Целью советских ученых было изучение океанических движений во времени и пространстве. Эксперимент увенчался успехом. Последующие расчеты показали, что во время работ на полигоне через него прошел холодный океанский циклон. Так впервые в океанографии целенаправленными измерениями было подтверждено, что в океане существуют вихревые образования — циклоны и антициклоны. В силу того, что их размеры меньше размеров крупных океанских течений и больше размеров мелкомасштабных движений в океане, для них был принят общий термин — синоптические движения, по аналогии с физически подобными возмущениями в атмосфере.
Результаты, полученные во время Аравийского эксперимента, далеко превзошли даже самые смелые ожидания. Была доказана тесная связь между волнами Россби и вихрями в океане. По этому поводу американский ученый П. Райнз сказал: «Слабые вихри — это волны». Действительно, общим у них является то, что и те, и другие — осциллирующие (зачастую синусоидальные) и распространяются на запад на огромные расстояния. Тем самым они способствуют переносу энергии к западным берегам океанов и интенсифицируют течения в этих районах.
Вопрос о циклонах и антициклонах заинтересовал не только советских ученых, но и их американских коллег. В этом плане особую известность получила экспедиция на американском судне «Эрайез» в 1959–1960 гг. Эта экспедиция должна была провести ряд глубоководных исследований течений Атлантического океана. Считалось, что они перемещаются равномерно на север со скоростью меньше сантиметра в секунду. Но во время проведения эксперимента поплавки двигались хаотически, причем со скоростью, достигавшей на глубине четырех километров 10 сантиметров в секунду. Это открытие привело к изменению программы работ. Окончательная обработка данных позволила предположить, что открыты вихревые образования диаметром почти 200 километров, с временным периодом от нескольких недель до нескольких месяцев и с большой энергетической плотностью. Ученые пришли к выводу, что для более тщательного изучения этих образований необходимо провести долговременный эксперимент с более густой пространственной сеткой измерений.
Вихри в океане и атмосфере
Большинство людей считает, что вихрь — это круговое движение. Обычно это понятие связывается с явлениями, наблюдаемыми в водных потоках, ручьях, а также с воздушными вихрями. Нам трудно себе представить вихревое образование, чьи размеры по горизонтали исчисляются несколькими сотнями километров, а в высоту достигают несколько километров. Таковы обычно масштабы вихрей в океане, а в атмосфере они в десятки раз больше. Характерное время[3] океанических вихрей несколько месяцев, а атмосферных — всего несколько дней. Но несмотря на эти отличия, и океан и атмосфера _ генерируют вихревые образования — циклоны и антициклоны, которые, перемещаясь в пространстве, переносят водные и воздушные массы на огромные расстояния.
Как уже отмечалось, после усреднения за продолжительный отрезок времени элементы атмосферной циркуляции, связанные с вихрями в атмосфере, исчезают. Означает ли это, что влияние вихрей на глобальные процессы в атмосфере несущественно? Прежде чем ответить на этот вопрос, сделаем небольшое отступление в области термодинамики. Все знают, что молекулы находятся в непрерывном движении и постоянно взаимодействуют друг с другом. Внешним выражением движения молекул в твердых телах, жидкостях и газах является температура. Что же произойдет, если мы возьмем, например, металлический прут и нагреем его с одного конца? Молекулы в этом конце начнут двигаться быстрее и станут чаще сталкиваться друг с другом. Более быстрые молекулы, ударяясь о более «ленивые», отдадут им часть своей энергии, в результате чего постепенно движение всех молекул станет более интенсивным, т. е. повысится температура и в том конце, который не нагревался.
Когда мы приготовляем себе пищу на электроплитке, конечно, никто из нас даже не думает о том, какую бесценную услугу оказывают нам молекулы, переносчики тепла. Мы их не видим, да и кто станет задумываться над этим, когда всех интересует лишь конечный результат нагревания. Однако это невидимое движение волнует ученых.
А теперь снова вернемся к атмосфере. Выражаясь образно, циклоны и антициклоны — это гигантские молекулы диаметром в тысячу километров, которые играют в общей циркуляции атмосферы совершенно определенную роль. Их задача — извлекать энергию из тех областей, где она наиболее сконцентрирована (например, в экваториальной и тропической областях), и переносить ее в места, где ее немного (например, на север). Эти «гигантские молекулы» привлекли пристальное внимание ученых тогда, когда встал вопрос о механизмах движений в атмосфере, а точнее, о структуре движений. В этом смысле циклоны и антициклоны, хотя они и недолговечны, подробно «рассказывают» о сущности атмосферных процессов, оставляя и свой след в состоянии атмосферы.
Нам все еще неизвестно, каково значение океанических вихрей для общей циркуляции океана. Ответить на этот вопрос нам поможет некоторая аналогия между движением в атмосфере и океане. Но несмотря на то, что океанические вихри — аналоги атмосферных, все же нельзя с уверенностью утверждать, что их значение такое же, как и атмосферных. Прежде необходимо подробно рассмотреть структуру вихрей в океане, их поведение, эволюцию и т. д. И только тогда можно дать однозначный ответ на вопрос, откуда берется энергия в океане, куда она уходит и какова роль вихрей в формировании динамики океана.
Удачным методом изучения движения жидкости и газов на Земле является их моделирование в лабораторных условиях. В этом отношении можно использовать опыт конструкторов самолетов. Они помещают свои небольшие модели в искусственные каналы, направляют на них воздушную струю и изучают поведение самолета. Но при оценке результатов необходимо учитывать лабораторные масштабы модели. Такой подход очень часто используется и при исследовании вихрей в океане и атмосфере, которые отличаются особыми размерами во времени и пространстве. В основном эти размеры определяются относительными изменениями плотности жидкости в вертикальном направлении. Например, в атмосфере отношение вертикального изменения плотности к самой плотности приблизительно в 250 раз больше такого отношения для океана. Вследствие этого размеры океанических циклонов и антициклонов приблизительно в 16 раз (√250) меньше размеров их атмосферных аналогов. Этот теоретический вывод не раз подтверждался и на практике.
Как можно определить характерное время для циклонов и антициклонов в атмосфере и океане? Это можно сделать и путем теоретических расчетов, и экспериментальным путем. Опыт показывает, что соотношение характерных времен атмосферных и океанических вихрей приблизительно равно соотношению горизонтальных масштабов океанических вихрей к масштабу атмосферных. Эта зависимость имеет серьезное теоретическое объяснение. Чтобы его понять, необходимо вновь вспомнить о пионере в области теоретической метеорологии и океанографии— шведском геофизике Россби.
Мы уже говорили о том, что в результате активности муссонов в Индийском океане зарождается Сомалийское течение. Но при чем тут вихри, спросите вы. забыв слова американского океанографа П. Райнза о том, что слабые вихри — это волны. Слабые вихри в данном случае — это такие вихри, у которых скорость кругового движения по отношению к скорости поступательного движения вихря невелика. В результате атмосферной активности над океаном в нем возбуждаются волны Россби, которые распространяются на запад. Они взаимодействуют друг с другом, усиливаются и вызывают подлинно «сильные» вихри. В них скорость орбитального движения превышает скорость перемещения вихря как единого целого иногда более чем в сто раз.
Одной из величайших заслуг Россби является то, что он открыл теоретическую зависимость частоты планетарных волн от их длины. Согласно этой зависимости, частота пропорциональна длине волны, а это означает, что ее период обратно пропорционален ее длине. С другой стороны, длина волн Россби равна характерным масштабам вихрей в океане и атмосфере.
Сегодня теория Россби находит свое подтверждение при изучении вихрей в атмосфере и океане. Исследования показывают, что характерное время обратно пропорционально их горизонтальным размерам. Отсюда мы легко сможем привести к определенному масштабу процессы в атмосфере и океане. Так как характерные размеры вихрей в океане в 16 раз меньше размеров атмосферных вихрей, период последних в 16 раз короче, чем у первых. Это означает, что горизонтальный масштаб для океана — 100 км будет соответствовать атмосферному масштабу 1600 км, т. е. океаническому периоду в тридцать дней будут соответствовать два атмосферных дня.
