах. Некоторые исследователи даже не признавали этот факт, и месторасположение ветвей тоже было неизвестно.

Установлено, что к южной оконечности Большой Ньюфаундлендской банки доходят два потока - это течение склоновых вод и собственно Гольфстрим. Натыкаясь на юго-восточный Ньюфаундлендский хребет
(39є с. ш., 44є з. д.), воды вынуждены разветвляться на ряд потоков, образующих САТ и ряд вихрей разного масштаба. Северная ветвь САТ образуется в результате перемешивания течения склоновых вод. Центральная ветвь САТ является продолжением собственно Гольфстрима, и его левая граница формирует субполярный гидрологический фронт. Эти ветви пересекают хребет и круто поворачивают на север.

Достигнув 50є с. ш. и 40є з. д. эта ветвь поворачивает на северо-восток, образуя по пути меандры. На широте Шотландии совместно с северной ветвью эта ветвь образует течение Ирмингера, хотя основная часть вод все же переваливает через хребет Томсона и попадает в Норвежское море, где называется Норвежским течением. Южная ветвь САТ образуется из той части Гольфстрима, которая огибает с юга Ньюфаундлендский хребет и следует на восток, постепенно отклоняясь вправо. Там она продолжается в виде неустойчивого потока (Португальское течение), и, пройдя между Испанией и Азорскими островами, дает начало Канарскому течению. Это район первого разветвления. Район второго разветвления находится в Норвежском море, где Норвежское течение разветвляется на Нордкапское и Шпицбергенское.

Итак, подведем итоги. Общие представления о системе течений Гольфстрим сводятся к следующим:

Известно, что Гольфстрим представляет собой сложную систему течений, растянувшуюся на 10000 км от Мексиканского залива до Баренцева моря.

Основная причина образования Гольфстрима - это разница плотности, температуры и солености (т. е. течение по своей природе является градиентным) и избыточный нагон воды в Мексиканский залив, посредством пассатных течений, которые и создают этот градиент [7].

Гольфстрим имеет два района разветвления (см. выше). Таким образом, его воды могут проникать практически во все районы Северной Атлантики за исключением внутренних морей в Европе и восточного побережья Исландии и Северной Америки к северу от мыса Хаттерас.

ГЛАВА 3. ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМЫ ТЕЧЕНИЙ ГОЛЬФСТРИМ

Океанические течения - сложный комплекс перемещений воды, которые изменяются во времени и пространстве. Любое течение имеет свою уникальную динамику, и Гольфстрим не исключение из общего правила.

3.1 Скорости и расходы воды истоков Гольфстрима

Флоридское течение, как это уже было сказано, является главным истоком Гольфстрима, поэтому очень важно знать его основные характеристики и их изменение во времени и пространстве. Чаще всего расход и скорости воды определяются при входе во Флоридский пролив по линии Ки-Вест - Гавана и после выхода на плато Блейк. По единичным данным расход течения во Флоридском проливе составил 26Ч106 м3/с, 30 - 34Ч106 м3/с, 26 - 30Ч106 м3/с, 47,5Ч106 м3/с. Во Флоридском течении наблюдаются высокие скорости перемещения воды в поверхностном слое. По данным измерений максимальные значения характерны для зимнего времени, они достигают 335 см/с, а летом 334 см/с. Осредненные скорости равны 136 см/с летом и 115 см/с зимой [18].

Наблюдения 1950 - 1970-х годов прошлого столетия показало, что, несмотря на столь разные результаты единичных измерений все же имеется некоторая временная закономерность расхода воды. В годовом ходе расхода воды наблюдается максимум в июле - августе и два незначительных максимума в декабре и феврале. Значительный минимум наблюдается, как правило, в январе, а два менее значительных в ноябре и марте [2].

В это же время задумывались и над основной причиной столь огромного расхода воды в системе течений Гольфстрим, и эта причина - ветер. В. Манк установил, что расход воды пропорционален завихренности поля ветра над Атлантическим океаном. Ему удалось получить соответствие между значениями расходов, вычисленных с помощью среднего напряжения ветра над Атлантикой и известным средним значениям расходов воды. Такая же зависимость наблюдается и во Флоридском течении.

Динамическая структура вод в районе Багамских островов имеет сложный характер. Антильское течение, как правило, само по себе примыкает к склону Багамских островов, хотя иногда его стрежень отклоняется в сторону моря. Само Антильское течение иногда может разделятьсяслабым противотечением, либо существует как поток с двумя ядрами, где повышены скорости течения. Ширина Антильского течения колеблется от 110 км, когда оно течет единым потоком до 330 км, когда имеет два ядра скоростей. Максимальное значение скоростей колеблется от 20 до 50 см/с и это наблюдается в слое воды до глубины 400 м. Что касается годовой динамики, то тут все же наблюдается некоторая закономерность. У Антильского течения максимум расходов наблюдается в летние месяцы, а минимум зимой, причем наступление фаз колебаний расходов варьируется во времени, т. е. возможен сдвиг наступления фаз на два месяца.

3.2 Скорости воды собственно Гольфстрима

Ранее ввиду отсутствия спутниковых технологий измерить скорости в районе действия собственно Гольфстрима было проблематично вне гидрологических разрезов. В 1970-х годах прошлого столетия появились дрифтеры - специальные океанографические дрейфующие буйки, которые после запуска, посредством спутниковой связи, могли передавать информацию о скорости, температуре и солености воды в реальном времени в Центр сбора данных. Всего было запущено 400 дрифтеров за 1980-е годы. Благодаря этим устройствам был собран колоссальный объем данных, который позволил ученым получить наглядное представление о том, как распределяются скорости не только в районе Гольфстрима, но и во всей Северной Атлантике. Рассмотрим трассу одного из многих дрифтеров, запущенных недалеко от Флориды в апреле 1999 г. (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Трасса дрифтера запущенного в апреле 1999г (вверху) и

график модуля скорости (внизу) [9]точками указаны положения дрифтера через 24, 48, 72, 96 суток и т. д.

Как выяснилось, Гольфстрим не всегда ведет себя как однородная струя воды. Равномерным потоком он течет до мыса Хаттерас, а вот потом все изменяется. Натыкаясь на течение склоновых вод и Лабрадорское течение, он образовывал вихри и меандры.

Дрифтер придерживался определенного направления в течение 42 суток. После этого она начал менять направление, меандрируя вместе с водными массами. Показания скорости при этом были максимальные. После выхода из Флоридского течения, местами она достигала 2,4 м/с, однако в среднем составляла 0,8 - 1 м/с.

После 72 суток плавания, скорость существенно уменьшилась и уже составляла 0,3 - 0,4 м/с. Однако, это все же существенное значение, в то время как средняя скорость многих течений не превышает 0,1 - 0,2 м/с. Количество меандров существенно возросло в районе 40є с. ш. и 55є з. д., а дрифтер стал чаще менять направление своего движения. Через 216 суток плаванья дрифтер попадает в зону завихрений, где находится в течение 72 дней, при этом его скорость оставалась такой, какой она была до этого, но ввиду частой смены направления движения, дрифтер существенно не приблизился к берегам Европы. Лишь через 72 суток дрифтер выплыл из этого района
(45є с. ш. и 40є з. д), но это трасса только одного из них. Для того, чтобы понять, как вели себя дрифтеры в разные промежутки времени, проанализируем рисунок 3.2.

Рис. 3.2. Трассы дрифтеров, запущенных в разное время недалеко от Флориды [9]

Рисунок 3.2 показывает, что все устройства сохраняли одно стабильное направление до 35є с. ш. и 67є з. д. Это тот район, где скорость Гольфстрима наибольшая и наблюдается меньше всего вихрей и меандров, т. к. нет резкого гидрологического фронта, который бы вынуждал течение меандрировать и замедляться. В том же районе где этот фронт стал возникать, и начались меандры и вихри, и как показывает рисунок, часть дрифтеров попадала в антициклонические вихри, а часть проходила по основному потоку, но попадала в циклонические вихри в районе 38є с. ш. и 55є з. д. В этом районе образуются как циклонические, так и антициклонические вихри в разное время. Дрифтеры, которые попадали в меандры, направленные в разные стороны отклонялись по-разному: одни влево, другие вправо, все это происходило вплоть до района разветвления Гольфстрима. Но фактически дрифтеры уже были разделены, и им оставалось только следовать вместе с водными массами. Таким образом, получается что часть, которая отклонилась вправо, следует в сторону Азорских островов, а та, которая отклонилась влево, следовала по направлению к Европе.

Проанализируем общее поле скоростей в районе действия Гольфстрима, его разветвления и прилегающих акваториях (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Схема течений Атлантики в северном полушарии,

построенная по ансамблю всех дрифтерных наблюдений [18]

1 - Гольфстрим,2 - Гвианское течение, 4 - Лабрадорское течение, 6 - Канарское течение

По распределению скоростей район действия Гольфстрима выделяется отчетливо. На выходе из Флоридского пролива четко видна зона с высокими скоростями. Эти векторы направлены на север, и они показывают, что скорости здесь максимальны. Значения скоростей здесь составляет от 1,0 до 1,5 м/с. После достижения мыса Хаттерас скорости снижаются и составляют в среднем 0,4 - 0,5 м/с. Севернее мыса Хаттерас появляются неоднородности в поле скоростей. Векторы начинают отклоняться от основного потока сначала на небольшие углы (около 5є), а затем в районе разветвления собственно Гольфстрима эти отклонения возрастают до 20 - 30є.

Поведение Гольфстрима южнее мыса Хаттерас вполне предсказуемо. Он движется вдоль побережья Северной Америки единым мощным потоком, в котором скорости явно больше, чем 0,5 м/с. После того как течение отклоняется от побережья, скорости потока уменьшаются. В поле скоростей появляются неоднородности, которых становится все больше при продвижении к району разветвления. Что же могло вызвать такие неоднородности? Ответ прост - это вихри и меандры.

Рис. 3.4. Схема течений Северной Атлантики,построенная по ансамблю всех дрифтерных наблюдений [18]Красным цветом выделены участки трасс дрифтеров, когда их скорость превышала 50 см/с

После разветвления скорость значительно падает. Места, где она превышает 0,5 м/с, встречаются отдельными небольшими пятнами, причем поле скоростей становится более однородным и стабильным. Но самое интересное здесь то, что средняя скорость Антильского течения по данным дрефтерных наблюдений составляет не более 0,1 м/с. Согласно А. Л. Бондаренко, Антильское течение практически не привносит дополнительных водных масс в Гольфстрим. Кроме того стоит отметить, что средняя скорость Гвианского течения у берегов Южной Америки составляет 0,5 - 0,7 м/с. Это говорит о том, что основную подпитку Гольфстрим получает не от Антильского и Северного Пассатного течений, а от Гвианского [6, 16].

3.3 Меандры и вихри Гольфстрима

Теперь вернемся к вихрям. Многие представляют себе Гольфстрим как огромную меандрирующую неоднородную реку, и это представление правдиво.

Так же как и у рек на суше у Гольфстрима могут образовываться так называемые старицы или вихри (рис. 3.5). Эти вихри по своей природе являются фронтальными, т. е. они возникают в зоне столкновения двух разных по свойствам водных масс, и действительно в этом районе Гольфстрим сталкивается с холодными и распресненными склоновыми водами и еще более холодным Лабрадорским течением. Так как Гольфстрим в этом районе имеет еще высокие температуры, а течение Склоновых Вод и Лабрадорское течение очень холодные то возникает резкий гидрологический фронт, и в связи с этим возникают меандры и вихри. В среднем эти вихри достигают 100 - 200 км в поперечнике и 3 - 4 км в глубину. Некоторые из таких вихрей способны существовать несколько лет. Контрасты температур во фронтальных вихрях могут составлять 10…14єС, а контрасты солености - 1‰ Так как в районе действия Гольфстрима очень сложный рельеф дна, то там могут возникать и топогенные вихри, которые по своему масштабу могут сравниться с фронтальными [9, 14].

Рис. 3.5. Меандры Гольфстрима [14]

Стержень Гольфстрима соответствует потоку теплой воды с температурой +20…+26єС. Основные контрасты температур отмечаются на глубинах 200 - 500 м, но в первые недели, а иногда и месяцы они хорошо прослеживаются на поверхности в виде пятен холодной или теплой воды на общем фоне. По разные стороны от стержня эти вихри ведут себя неодинаково. Севернее, т. е. в холодной хоне они ведут себя как антициклоны, т. е. вращаются по часовой стрелке, их диаметр в районе зарождения 100 - 200 км, но восточнее 65є в. д. они разрастаются до 300 - 350 км. Контраст солености между центром этого вихря и окружающей водой составляет 1,5‰ на глубине 200 - 500 м, а температуры 10єС, глубина их действия составляет 2 - 3км. Превышение уровня воды в его центре может составлять 70 см. С другой стороны, т. е южнее основного потока возникают циклонические вихри, которые после зарождения могут иметь диаметр 150 - 250 км. Максимальная скорость вращательного движения в них на поверхности достигает 3 м/с, а в среднем она составляет 1,5 м/с. Контрасты температуры с окружающими водами Саргассового моря доходят до 10 - 12єС. В целом к югу от основного потока Гольфстрима за год в среднем зарождается и может действовать шесть - семь циклонов, в то же время как в районе Большой Ньюфаундлендской банки может зародиться 9 - 10 антициклонов, из которых действует одновременно три-четыре. После отделения от основного потока циклонические вихри начинают двигать параллельно основной струе, но не на северо-восток, а на юго-запад со скоростью 3 - 4 км/сутки. Пройдя в этом направлении в течение 6 - 12 месяцев, они соединяются с основной струей Гольфстрима и подпитывают его своей энергией. Антициклонические вихри ведут себя во многом так же, но живут они в среднем четыре месяца и проходят 500 км, не отходя далеко от основной струи [14].

Рис. 3.6. Вихри в Гольфстриме [14]

Теплые антициклонические и холодные циклонические

Интерес представляют и вихревые движения в Мексиканском заливе, там диаметр вихрей достигает 100 - 200 км, На востоке Мексиканского залива эти вихри отделяются от основной массы воды, затем они дрейфуют на запад со скоростью 2 - 9 км/сутки, пока не достигнут основного потока и снова не вольются в Гольфстрим.

Аналогично формируются вихри в районе разветвления Гольфстрима, но здесь свой вклад вносит юго-восточная оконечность поднятия Ньюфаундлендской банки, поэтому кроме фронтальных вихрей в этой зоне возникают топогенные.

3.4 Поле температуры и его изменение

Рассмотрим средние многолетние температуры воды в Атлантике летом и зимой. Сделаем это на примере августа и февраля (рис. 3.7). Эти месяцы выбраны не случайно, т. к. максимальные и минимальные температуры воды опаздывают на месяц по отношению к максимальным и минимальным температурам воздуха.

а)
б)

Рис. 3.7. Среднемесячная температура поверхностных вод

Мирового океана [20]

а) февраль; б) август

В феврале температура воды в Мексиканском заливе не превышает +25,0єС, а в северной части залива вовсе не достигает +20,0єС. Это связано с тем, что холодные воды из Миссисипи поступают в залив, понижая таким образом температуру. В районе действия Гольфстрима изотермы значительно отклоняются на север, в то время как в восточной части Атлантики воды с температурой менее + 20,0єС проникают вплоть до 15є с. ш. (посредством Канарского течения). До Великобритании доходят воды с температурой +10,5єС, в то время, как на той же широте у полуострова Лабрадор их температура ниже 0єС.

В августе картина выглядит похожим образом. Весь Мексиканский залив разогревается свыше +27,5єС. При этом теплые воды проникают значительно севернее. При этом воды с температурой +20,0єС достигают широты Нью-Йорка. В связи с такой обстановкой контраст температур возрастает, а это приводит к возникновению туманов.

В целом при рассмотрении средних многолетних значений температур для августа и февраля выявились основные особенности распределения температур в Атлантике.

Восточная часть Атлантики к северу от 50є с. ш. значительно теплее западной, а в более низких широтах наоборот. Такая температурная аномалия больше нигде не проявляются так интенсивно, а значит, в других районах заполярья теплые воды не проникают так далеко на север. Это может быть обусловлено конфигурацией суши. В Атлантике проход для воды очень широкий, и массы могут спокойно заходить в Северный Ледовитый океан. В Тихом океане хоть и есть аналог Гольфстрима - течение Куросио и Северо-Тихоокеанское, которое переходит в Аляскинское), но там теплые воды не могут проникнуть далеко на север из-за формы Северной Америки, наличия дуги Алеутских островов и относительно небольшой ширины и глубины Берингова пролива (его глубина не более 91 м и ширина 86 км).

В 2001 и 2002 г были сделаны высокоточные гидрологические разрезы в Северной Атлантике. Для того чтобы примерно представить как меняется температура в Гольфстриме проанализируем разрез по 53є с. ш., выполненный в сентябре 2002 г. (рис. 3.8).

Разрез очевидно попал в вихрь в районе 35є з. д. Отчетливо видно, что теплые воды проникают на востоке разреза значительно глубже (до 1500 м), а на западе они наблюдаются лишь в небольшом приповерхностном слое до глубин 100 - 200 м. Холодные воды с температурами менее 2 єС приурочены к западной части разреза, а именно к месту действия ЛВ, причем при движении на запад глубина их распространения уменьшается от 3500 до 2500 м.

А теперь проанализируем изменения температуры (рис. 3.9).

Приведенный рисунок подтверждает последнюю динамику ЛВ. Видно что за год эта масса на глубине своего распространения охладилась на 0,2 - 0,3єС. Небольшое охлаждение наблюдалось на глубинах 2500 - 3500 м на востоке разреза, которое не оказало существенного влияния на общий фон температур. В целом температура в глубинных слоях океана изменилась не более чем на 0,1єС. Наиболее резкие изменения наблюдались в приповерхностных слоях и до глубин 1500 м. Особо резкие изменения происходили в районе разветвления Гольфстрима. В этом районе в некоторых местах температура в период измерений в 2002 г оказалась на 2 - 3 градуса ниже. А в других, расположенных рядом, все с точностью да наоборот. Такие отклонения возникают вследствие возникновения большого количества меандров и вихрей в этом районе. В целом динамика температуры в Гольфстриме не отличалась в данный период особо резкими скачками.

Рис. 3.8. Разрез Атлантического океана,выполненный в сентябре 2002 г по 53є с. ш. [1]



Рис. 3.9. Разность температур в пределах разреза через Атлантический океан по 53є с. ш. между съемками 2001 и 2002 гг. [1]

Казалось бы, все хорошо складывается для Европы, однако в 2010 г. были выявлены резкие изменения температуры в Гольфстриме (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Изменение температуры поверхности океана в 2009 - 2010 гг. [19]

Некоторые ученые связывают это с аварией на нефтедобывающей платформе корпорации «British Petroleum» или сокращенно «ВР».

Первым заметил изменения американский физик-теоретик доктор А. Зангари, когда проанализировал снимки Гольфстрима из космоса. Оказалось что после аварии, температура воды к северу от 40є с. ш. понизилась в целом на 1,5 - 3єС, а в некоторых районах и на все 5єС. Это связывали с тем, что при ликвидации нефтяных пятен было использовано до 5 млрд. л специальных веществ, которые нейтрализовали нефть. Все это могло повлиять на скорости воды в Гольфстриме, но каким образом так и не выяснили. Также А Зангари утверждает, что динамика ЛВ очень сильно влияет на скорость и температуру Гольфстрима. Для того чтобы эта динамика выявилась окончательно, необходимо систематически проводить исследования в течение как минимум 10 лет.

Однако как изменится климат, если Гольфстрим все же остановится или изменит направление движения. Этот вопрос будет рассмотрен в следующей главе.

Стоит отметить, что до появления дрифтеров существовала точка зрения о том, что Гольфстрим не оправдывает своего названия (течение из залива). Как уже было сказано Н. П. Лавевров и С. С. Лаппо и И. Айселин утверждали, что Антильское течение является одним из главнейших источников питания Гольфстрима, и оно действует наравне с Флоридским - это первая точка зрения.

Вторая точка зрения сводится к тому, что на основе дрифтерных наблюдений было выявлено обратное. Как оказалось, в действительности скорости в Антильском течении ниже, нежели те, которые были вычислены и измерены посредством разрезов. Основной недостаток гидрологических разрезов состоит в том, что они могут измерять скорости только в определенное время и в том месте, где находится корабль. Дрифтеры все время находятся в море и могут измерять скорости течений непрерывно и в реальном времени отправлять информацию в центр сбора данных.

Исследования температур показало, что на протяжении Гольфстрима они распределяются неравномерно. Водные массы по ходу своего движения трансформируются и при продвижении на север охлаждаются. Поле температур распределено неравномерно и в самом Гольфстриме. Причиной того служит наличие контрастного гидрологического фронта, который вынуждает Гольфстрим меандрировать. Меандры в свою очередь могут отрываться от основного потока (у рек на суше это можно сравнить с образованием стариц). После того, как меандр оторвался от основного потока, он сохраняет присущие ему свойства еще как минимум два месяца, при этом двигается недалеко от основной струи Гольфстрима, но в обратном направлении и закручивается или по, или против часовой стрелки, в зависимости от расположения по отношению к основной струе [9, 14].

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ТЕЧЕНИЯ ГОЛЬФСТРИМ НА КЛИМАТ ЕВРОПЫ

4.1 Взаимодействие с атмосферой

Северная Атлантика служит для атмосферы энергоактивной областью. Она занимает всего лишь 11% площади Мирового океана, но при этом отдает в атмосферу 21% явного и 16% скрытого тепла. Итого получается, что 17 % потерь тепла Мировым океаном приходится на северную часть Атлантического океана. Именно этот уход тепла и влияет на аномально высокую соленость вод данного региона. О том, что в Северной Атлантике идет интенсивная отдача теплоты говорит следующий факт: средняя температура поверхности Северной Атлантики составляет +16,06 єС, в то время как в северной части Тихого
океана +20,10 єС. Высокосоленые и теплые воды Северной Атлантики поступают из южной части Атлантического океана, а те в свою очередь поступают из Индийского. В этом выражается аномальность южной части Атлантического океана, где поток тепла идет не от экватора к полюсу, а в обратном направлении. При этом поток тепла составляет 1Ч1015 Вт, что компенсирует отдачу тепла в северной части Атлантики. В Северной Атлантике отмечается максимальный меридианальный перенос тепла через северный тропик на север, он составляет приблизительно 1,5Ч1015 Вт. Иначе говоря, этот перенос «согревает» жителей Европы, составляя 60% меридианального переноса тепла в северном полушарии. Суммарный меридианальный перенос тепла в Атлантическом океане составляет 40% общего меридианального переноса тепла в северном полушарии, и он в 3 раза интенсивнее, чем в других районах северного полушария [1, 8].

4.2 Влияние на климат Европы

Уже доподлинно известно, что температуры в Европе колеблются значительно меньше в течение года, нежели в Западной Сибири, не говоря о ее восточной части. Континентальность климата нарастает с запада на восток. Чтобы наглядно показать влияние океана на климат Евразии, проанализируем несколько климатических диаграмм (рис. 4.1).

Сравним на примере городов Дублин, Минск, Самара и Барнаул. Эти города расположены на примерно одинаковой широте, но на разных расстояниях от океана.

Большая годовая амплитуда температур наблюдается в городе Барнаул и составляет 35 єС, здесь температура января в среднем - 15,3 єС, а вот в июле здесь около +19,7 єС. Среднегодовая температура в этом городе наименьшая и составляет 2,0 єС. Количество осадков тоже наименьшее - 419 мм в год

Климат в Западной Сибири контрастный, и не удивительно, поскольку этот регион удален от Атлантики более чем на 2000 км и здесь наблюдается континентальный климат. Если рассмотреть Дублин, который находится на побережье, то здесь все совсем по-другому. Температура января в среднем +5,4 єС, и в июле не выше +15…+16 єС. Годовая амплитуда значительно меньше, и составляет всего 9,4 - 10,4 єС. Осадков, напротив, больше - 735 мм в год, и это притом, что Дублин находится на востоке острова Ирландия.

.

Рис. 4.1. Климатические диаграммы для городов

Дублин, Минск, Самара и Барнаул [21]

Города Минск и Самара были выбраны для того, чтобы рассмотреть, как осуществляется переход от типичного морского до типичного континентального климата. Минск, как и Самара, находится в зоне переходного климата от морского к континентальному, поэтому в этих городах не наблюдается таких значений климатических элементов, как в Дублине или Барнауле.

При рассмотрении диаграмм выявились следующие закономерности при движении от побережья в глубину материка: