Мировой океан, морские течения и их роль в формировании климата

Теплые течения — трубы водяного отопления земного шара. А, И. Воейков

Мировой океан, или гидросфера Земли, объединяет почти все океанические и морские воды, имеющие единую поверхность. Он занимает почти три четверти поверхности земного шара — 361 млн. км2, в то время как суша — только 149 млн. (рис. 14). Средняя глубина относительно невелика — 3,8 км. Столь тонкую гидросферу можно уподобить пленке толщиной в 1 мм на глобусе диаметром 3 м. Но она играет огромную роль в органической жизни и климатах Земли. Океан — колыбель жизни. В далеком прошлом в теплых и тихих морских лагунах возникли и развивались первые живые клетки, а потом и простейшие организмы. Если бы жидкая пленка испарилась, то на обсохшей Земле не нашлось бы ни одного уголка для современного высокоразвитого органического мира. Да и тепловой режим стал бы иным — в январе на Северном полюсе вместо современной средней температуры —30° стало бы —80°.

Океаническая поверхность из всех естественных поверхностей Земли является лучшим поглотителем солнечной радиации. Но та же поверхность в другом агрегатном состоянии (лед и снег) является наиболее совершенным отражателем. Хотя температурная гамма поверхности океана и приземного слоя атмосферы невелика, но вода в этом тесном диапазоне довольно часто и быстро меняет свое состояние. Такая изменчивость резко сказывается на климате. Океан —огромный дистиллятор. Он ежегодно испаряет 448 000 км3 воды, а континенты — только 71 000. Чем теплее океан, тем больше он испаряет влаги. Влажный воздух, укрывая планету, понижает утечку тепла в космическое пространство, лучше орошает земли и облегчает земледельцу выращивание обильных урожаев. Океан — мощный терморегулятор планеты. Благодаря большой массе воды и её высокой теплоемкости (в 3200 раз больше, чем у воздуха) он летом аккумулирует солнечное тепло и расходует его зимой на обогрев атмосферы, выравнивая межсезонную изменчивость климата. В ряде случаев океан выравнивает и межгодовые колебания.

Материки не способны аккумулировать тепло, поэтому континентальность климата, как правило, возрастает с удалением от границ с океаном. Воды океана находятся в беспрерывном движении. Они больше, чем суша, поглощают солнечное тепло и являются генеральным поставщиком энергии в глобальные ветровые системы. Ураганы и штормовые ветры энергично перемешивают и перемещают водные массы. Так, течение Западных ветров в Южном полушарии ежегодно переносит вокруг Земли около 6 млн. км3 воды, что равно двум объемам Средиземного моря. Особенно активен поверхностный 100—200-метровый слой. Но и подповерхностные и даже придонные слои океана находятся в вечном движении. Морские течения приносят большие массы тепла и холода. Частица воды может совершить в Мировом океане любые кругосветные путешествия, меняя свое состояние, нагреваясь под экватором и обращаясь в лед в полярных водах обоих полушарий.

Морские течения вместе с воздушными выравнивают температуру между полярными и тропическими широтами и полностью выполняют роль, отмеченную в эпиграфе словами А. И. Воейкова. В табл. 4 приведены температуры по широтным поясам, вычисленные и наблюдаемые. Разность является результатом теплообмена, определяемого циркуляционными процессами в атмосферной и гидросферной оболочках Земли. Легко видеть, как сильно сказывается межширотный теплообмен на температурное поле Земли. Если бы его не было, то в экваториальном поясе температура поднялась бы на 13°, а в широтах от 60° северной широты до полюса температура в среднем снизилась бы на 22°. На широтах Москвы и Ленинграда господствовал бы климат современной Центральной Арктики, т.е. совершенно непригодный для растительного мира. Таблица 4 Количественное представление о межширотном переносе тепла морскими и воздушными циркуляционными процессами дает табл. 5. Как видно из таблицы, приход солнечной коротковолновой радиации быстро уменьшается от экватора к полюсу, что находит объяснение в шарообразности Земли. Потери через длинноволновую радиацию, наоборот, остаются почти неизменными во всех широтных поясах, так как шарообразная поверхность Земли здесь не имеет значения. Отсюда возникает относительный избыток тепла в широтах ниже 40° и недостаток выше этой границы, что порождает контрасты температур, приведенных в табл. 4. В реальных условиях, как мы видели, избыток и недостаток тепла уравновешиваются за счет межширотного теплообмена, осуществляемого через механизмы водо- и воздухообмена.

Практический интерес представляет вопрос — кому же принадлежит определяющая роль в транспортировке тепла от планетарного котла к планетарному холодильнику, т.е. от экваториальных и тропических широт к полярным? Морской или воздушной адвекции? В разное время вклад каждой из этих адвекций различен. В современных условиях и в более холодных в прошлом, когда Арктический бассейн в значительной своей части круглый год покрыт дрейфующими льдами, морская адвекция относительно невелика, но по мере того, как в Арктический бассейн нагоняются атлантические воды, ее роль возрастает. Современное соотношение морской и воздушной адвекций отдельными исследователями определяется по-разному: от 1:2 в пользу воздухообмена до 1:1,5 в пользу морской адвекции. Мы же в своих расчетах воздушную адвекцию в счет принимать ; не будем, так как ее относительная и абсолютная значимость в акриогенных условиях естественно падает. Тот относительно небольшой вклад тепла, который вносит воздушная адвекция, мы будем резервировать в «запас прочности».

А. И. Воейков, называя морские течения регуляторами температуры, считал, что «воздушные течения далеко не в такой степени содействуют уравнению температур между экватором и полюсом, как морские течения, и по своему прямому влиянию в этом отношении не могут сравняться с последними. Но косвенное влияние их очень велико». П. П. Лазарев в 1927 г. построил модель океанических и атмосферных циркуляций. Эта модель показала, что океанические течения, проходя через Северный полюс и принося в полярную область большое количество тепла, отепляют ее. Отдавая должное советскому экспериментатору, англичанин Брукс отмечал: «Когда модель отображала современное распределение суши и моря, возникавшие в бассейне течения до мелочей оказывались сходными с ныне существующими течениями ... В моделях, воспроизводивших условия теплых периодов, океанические течения проходили через полюс, между тем как в моделях холодных периодов ни одно течение не пересекало полюса». Брукс отвергал самодовлеющую роль атмосферной циркуляции и считал, что возможные ее изменения не способны сами по себе, без привлечения других факторов, вызвать крупные климатические изменения. «Роль атмосферной циркуляции, — писал он, — следует рассматривать как регулирующую, иногда, возможно, усиливающую, но не порождающую крупнейшие климатические колебания».

Если морские течения, по меткому определению А. И. Воейкова, служат терморегуляторами климата, то этого нельзя сказать о макроциркуляциях атмосферы. Из всех климатообразующих факторов, как отмечал Б. Л. Дзердзеевский, они при своей динамичности являются наименее постоянным фактором. Анализ донных отложений в Арктическом бассейне также подтвердил, что именно морские течения по сравнению с воздушными играют определяющую роль в формировании климата. В тех случаях, когда теплые атлантические воды слабо проникали в Арктический бассейн, температура в полярных широтах падала. Низкая температура приводила не только к восстановлению ледяного покрова бассейна, но и к возрождению ледниковых щитов на континентах. Придавая огромное значение направлениям морских течений в формировании климата, А. И. Воейков писал: «Не вправе ли мы сказать, взвесив главные условия, влияющие на климат: без всякого изменения массы нынешних течений, без изменений средней температуры воздуха на земном шаре опять возможна температура в Гренландии, подобная бывшей там в миоценовый период, и опять возможны ледники в Бразилии. Для этого требуются лишь известные изменения, направляющие течения иным образом, чем теперь».

Много лет спустя академик Е. К. Федоров указал на необходимость тщательного изучения возможных изменений климата в связи с отклонением некоторых морских течений, считая, что оно должно стать одним из важнейших направлений в наших исследованиях. Поэтому будет полезным напомнить краткие характеристики современных океанических течений. Наиболее мощным теплым течением Мирового океана, оказывающим решающее воздействие на климат Северного полушария, является система течений Северной Атлантики под общим названием Гольфстрим. Система охватывает огромное пространство от Мексиканского залива до берегов Шпицбергена и Кольского полуострова. Собственно же Гольфстримом называется участок от места слияния Флоридского течения с Антильским (30° северной широты) до острова Ньюфаундленд. На широте 38° мощность достигает 82 млн. км³/сек, или 2585 тыс.км³/год.

В районе Новой Шотландии и южного края Ньюфаундлендской банки Гольфстрим соприкасается с холодными распресненными водами течения Кабота, а затем с водами холодного течения Лабрадор. Мощность Лабрадора составляет примерно 4 млн. м³/сек. Оно вместе с холодными водами выносит в район Большой Банки морские льды и айсберги. Льды морского происхождения обычно держатся над самой банкой и, попадая в воды Гольфстрима, быстро тают. Айсберги же имеют более продолжительную жизнь. Попав в воды Гольфстрима, они дрейфуют на северо-восток и далее снова на север, а нередко совершают длительное плавание по всей Северной Атлантике. В исключительных случаях они заносятся на юг, почти до 30° северной широты, а на восток почти до Гибралтара. Значительная часть айсбергов распространяется по окраинам Большой Банки, особенно по северным, где, садясь на мель, они остаются до тех пор, пока не растают настолько, что их уменьшенная осадка позволяет им продолжать свой дрейф дальше. Помимо морских льдов и айсбергов в районе Ньюфаундленда, как и у берегов Лабрадора, встречается и донный лед, по мере образования всплывающий на поверхность и участвующий в общем дрейфе льда.

Поскольку температурная разность контакта Гольфстрима и Лабрадора очень велика, воды Гольфстрима сильно охлаждаются. Пройдя Большую Ньюфаундлендскую банку, Гольфстрим под названием Северо-Атлантического течения движется на восток со средней скоростью 20—25 км/сутки и по мере продвижения к берегам Европы принимает северо-восточное направление. За банками Ньюфаундленда оно отделяет ветви-рукава, теряющиеся в водоворотах. Около 25° западной долготы от южного его края отходит большая ветвь Канарского течения к Пиренейскому полуострову. При подходе к Британским островам от Северо-Атлантического течения отделяется с левой стороны большая ветвь — течение Ирмингер, направляющееся на север в сторону Исландии; основная же масса, пересекая порог Уайвилла-Томсона, проходит в проливе между Шетландскими и Фарерскими островами и входит в Норвежское море. Линия порогов Уайвилла-Томсона, а затем Гренландско-Исландский порог являются четкой границей между Атлантическим и Ледовитым океанами. На глубине 1000 м к югу от Фареро-Шетландского порога, имеющего глубину менее 500 м, температура воды почти на 8° выше, чем к северу.

Соленость на той же глубине с южной стороны порога больше на 0,3°/00. Объяснение этой исключительной контрастности кроется в отклонении к западу глубинных слоев теплых вод на южной стороне, в то время как на северной стороне порога холодные воды отклоняются им на восток. В результате на севере от порога вся глубоководная часть Гренландского и Норвежского морей заполнена очень холодной и плотной водой. Эта система порогов также разграничивает области с преобладанием на поверхности атлантических и арктических вод. Северо-Атлантическое течение, минуя пролив между Фарерскими и Шетландскими островами, под названием Норвежского теплого течения проходит вдоль западного побережья Скандинавского полуострова.

В районе пересечения Северного полярного круга, с левой стороны от него отходит ветвь самостоятельного потока теплых вод, имеющая во все сезоны года устойчивое направление на север. Западнее мыса Нордкап, от Норвежского течения с правой стороны отходит на восток в Баренцево море Нордкапское течение. Восточнее 35 меридиана оно хотя и разбивается на мелкие струи, но играет заметную роль в термине Баренцева моря. Так, малая по мощности Мурманская ветвь делает Мурманский порт открытым круглый год для свободного плавания судов любого типа.

Вследствие большей плотности атлантические воды на значительной части акватории Баренцева моря погружаются под легкие слои местной воды. Часть атлантических вод проникает в Карское море. Вместе с тем теплая атлантическая вода под слоем местной полярной воды заходит в Баренцево море также и с севера, со стороны Арктического бассейна по глубоким желобам западнее и восточнее Земли Франца-Иосифа, куда она попадает как ответвление от уже глубинного Шпицбергенского течения. Левая ветвь Норвежского течения после отхода от него Нордкапской ветви идет на север под названием Шпицбергенского. Основной поток его при входе в пролив Шпицберген-Гренландия теряет часть своей кинетической и тепловой энергии за счет того, что пролив отражает часть водных масс и за счет бокового смешивания с водами встречного холодного Восточно-Гренландского течения. Отраженные водные массы движутся вначале в западном, а затем в южном направлении, вклиниваются в холодные струи Восточно-Гренландского течения и, смешиваясь с ними, образуют круговые течения в районе нулевого меридиана и 74—78° северной широты. Шпицбергенское течение проходит вдоль западных берегов Шпицбергена со скоростью около 6 км в сутки, со средней температурой воды 1,9° и соленостью 35°/₀₀.

Севернее Шпицбергена вследствие разности плотностей оно опускается под арктические воды и продолжает свой путь в Центральной Арктике уже в виде глубинного теплого течения. Но это не единственное место, где шпицбергенские теплые воды погружаются под холодные арктические. На Гренландском восточном мелководье всюду на глубинах более 200 м господствуют их высокие положительные температуры. Эти теплые воды могут проникать глубоко в заливы и фиорды. Разумеется, такое глубокое проникновение под встречные, быстро продвигающиеся на юг распресненные воды, несущие с собой не только паковые льды с глубокой осадкой, но и айсберги, не может происходить без большой потери кинетической энергии и тепла. Работами станции «Северный полюс-1» установлена весьма активная роль атлантических вод в отеплении верхнего холодного слоя. Даже зимой, несмотря на низкие зимние температуры воздуха, атлантические воды, действуя на льды снизу, все время их ослабляют. Это относится и к местным льдам, и к льдам, выносимым из Центральной Арктики в Гренландское море. Пробег вод Гольфстрима от Флоридского пролива до порога Томсона занимает 11 месяцев, а от порога Томсона до Шпицбергена около 13 месяцев.

Течение Ирмингера, отделившись при подходе к северным берегам Британских островов от Северного Атлантического течения, приобретает направление на север в сторону Исландии. Примерно на 63° северной широты течение раздваивается. Правая его часть уходит в Датский пролив и своими теплыми водами омывает не только западные берега Исландии, но и северные. В этом районе оно входит в соприкосновение с исландской ветвью Восточно-Гренландского течения и, смешиваясь с ее водами, охлаждается и движется на юго-восток. Левая, более мощная часть Ирмингера после разветвления поворачивает на юго-запад, а затем на юг, под косым сечением встречается с потоком вод и льдов Восточно-Гренландского течения. На стыке вод температура на расстоянии от 20 до 36 км понижается с 10 до 3°. В районе южной оконечности Гренландии течения Ирмингер и Восточно-Гренландское концентрически огибают мыс Фарвель и всю юго-западную часть острова и под названием Западно-Гренландского течения проходят через пролив Девиса в Баффинов залив. Восточно-Гренландское холодное течение, служащее основным трактом для стока вод и выноса льда из Арктического бассейна, получает свое начало на материковой отмели Азии. При постепенном перемещении от материка на север течение в районе Полюса раздваивается: одна ветвь направляется в американский сектор Арктики, другая — в сторону Гренландского моря.

У северо-восточного побережья Гренландии в Восточно-Гренландское течение вливаются воды холодного течения, идущего с запада вдоль северного побережья Гренландии. Ширина Восточно-Гренландского течения у 75—76° северной широты — 175— 220 км, скорость возрастает от двух миль в сутки под широтой 80° до 8 миль под 75°, до 9 миль под 70° и до 16— 18 миль под 65—66° северной широты; температура воды всюду ниже 0°. Пройдя Датский залив, оно соприкасается с теплым Ирмингером и вместе с ним огибает мыс Фарвель. В этом районе морские льды и айсберги, попадая в струи теплых вод, быстро тают. У мыса Фарвель ширина пояса плавучих льдов в отдельные месяцы достигает 250— 300 км, но благодаря теплым водам Ирмингера, севернее мыса Дезолейшн (62° северной широты), льды никогда не образуют здесь сомкнутого покрова, а ширина их пояса не превышает нескольких десятков километров.

Лабрадорское течение является продолжением холодного течения Баффиновой Земли, берущего начало у пролива Смита. Оно проходит вдоль берегов полуострова Лабрадор и далее на юг вдоль восточного берега Ньюфаундленда; мощность его примерно 130 000 км3/год. Оно несет морские льды и айсберги и, как уже отмечалось, сильно охлаждает воды Гольфстрима. Воды Лабрадора остаются холодными весь год, охлаждая и все омываемое им побережье. Тундровая растительность на Ньюфаундленде обязана своим существованием холодным водам Лабрадора. Примечательно, что почти на той же широте, но по другую сторону Атлантики, во Франции, произрастают лучшие сорта винограда. Рассматривая трассы течений Северной Атлантики, мы убеждаемся, насколько прав был А. И. Воейков, когда говорил, что направление морских течений играет огромную роль в формировании цлимата.

На одном и том же меридиане расположен далеко за полярным кругом незамерзающий порт Мурманск, а лежащие на 2500 км южнее азовские порты ежегодно замерзают на несколько месяцев. И, наконец, север Атлантического бассейна можно уподобить ванне, в которую через два крана вливается холодная вода (Лабрадор и Восточно-Гренландское течения) и через один — теплая вода Гольфстрима. Регулируя краны, мы можем менять термину Атлантики, а с ней и климат окружающих континентов. Признание большой роли морских течений в формировании климата определило с конца прошлого века пути региональных улучшений климатического режима, изменяя направления теплых и холодных течений. Наряду с этим развивались проекты крупных гидротехнических мероприятий по регулированию и переброске речного стока. Остановимся на главных гидротехнических проектах по мелиорации природных условий.