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