Александр Осадчиев
Этот неизвестный океан: как работают приливы, рождаются шторма и живут невидимые создания в морских глубинах

Серия «Подпишись на науку. Книги российских популяризаторов науки»

В издании использованы фотографии А. Осадчиева, Д. Осиповой, А. Барымовой

Во внутреннем оформлении использована фотография: Sven Hansche / Shutterstock / FOTODOM

Используется по лицензии от Shutterstock / FOTODOM

© А. Осадчиев, текст, фото, 2025

© А. Рабалко, иллюстрации, 2025

© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2025

Введение

Что такое океанология? О чем люди подумают, если сказать им, что я океанолог? Обычно они думают, что я изучаю китов и дельфинов, а еще погружаюсь под воду с аквалангом или в батискафе. Это стандартное и при том очень романтическое представление о профессии океанолога. Оно сложилось благодаря Жаку-Иву Кусто, самому известному океанологу. На самом деле он не занимался непосредственно наукой, но, тем не менее, очень сильно ее популяризировал. Важнейшее достижение Кусто – изобретение акваланга: используя его, исследователь смог заглянуть под воду по-настоящему. И не только заглянуть, но и показать увиденное всему миру, впервые в истории человечества!. Кусто снял великолепные фильмы про подводный мир и морских животных, про китов и коралловые рифы. Отсюда вырос стереотип про работу океанолога: это человек, который погружается под воду и смотрит там на рыбок среди кораллов.

Но какова океанология на самом деле? Это особенная наука: она, как естествознание, объединяет в себе и физику, и химию, и биологию, и геологию, и географию, и математику, и много других дисциплин. Обратимся к истории. Ученые Античности и Средневековья, как правило, интересовались одновременно самыми разными процессами в природе вокруг себя. Они наблюдали, как устроены суша, воздух, море, живые организмы, человеческое тело. Постепенно знания накапливались, научные методы и приборы усложнялись. Естествознание на суше благополучно разделилось на разные науки – физику, математику, геологию, биологию, метеорологию и ряд других. Но в океанологии по определенным причинам этого не произошло. Она осталась комплексной наукой: естествознанием, сконцентрированным на процессах в океане.

Почему так произошло, в чем особенность океанологии, чем она отличается от всех других наук о Земле? Океан – очень сложная для изучения среда, и эту сложность человечеству не удается преодолеть до сих пор. Люди заселили почти всю Землю, в XX веке освоили полеты в атмосфере, а потом и в ближнем космосе. В океане же мы присутствуем только на поверхности: в глубины люди опускаются очень редко и очень ненадолго, о полноценных подводных городах или даже просто стационарных исследовательских станциях до сих пор нет и речи. Часто говорят, что дно океана изучено хуже поверхности Луны. Действительно, в Марианской впадине до 2012 года побывало всего два человека, тогда как по Луне ходило 12 человек. Лишь несколько лет назад, в 2020 году, число людей, побывавших в Марианской впадине, превысило число лунных астронавтов. В чем же причина этих сложностей? Во-первых, в толще вод океана очень большое давление. Каждые 10 метров глубины добавляют давление в 1 атмосферу, таким образом, на глубине 100 метров давление составляет 10 атмосфер, на глубине в километр – уже 100 атмосфер. При этом средняя глубина океана – 4 километра (а это целых 400 атмосфер), а в Марианской впадине, глубина которой 11 километров, давление превышает 1000 атмосфер.

При таких параметрах не только человеку существовать очень сложно, но даже и измерения провести нелегко. Чтобы что-то измерить в океане, надо опустить в него прибор, и этот прибор должен нормально работать при давлениях в десятки и сотни атмосфер. Если же вы хотите погрузить на глубину человека, да еще так, чтобы он мог проводить какие-то наблюдения, то перед вами стоит феноменально сложная задача: сделать достаточно большой и многофункциональный аппарат, который не раздавит на больших глубинах.

Рис. 1.Давление в океане на разных глубинах

Вторая проблема исследования океана заключается в том, что поверхность воды очень подвижна. В хорошую спокойную погоду проводить измерения – одно удовольствие. Но когда усиливается ветер, налетает шторм, становится уже не до того. При сильной волне движение судна и предметов на судне очень непредсказуемо. Приходится останавливать измерения и закреплять приборы (да и все остальное) в неподвижном состоянии. Есть районы в океане, где почти всегда плохая погода и большие волны, – это знаменитые «ревущие сороковые», «неистовые пятидесятые» и «кричащие шестидесятые», акватории на 40-х, 50-х и 60-х градусах южной широты вокруг Антарктиды. Закономерно, что там одно из самых низких покрытий судовыми измерениями во всем Мировом океане. Судовые измерения осложняются и удаленностью от суши: чем дальше от порта – тем дольше переход и тем дороже экспедиция. Поэтому так мало измерений на огромных пространствах Тихого океана, особенно в его центральной и южной частях, где ближайшая суша – это маленькие острова или побережье Антарктиды. На рубеже XX и XXI веков в океан стали запускать тысячи автономных дрейфующих буев-измерителей, которые значительно увеличили количество измерений в верхней толще вод океана. Тем не менее, до сих пор недостаток прямых измерений – основной сдерживающий фактор развития океанологии.

Рис. 2.Покрытие Мирового океана судовыми измерениями

Третья принципиальная проблема исследований заключается в том, что океан «непрозрачный»: в нем плохо распространяются сигналы. Свет в морской воде затухает на глубинах от нескольких сантиметров до нескольких сотен метров в зависимости от прозрачности воды. Также и любые другие электромагнитные волны, включая радиосвязь (основной метод передачи информации на суше и в космосе) оказываются не самыми пригодными в толще моря из-за быстрого затухания сигнала. Звуковые волны, напротив, затухают в океане гораздо медленнее, чем в атмосфере, и этот метод передачи сигнала на большие расстояния – единственный, массово применяющийся в океане. Тем не менее распространение, ослабление и искажение звука сильно зависят от свойств морской воды и морского дна. Кроме того, генерация акустических волн для дальней связи требует больших энергетических мощностей, в отличие от радиоволн в атмосфере.

Из-за того, что через атмосферу хорошо проходят различные сигналы, поверхность Земли, как и поверхность океана, можно сканировать с воздуха и из космоса. Когда появились космические спутники, они стали регулярно обозревать Землю и измерять многие характеристики ее поверхности. Но так как в океане сигналы быстро затухают, спутниковые наблюдения захватывают лишь очень тонкий поверхностный слой, а глубины так и остаются неохваченными.

Рис. 3.Спутниковые измерения поверхности океана

Итак, в океане очень сложно и дорого проводить измерения. Может быть, его получится описать с помощью математических уравнений? Может быть, не нужно ничего измерять, а можно просто все рассчитать? Действительно, еще в XIX веке были выведены уравнения Навье – Стокса, которые с высокой точностью описывают, как течет вода на нашей планете, в частности в океане. К сожалению, эти уравнения однозначно решаются лишь для самых простых случаев. Например, с их помощью несложно рассчитать, что было бы, если бы на нашей планете вообще не было бы суши, дно океана имело бы везде одинаковую глубину, и на океан не было бы никакого внешнего воздействия. Но когда появляются материки, острова, неоднородные глубины, уравнения становятся нерешаемыми в обычном смысле слова. Их можно решить численно, то есть отыскать приближенное решение с помощью компьютера, и чем мощнее будет компьютер, тем точнее будет решение. При этом в океане еще очень много других сложностей – даже для численных решений, не говоря уже об аналитических. На океан неравномерно воздействует ветер, воды охлаждаются и нагреваются, на поверхностный слой океана влияют атмосферные осадки и испарение, в океан впадают реки, притяжение Луны и Солнца формирует приливы – происходит множество процессов, которые совершенно невозможно описать простыми уравнениями. А сложные уравнения либо решаются с большими погрешностями, либо требуют недостижимых вычислительных мощностей.

Итак, океан изучать очень сложно и дорого, и поэтому в океанологических исследованиях сохраняется сильная координация между разными направлениями. Что это за направления? Океанология (как и весь мир, по мнению древних людей) стоит на трех китах. Во-первых, физике моря. Физика моря изучает, как течет вода: от крупномасштабных течений и приливов до волновых процессов и турбулентности, а также как вода взаимодействует с атмосферой, сушей и морским льдом. Эта информация очень важна для двух других ключевых разделов океанологии – морской биологии и морской геологии, – так как именно физика моря описывает общие условия морской среды. Морская биология изучает живые организмы, обитающие в океане, на его поверхности, в толще воды, на морском дне и даже ниже – в самом морском дне, то есть в толще донных осадков. Морская геология изучает состав и строение земной коры под океанами, историю и развитие дна всей впадины Мирового океана, полезные ископаемые и условия их формирования, а также осуществляет их поиск, разведку и разработку. Морская геология изучает морское дно и морские берега, их строение и эволюцию под воздействием внешних условий, а также перенос вещества морской водой, которое потом формирует дно и берега моря.

У этих трех основ есть разные ответвления. С физикой моря тесно связана математика, а именно гидродинамика, которая математическими методами (а не измерениями) описывает движение воды в разных условиях. Во всех направлениях океанологии очень важное место занимает численное моделирование, в особенности в физике моря. Вычислительная математика обеспечивает теоретическую базу для численного моделирования. Еще одно ответвление – это химия океана, которая изучает как химический состав и процессы в морской воде, так и химические взаимодействия между морской водой, атмосферой, морским дном и морскими организмами. Геофизика – важное ответвление морской геологии: она изучает внутреннюю структуру и физические свойства Земли под морским дном, посылая и принимая различные сигналы: сейсмическими, гравиметрическими, магнитометрическими, электромагнитными, геотермическими и другими методами.

Одна из глобальных задач океанологии заключается в предсказании климата Земли, который очень сильно зависит от того, что происходит в океане. Предсказание климатических изменений – это фактически взгляд в будущее, возможный только с помощью численных моделей. Вначале создается модель и настраивается таким образом, чтобы правильно воспроизводить то, что было в прошлом. После того как исследователям удается убедиться, что модель достоверно работает в прошлом и настоящем, ее запускают считать, что же будет в будущем.

Одна из важнейших особенностей океанологии, как и вообще наук о Земле, заключается в том, что они изучают реально существующий объект – Мировой океан. Все гипотезы и теории, которые строятся в океанологии, имеют смысл, только если они описывают процессы, реально происходящие в океане. Так и численное моделирование океана имеет смысл, только если оно достоверно воспроизводит процессы в океане. Любые результаты моделирования – и те, что кажутся правдоподобными, и неожиданные – необходимо подтвердить натурными измерениями, то есть непосредственными инструментальными измерениями в океане. Иными словами, необходимо убедиться, что результаты моделирования действительно существуют в природе.

Стоит отметить, что именно неожиданные, принципиально новые данные имеют особую ценность для науки, куда большую, чем подтверждение того, что все и так предполагали с большей или меньшей уверенностью. И в этом плане натурные измерения – процесс куда более надежный. Если что-то новое (остров, течение, вид животного) открыто в результате натурных измерений, то это достоверный факт, который реально существует в природе. Если же что-то новое открыто в рамках математической теории или численного моделирования, то оно обязательно должно быть подтверждено измерениями и наблюдениями. Именно поэтому океанология строится в первую очередь на натурных измерениях непосредственно в море.

Итак, натурные измерения важны, но при этом они, как правило, очень дорогостоящие. Чаще всего они производятся с морских судов, а судосутки (то есть сутки работы корабля вместе с экипажем) стоят очень дорого. Например, работа больших российских научно-исследовательских судов стоит несколько миллионов рублей в день. А теперь представьте, что вам необходимо проводить измерения в течение недели в центральной части Атлантического океана. Неделя на работу, еще несколько недель на то, чтобы прийти в район работ из порта и уйти назад в порт – набегают десятки миллионов рублей. Поэтому экспедиционная океанология – очень дорогое удовольствие.

А много ли удастся намерить за неделю? Работы на отдельной станции занимают час или несколько часов: время зависит от количества разных работ (зондирование океана, отбор проб воды, грунта и морских организмов) и от глубины океана в этой точке. Если нужно сделать только самые стандартные измерения температуры и солености от поверхности до дна моря, то в местах, где глубина моря – 100 метров, это займет около получаса, а на глубинах в несколько километров – до 3–5 часов. За сутки в таком режиме, с учетом переходов между станциями, получается сделать не больше 5–10 станций, а если работать в глубоководных районах, то не больше 1–2 станций. Итак, за неделю у вас может получиться сделать измерения всего в паре десятков точек в океане, а потрачено на это будет пара десятков миллионов рублей. Именно поэтому на научных судах ученые работают очень напряженно, без выходных и праздников, а если нужно работать круглосуточно – делятся на смены, ведь время в экспедициях очень дорогое.

Ситуацию с недостатком натурных измерений в значительной степени улучшила уже упомянутая выше программа запуска в океан дрейфующих буев-измерителей «Арго». Суть программы заключается в запуске в свободное плавание большого количества автоматических измерителей характеристик океана. Идея очень простая, но реализовать ее удалось только в конце XX века, когда был создан достаточно дешевый (чтобы быть массовым) дрейфующий буй-измеритель температуры, солености и глубины. Схема работы буя «Арго» заключается в следующем. Почти все время буй дрейфует в океане в выключенном состоянии на глубине 1 километр. Раз в 10 дней он включается, опускается на 2 километра, а затем поднимается с этой глубины до поверхности моря, производя измерения. Далее в течение некоторого времени буй дрейфует на поверхности моря и передает сделанные измерения по спутниковой связи в приемный центр на берегу. Получив сообщение из приемного центра, что измерения благополучно переданы, буй погружается на глубину 1 километр и снова выключается.

Рис. 4.Схема работые буя «Арго»

Буи «Арго» дрейфуют большую часть времени на глубине в 1 километр, а не на поверхности океана. При дрейфе на поверхности буй подвергается разрушительному воздействию волн, солнца, ветра, льда и различных плавающих объектов (в том числе кораблей). Вероятность встретить что-то разрушительное на глубине 1 километр во много раз меньше. Кроме того, на поверхности (в отличие от морских глубин) буи очень быстро обрастают морскими организмами, которые могут привести к неправильной работе и поломке оборудования. В настоящее время в океане плавает несколько тысяч буев «Арго». Массовый запуск этих буев всего два десятилетия назад дал огромное количество натурных измерений в верхнем двухкилометровом слое океана. Эти данные достаточно равномерно охватывают почти всю площадь Мирового океана. К настоящему времени буями «Арго» сделано около 2.5 миллионов измерений, что в несколько раз превосходит количество судовых измерений, сделанных в верхней толще вод за всю историю океанологии.

Рис. 5.Распределение буев «Арго» в Мировом океане

Спутниковые наблюдения стали еще одним настоящим прорывом в океанологии во второй половине XX века. Из космоса можно проводить измерения поверхности океана с очень хорошим пространственным охватом, что недоступно для экспедиционных измерений. К сожалению, спутниковый мониторинг несет информацию только о процессах, происходящих на поверхности океана, а толща воды спутникам практически не видна. Тем не менее, даже мониторинг поверхности океана дал небывалую до этого возможность, во-первых, взглянуть на океан сверху как на единое целое и, во-вторых, наблюдать за его динамикой в режиме почти реального времени. Оказалось, что из космоса даже человеческим глазом видно, что весь океан разноцветный, контрастный: поверхность морей напоминает сине-зелено-коричневую мозаику. Разные оттенки показывают движение вод в океане, по ним можно понять, откуда текут те или иные воды, как они закручиваются в круговороты, как перемешиваются.

Рис. 6.Спутниковый снимок океана

Спутниковые снимки океана настолько красивые, что многие мои коллеги-океанологи ставят их в качестве заставки на экраны телефона или компьютера.

Несмотря на большой прогресс в океанологии, ученым все равно очень часто не хватает натурных и спутниковых измерений, особенно когда речь идет о процессах не в поверхностном слое, а в толще воды. Здесь не обойтись без численного моделирования, как и в случае, когда необходимо прогнозировать состояние океана в будущем. По этой причине важнейшим прорывом в океанологии стало взрывное увеличение вычислительных мощностей компьютеров во второй половине XX века и стремительное развитие методов численного моделирования океана.

1. Физика моря

Почему вода в океане движется?

Для того чтобы разобраться в вопросе, как и почему движется вода в океане, вначале нужно обратиться к движению воздуха в атмосфере. Солнце неравномерно нагревает Землю: и атмосферу, и поверхность Мирового океана. Экваториальные широты нагреваются сильнее, чем полярные, из-за угла падения солнечных лучей. На экваторе солнечный свет падает почти перпендикулярно поверхности Земли, концентрируя больше энергии на меньшей площади и нагревая ее сильнее, в то время как в высоких широтах солнечные лучи падают под более острым углом, рассеиваясь на большей поверхности. Холодный воздух более тяжелый, чем теплый, и атмосфера стремится прийти к равновесию, когда на всей поверхности Земли снизу находится холодный воздух, а сверху – теплый. Холодный воздух из полярных широт стремится опуститься вниз и растечься вдоль поверхности Земли до экватора. Теплый экваториальный воздух формирует компенсационное течение, то есть поднимается наверх и двигается в обратную сторону, от экватора к полюсам, замещая холодный воздух, уходящий с полюсов к экватору. Эти движения теплого и холодного воздуха между полюсами и экватором охватывают не всю атмосферу, а лишь самую нижнюю ее часть, тропосферу. Верхняя граница тропосферы находится на расстоянии 6–18 километров от поверхности Земли, что составляет очень малую часть атмосферы, чья толщина достигает 2–3 тысяч километров. Но тропосфера – самая плотная часть атмосферы, так как она находится ближе всего к Земле, в ней содержится 80% массы всей атмосферы и 99% массы атмосферного водяного пара и аэрозолей.

Благодаря перераспределению теплых и холодных воздушных масс, в тропосфере формируются так называемые ячейки циркуляции тропосферы. Если бы Земля не вращалась вокруг своей оси, то, вероятно, в атмосфере их было бы всего две – в Северном и Южном полушариях. На экваторе воздух бы поднимался, часть его в верхних слоях тропосферы двигалась бы на север к Северному полюсу, другая часть – на юг к Южному полюсу. На обоих полюсах воздух бы опускался, и возникало бы движение воздуха от полюсов к экватору в нижних слоях тропосферы. В итоге вся крупномасштабная циркуляция воздуха (то есть система замкнутых воздушных течений) на Земле описывалась бы этими двумя круговоротами.

В реальности в земной тропосфере формируется не две ячейки циркуляции, а целых шесть. Причина этому – эффект Кориолиса. Он возникает из-за того, что планета вращается вокруг своей оси: атмосферные и океанические потоки в Северном полушарии постепенно смещаются вправо относительно своей траектории движения, а в Южном полушарии – влево. В частности, горизонтальные ветровые движения в атмосфере оказываются не параллельными меридианам Земли, а заворачивают вправо в Северном полушарии и влево в Южном полушарии. По этой причине воздух, поднявшийся вверх на экваторе, не добирается до полюса по кратчайшему пути, так как постепенно заворачивает вбок. В районе 30-х градусов широты в Северном и Южном полушариях направление ветра оказывается параллельным экватору. Воздух больше не продвигается на север, из-за чего охлаждается и опускается. По этой же причине в полярных районах опускающийся холодный воздух также доходит только до параллелей, расположенных в районе 60-х градусов северной или южной широты. Там его движение становится параллельным экватору, полярный воздух нагревается и начинает подниматься вверх. Так формируется вторая пара ячеек. Еще одна пара образуется посередине, между 30-ми и 60-ми градусами. Так крупномасштабный процесс горизонтального и вертикального движения воздуха в тропосфере разбивается на шесть ячеек, по три в каждом полушарии, которые как шестеренки крутятся в тропических, умеренных и полярных широтах.

Рис. 7.Ячейки циркуляции в тропосфере

Тропическая пара ячеек тропосферной циркуляции образует пассаты, сильные и стабильные ветры, которые дуют у поверхности Земли от тропиков к экватору: с северо-востока на юго-запад в Северном полушарии и с юго-востока на северо-запад в Южном полушарии. В противоположную сторону направлены западные ветры – аналогичные пассатам стабильные ветры у поверхности Земли, характерные для умеренных широт. Открытие пассатов и западных ветров позволило европейским мореплавателям разработать быстрые и стабильные торговые маршруты для парусных судов вначале через Атлантический, а потом и через Тихий океан. По-английски пассаты даже назвали trade winds, что дословно означает «торговые ветры». Зоны слабых ветров между пассатами и западными ветрами, находящиеся в обоих полушариях в районе 30–35° широты, и по-русски и по-английски назвали конскими широтами. Из-за продолжительных штилей в этих широтах капитаны судов часто избавлялись от лошадей, когда начинались проблемы с пресной водой.

Пять круговоротов в океане

Итак, циркуляция в тропосфере образуется из-за неравномерного нагрева Земли солнечными лучами и затем модифицируется из-за вращения Земли. Пассаты и западные ветры задают направления доминирующих ветров непосредственно над поверхностью океана и разгоняют крупномасштабную циркуляцию в Мировом океане. Если бы на Земле не было суши, то вода в океане между Северным и Южным тропиком двигалась бы на запад, разгоняемая пассатами, а в умеренных широтах – на восток под действием западных ветров. Но океаны ограничены материками, поэтому все западные и восточные течения рано или поздно встречаются с сушей и вынуждены менять свое направление. Есть только одна зона в тропических и умеренных широтах Мирового океана, где можно обогнуть планету, не встречая суши. Это место находится в Южном полушарии к северу от Антарктиды, и в нем формируется самое мощное течение в Мировом океане, называемое Антарктическим циркумполярным течением или течением Западных Ветров.

Рис. 8.Пассаты и западные ветры

Во всех остальных участках тропических и умеренных широт циркуляция Мирового океана разбивается на пять крупных круговоротов: по два в Атлантическом и Тихом океанах и еще один – в Индийском океане. В Тихом и Атлантическом океанах эти пары круговоротов, как сцепленные шестеренки, вращаются в противоположных направлениях: по часовой стрелке к северу от экватора и против часовой – к югу от экватора. Индийский океан практически полностью лежит в Южном полушарии, поэтому в нем формируется только один большой круговорот к югу от экватора.

Рис. 9.Пять основных круговоротов в Мировом океане

Стоит сразу оговориться, что приведенные схемы циркуляции атмосферы и океана – это определенное упрощение и осреднение общей картины. Это не значит, что и воздух, и вода двигаются всегда в указанных направлениях, что их движение непрерывное и постоянное. Эти схемы говорят скорее о том, что в среднем за длительный срок именно в указанном направлении переносятся воздушные или водные массы, то есть это доминирующее направление переноса. При этом в каждый конкретный момент времени и направление ветра, и направление морских течений может быть очень разным и сильно отличаться от этих схем.

Общая схема (пять круговоротов и Антарктическое циркумполярное течение) на базовом уровне описывает, как устроена система течений в Мировом океане. Эта крупномасштабная система течений захватывает верхние несколько километров толщи океана, с глубиной скорости этих течений постепенно уменьшаются. Однако при более подробном рассмотрении простая картина распадается на многочисленные течения более сложного вида. Они зависят от расположения морских берегов и островов, от глубин, от господствующих в тот или иной сезон года ветров, поэтому более подробная карта течений выглядит гораздо сложнее, чем просто пять круговоротов.

Рис. 10.Схема течений в Мировом океане

У многих течений есть названия, и самое известное среди них – Гольфстрим. В бытовом смысле под именем Гольфстрим подразумевают целую систему переходящих друг в друга течений, который образуют северо-западную треть большого круговорота в Северной Атлантике. Все начинается в районе Карибского моря и Мексиканского залива, откуда течение Гольфстрим несет свои воды на север вдоль побережья Северной Америки. Эти теплые воды уже под именем Северо-Атлантического течения пересекают Атлантический океан и достигают берегов Северной Европы. Значительная доля этих вод распространяется дальше на северо-восток вдоль побережья Норвегии под именем Норвежского течения и достигает Мурманской области под именем Нордкапского течения.

Рис. 11. Система течений Гольфстрим

Течения бывают теплые и холодные: это определяется не их абсолютной температурой, а тем, теплее они или холоднее, чем окружающие воды. Если, например, течение направлено с юга на север, то в Северном полушарии в большинстве случаев оно будет переносить более теплые южные воды в северном направлении и будет называться теплым. Гольфстрим и его продолжения – Северо-Атлантическое, Норвежское и Нордкапское течения – это примеры теплых течений; они очень значимы, потому что влияют на климат в одной из наиболее густонаселенных частей мира – Западной и Северной Европе. Не только из-за своего влияния на трансатлантические перевозки, но и благодаря своей роли в формировании европейского климата вся система течений Гольфстрим так хорошо известна и входит в число наиболее изученных течений в Мировом океане. Благодаря Нордкапскому течению не замерзают порт Мурманск и подходы к нему с запада, хотя он расположен на 69° северной широты. От Мурманска до Северного полюса всего 2340 километров, средняя температура зимой в городе составляет –10 °C, но в отдельные дни и недели бывает и гораздо холоднее – до –40 °C. И все равно море никогда не замерзает из-за постоянного притока относительно теплых вод (от +1 до +4 °C) с Нордкапским течением.

Рис. 12. Антарктическое циркумполярное течение

Выше мы уже упоминали Антарктическое циркумполярное течение, единственное крупномасштабное течение, которое не встречает на своем пути никаких препятствий в виде материков. В начале XXI века в дополнение к четырем существующим океанам – Тихому, Атлантическому, Индийскому и Северному Ледовитому – стали выделять Южный океан, который с юга ограничен Антарктидой, а с севера – как раз Антарктическим циркумполярным течением. Это мощное течение фактически создает водный барьер, который изолирует Южный океан от всего остального Мирового океана. Условия в южных частях Тихого, Атлантического и Индийского океанов, к северу от барьера, очень сильно отличаются от условий к югу от него, что и стало причиной выделения Южного океана как отдельной сущности. Существование Антарктического циркумполярного течения и ограниченный водообмен между полярными широтами (Южный океан) и умеренными широтами (южные части Тихого, Атлантического и Индийского океанов) в Южном полушарии – одна из основных причин, почему в Антарктиде так холодно.

Вихри невраждебные: как устроены течения

В XX веке, благодаря появлению точных океанологических приборов, а потом и спутниковых измерений, систему течений Мирового океана удалось изучить тщательнее, и оказалось, что картина еще более сложная. Вообще из космоса можно измерять очень разные свойства поверхности моря – температуру, соленость, концентрацию различных веществ, высоту волн, уровень моря и многое другое. При этом все эти измерения не прямые, а косвенные. Температура поверхности моря не измеряется термометром, как происходит в случае судовых измерений, а рассчитывается более сложным образом. Любой объект испускает электромагнитные волны, называемые тепловым излучением, с интенсивностью, зависящей от температуры объекта. Тепловое излучение, исходящее с поверхности океана, улавливается специальными спутниками и пересчитывается в температуру над местом пролета спутника. Если скомпоновать данные с различных пролетов и с различных спутников, то строится карта распределения температуры для всего Мирового океана (кроме акваторий, находящихся подо льдом и недоступных для спутниковых измерений).

Соленость поверхностного слоя океана рассчитывается еще более замысловато. Ключ для расчетов – скорость испарения воды с поверхности океана. Очевидно: чем выше температура воды, тем она интенсивнее испаряется. Однако соленость тоже в значительной степени влияет на этот процесс: более соленая вода испаряется медленнее, чем более пресная. Таким образом, зная температуру и соленость поверхности океана, можно рассчитать интенсивность испарения. В чем хорошо проявляется скорость испарения? В концентрации водяного пара в воздухе непосредственно над морской поверхностью. Чем быстрее испаряется вода, тем больше водяного пара оказывается в воздухе. А теперь можно сделать и обратную операцию, на которой и основаны спутниковые измерения солености океана. Вначале спутниковые датчики по излучениям на разных длинах волн определяют, во-первых, температуру воды и, во-вторых, концентрацию водяного пара в воздухе непосредственно над поверхностью океана. По этим данным и вычисляется соленость поверхности океана.

Удивительно, но этот сложный способ измерения солености действительно работает и достаточно точен. Придумать и реализовать его было очень непросто. Если температуру поверхности океана из космоса научились измерять в самом начале космической эры, в конце 1960-х годов, и в наши годы измеряется она с пространственным разрешением в десятки метров, то первые спутники, измеряющие соленость поверхности океана, появились на 40 лет позже, в конце 2000-х, и пространственное разрешение у них в тысячу раз хуже – десятки километров. Вот такое капризное свойство моря – соленость: очень важное и очень сложно измеряется.

А что с течениями? Их тоже можно измерять со спутников, причем также очень косвенным методом. Для этого используется спутниковая альтиметрия: измеряется расстояние от спутника до поверхности океана, по которой строится рельеф поверхности океана. Оказывается, поверхность океана совершенно не плоская, как можно подумать, глядя на стакан воды. Вся она состоит из возвышений и впадин, но они не такие резкие и заметные, как холмы и горы на суше. Характерный масштаб у них следующий: на расстоянии в 100 километров уровень моря меняется на десятки сантиметров. Причина формирования рельефа океана – как бы парадоксально это ни звучало, – уже знакомый нам эффект Кориолиса, возникающий из-за вращения Земли вокруг своей оси. Вихри образуются по всей площади Мирового океана из-за неустойчивости течений. Когда в океане образуется круговорот, в зависимости от направления вращения он формирует либо выпуклость, либо впадину, так как сила Кориолиса либо сгоняет воду в центр круговорота, либо, наоборот, вытягивает ее из центра. Направление вращения, при котором формируется впадина (или дивергенция), называется циклоническим, а выпуклости (или конвергенции) формируются антициклоническим вращением.

Рис. 13. Циклонические и антициклонические вихри в океане

Итак, вода в океане не ровная, но сложный рельеф поверхности океана совершенно не виден глазом с суши или палубы корабля. Полноценное понимание того, как выглядит этот рельеф, сложилось только в 1980-е и 1990-е годы, когда начали достаточно точно измерять уровень моря из космоса, и это стало одним из главных открытий в физической океанологии второй половины XX века. Космические измерения показали, что абсолютно весь Мировой океан покрыт возвышениями и впадинами, то есть круговоротами или вихрями, которые находятся в постоянном движении. Оказалось, что в океане практически нет прямых течений: они все меандрируют, то есть извиваются, в результате чего образуются вихри. Так, например, система течений Гольфстрим – это не просто поток воды, который начинается у Флориды и пересекает Атлантический океан в направлении Европы. С обеих сторон от Гольфстрима отделяется множество вихрей, которые крутятся в разные стороны, но все равно постепенно дрейфуют в одном направлении, к Европе. То же самое происходит и со всеми другими крупномасштабными течениями в Мировом океане. Вращение Земли вокруг своей оси в определенном смысле «перебалтывает» морские течения и разбивает их на множество вихрей. Все это мы видим по данным спутниковой альтиметрии.

Рис. 14. Вихри Гольфстрима

Но можно шагнуть и дальше – научиться рассчитывать скорость течения на поверхности океана по данным спутниковой альтиметрии. Итак, весь океан разбит на вихри. Направление вращения вихрей определить несложно: если возвышение находится в Северном полушарии, то вращение происходит по часовой стрелке, а если для впадины – против часовой. В Южном полушарии ровно наоборот. С направлением течения в вихре разобрались; а что со скоростью? Скорость движения воды напрямую связана с высотой и горизонтальными размерами возвышения или впадины. Чем больше наклон морской поверхности, тем выше скорость вращения, которую можно рассчитать в каждом конкретном вихре по данным альтиметрии. А движение вихрей как отдельных структур можно определять, сравнивая ежедневные данные спутниковой альтиметрии. По ним четко видно, какие вихри в какую сторону двигаются, как они зарождаются, сливаются друг с другом и через некоторое время исчезают. Именно так и рассчитывают течения в Мировом океане в масштабе всей планеты.

Слоеный пирог океана

До настоящего момента мы в основном говорили о горизонтальной циркуляции в океане. Теперь настало время разобраться с вертикальными движениями воды. Если посмотреть на океан в разрезе, от поверхности до дна, то мы обнаружим, что он состоит из множества разных слоев. Толщина слоев варьируется от нескольких десятков метров до нескольких километров. Вода внутри каждого отдельного слоя имеет относительно однородную температуру и соленость, а вот между разными слоями температура и соленость сильно меняются. Значения температуры и солености воды в слое определяют плотность этого слоя, фактически – насколько он более тяжелый или легкий по сравнению с другими слоями. Самые легкие воды в океане находятся на поверхности, далее идут слои вод с более высокой плотностью, а у дна расположены самые плотные и тяжелые воды.

Итак, океан – это слоеный пирог из вод разной плотности, и каждый слой занимает в этом пироге свой уровень. Если в каком-то месте в этот слоеный пирог откуда-то со стороны притечет новая водная масса, то она будет опускаться вниз или подниматься вверх, вплоть до глубины, где ниже будет лежать вода с большей плотностью, а выше – с меньшей плотностью. Вот такая происходит сортировка слоев воды сверху вниз по возрастанию плотности.

Но если все слои в океане занимают свое стабильное место, то что должно произойти, чтобы морская вода в каком-то слое стала двигаться по вертикали вверх или вниз, то есть всплывать или тонуть? Для этого должна измениться ее температура или соленость. Нагревание воды уменьшает ее плотность, а охлаждение, наоборот, увеличивает. Так же и с соленостью: опреснение воды уменьшает ее плотность, а осолонение – увеличивает. Конвекция, то есть вертикальное движение воды, вызванное изменением ее плотности в результате изменения температуры или солености, происходит во многих местах в Мировом океане. В основном конвекция приводит к опусканию вод, так как почти всегда изменение температуры и солености океана происходит в поверхностном слое – в результате воздействия солнечных лучей, атмосферы, стока рек, морских льдов. На больших глубинах практически нет процессов, которые могли бы изменить температуру и соленость больших объемов морских вод. Процессы нагрева или опреснения поверхностных вод уменьшают их плотность, но эти воды и так были наверху, и им некуда больше подниматься. А вот охлаждение и осолонение вод может приводить к очень значительному опусканию морских вод. В полярных районах охлаждение поверхностных вод приводит к их опусканию на сотни метров и даже несколько километров вниз.

Кроме изменения температуры и солености морских вод, то есть изменения их физических свойств, вертикальные движения воды могут быть вызваны и динамическим внешним воздействием. Эти вертикальные движения воды называются апвеллингом (подъемом вод с глубины на поверхность) и даунвеллингом (опускание вод с поверхности на глубину). Наиболее простой и наглядный пример такого процесса – ветровой прибрежный апвеллинг. Когда ветер дует вдоль берега, что типично для многих прибрежных районов океана, он приводит в движение прибрежные морские воды. Из-за эффекта Кориолиса течение вод отклоняется от направления ветра; это может происходить как в направлении берега, так и в направлении открытого моря. Если поверхностный слой воды отгоняется от берега, то в более глубоком слое возникает компенсационное течение: непосредственно у берега глубинные воды начинают подниматься на поверхность, замещая ушедшие поверхностные воды. Этот процесс называется ветровым прибрежным апвеллингом. Если ветер дует в противоположную сторону и формируется нагон поверхностных вод на берег, то происходит обратный процесс, даунвеллинг. В этом случае, когда поверхностные воды достигают берега, они начинают заглубляться и опускаются на глубину. Воды в океане могут опускаться с поверхности на глубину и подниматься из глубин на поверхность и в результате других динамических процессов, не связанных с ветром, – например, в центрах вихрей, в результате действия приливов и при обтекании подводных хребтов глубинными течениями.

Рис. 15. Апвеллинг и даунвеллинг

Для биологических процессов в Мировом океане особенно важен процесс апвеллинга, подъема вод. Для того чтобы в поверхностном слое океана бурлила биологическая активность – развивался фитопланктон, затем его поедал зоопланктон, рыба и далее вверх по пищевой цепочке, – необходимо сочетание ряда факторов. Во-первых, для биологической активности важно поступление солнечного света, который является основной энергией для живых организмов. Из-за этого высокая биологическая продуктивность (за редким исключением) возможна только в верхнем слое моря, до глубин в 100–200 метров, куда поступает большое количество солнечного света. Второй очень важный фактор развития жизни в океане – наличие растворенных в воде биогенных веществ (углерода, азота, фосфора, кремния, железа и других), из которых фитопланктон и строит свои тела в процессе фотосинтеза, используя солнечную энергию. Если в поверхностный слой нет постоянного притока биогенных веществ, то они постепенно выводятся из этого слоя. Часть умерших организмов опускается в глубинные воды и разлагается там, то есть за пределами верхнего слоя океана. Таким образом, без постоянной подпитки концентрация биогенных веществ со временем снижается, что понижает и биологическую продуктивность. Из-за этого значительная часть поверхности океана имеет достаточно низкую продуктивность. Подпитка биогенными веществами поверхностного слоя происходит в местах, куда впадают реки (чьи воды насыщаются биогенными веществами из почвы) или где происходит апвеллинг. Глубинные воды океана, наоборот, почти везде богаты биогенными веществами, так как их там никто не потребляет: нет солнечной энергии и невозможен фотосинтез. Поэтому в результате апвеллинга в поверхностный слой поступают богатые биогенными веществами глубинные воды. В число наиболее продуктивных акваторий в Мировом океане входят районы частых прибрежных апвеллингов, например, побережья Перу, Намибии, Мавритании и Калифорнии. В этих водах живет огромное количество рыбы, и ведут промысел рыбаки многих стран мира.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.