Океаны и морские течения: какие факторы определяют их направление и силу

Морская вода постоянно перемещается: ветер гонит верхние слои, различия температуры и солёности помогают формировать глубинную циркуляцию, а приливы создают повторяющиеся потоки у берегов. Поэтому течение нельзя объяснить одной причиной. Его направление и скорость зависят от сочетания сил, глубины, очертаний берегов и сезонных условий.

Океан покрывает около 71% поверхности Земли и содержит примерно 97% всей воды планеты. Течения связывают его отдельные части: переносят тепло, соль, растворённые газы и питательные вещества. Ниже — справочник о том, как устроены эти движения, чем различаются основные типы течений и почему их наблюдают не только океанологи, но и специалисты по климату, судоходству и морской экологии.

Что называют морским течением

Течением называют направленное движение водных масс относительно окружающей воды. Оно может быть заметно у поверхности или происходить на большой глубине, охватывать обширную часть океана либо возникать в проливе, заливе и прибрежной зоне. Скорость и направление не обязательно постоянны: они меняются в течение суток, сезона и более длительных периодов.

Океан не состоит из отдельных рек с чёткими берегами. Границы течений обычно условны: это области, где скорость или направление потока заметно отличаются от соседних вод. Кроме того, движение бывает многослойным: вода у поверхности может идти в одну сторону, а ниже — в другую. Поэтому на карте стрелка показывает обобщённую картину, а не неизменную траекторию каждой частицы воды.

Основные виды течений

• Поверхностные ветровые. Возникают главным образом под действием ветра и охватывают верхний слой океана. Ветер задаёт движение, но вращение Земли и форма океанического бассейна изменяют его направление.
• Глубинные и плотностные. Связаны с различиями плотности воды, зависящими прежде всего от температуры и солёности. Их перемещение составляет часть крупномасштабной циркуляции океана.
• Приливные. Повторяются под влиянием гравитационного взаимодействия Земли, Луны и Солнца. В узких проливах и у сложных берегов приливные потоки могут быть особенно сильными.
• Прибрежные и локальные. Их формируют местные ветры, приливы, береговая линия, подводный рельеф и приток речной воды. Такие потоки важны для конкретных бухт и участков побережья.

Эти категории не исключают друг друга. Например, поверхностное течение может одновременно испытывать воздействие ветра, вращения Земли, перепадов уровня и берегового рельефа. Крупные системы обычно состоят из множества связанных потоков, а не из одного однородного движения.

Факторы, которые задают направление и силу

Ветер и перенос воды у поверхности

Постоянные и сезонные ветры передают воде часть своей энергии через трение. Так формируются крупные поверхностные потоки, в том числе течения в субтропических океанических круговоротах. Ветер не перемещает весь водный столб одинаково: его непосредственное влияние сильнее в верхних слоях и постепенно ослабевает с глубиной.

Из-за вращения Земли направление движения отклоняется: в Северном полушарии — вправо относительно движения, в Южном — влево. Это проявление эффекта Кориолиса; у экватора он минимален. В идеализированной модели вызванный ветром перенос в верхнем слое направлен поперёк ветра, но в реальном океане его меняют глубина перемешивания, береговая линия и другие потоки.

Температура, солёность и плотность

Холодная вода обычно плотнее тёплой, а более солёная — плотнее менее солёной при сопоставимых условиях. Различия плотности способствуют вертикальному перемещению воды: более плотные массы могут опускаться, а вода вокруг них — занимать освободившееся пространство. Этот механизм участвует в глубинной циркуляции, которую часто называют термохалинной: название указывает на роль температуры и солёности.

Плотность зависит не только от одной характеристики, и образование глубинных вод происходит не повсюду одинаково. В высоких широтах охлаждение поверхности способствует увеличению плотности; при образовании морского льда часть соли остаётся в окружающей воде, повышая её солёность. Приток осадков, речной воды и таяние льда, напротив, могут опреснять поверхностный слой и влиять на перемешивание.

Перепады давления и уровень моря

Вода стремится перемещаться из областей с более высоким давлением в области с более низким. На практике распределение давления связано, в частности, с наклоном поверхности моря и различиями плотности в водной толще. Вращение Земли меняет направление такого движения, поэтому крупные потоки часто идут вдоль областей с близким уровнем давления, а не прямо вниз по склону поверхности.

Изменения уровня могут быть вызваны ветром, атмосферным давлением, нагреванием, охлаждением и притоком воды. Само по себе наличие небольшого наклона поверхности не означает, что вода будет быстро стекать в одну сторону: итог зависит от баланса давления, вращения планеты и трения.

Вращение Земли и форма океанических бассейнов

Эффект Кориолиса влияет на движение крупномасштабных потоков и вместе с системой ветров помогает организовать субтропические круговороты. В Северном полушарии такие круговороты в целом вращаются по часовой стрелке, а в Южном — против неё. Это общая закономерность, а не правило для каждого локального потока.

Вращение Земли также связано с тем, что западные пограничные течения крупных круговоротов обычно уже и быстрее восточных. К таким западным течениям относятся Гольфстрим в Атлантике и Куросио в Тихом океане. С другой стороны, холодные восточные пограничные течения, например Канарское и Калифорнийское, связаны с более широкими и относительно медленными потоками вдоль восточных окраин бассейнов.

Берега, рельеф дна и трение

Материки и острова направляют потоки, разделяют их или заставляют огибать препятствия. На мелководье и в узких проливах дно сильнее влияет на движение, чем в открытом океане. Подводные хребты, котловины и континентальные склоны могут менять путь глубинных вод и усиливать или ослаблять обмен между бассейнами.

Трение о дно и соседние слои замедляет движение и способствует перемешиванию. Когда поток проходит через пролив или огибает мыс, его скорость и направление могут резко меняться. Поэтому даже при одинаковых ветрах два побережья с разным рельефом не обязательно будут иметь одинаковую систему течений.

Приливы и сезонные изменения

Приливы регулярно меняют уровень моря и создают приливные течения. Их направление обычно меняется в течение приливного цикла, а сила зависит от геометрии побережья и глубины. В некоторых проливах приливное движение существенно для судоходства и перемешивания воды, хотя оно отличается от постоянных потоков, связанных с ветрами или плотностью.

Сезонные перемены ветров, осадков, речного стока и ледового покрова влияют на поверхностные течения. В тропической части Тихого океана изменения пассатов связаны с явлением Эль-Ниньо — частью климатической системы ENSO. Это не просто «тёплое течение»: меняются взаимодействия океана и атмосферы, положение тёплой воды, подъём глубинной воды у побережья Южной Америки и характер осадков в разных регионах.

Сравнение главных факторов

Крупные системы и известные примеры

Субтропические круговороты объединяют несколько течений и занимают большие области Атлантического, Тихого и Индийского океанов. В Северной Атлантике тёплая вода переносится на север системой потоков, в которую входит Гольфстрим; у берегов Северной Америки также формируются холодные течения. В северной части Тихого океана похожую роль в системе круговорота играет Куросио.

У западных берегов Южной Америки течёт холодное Перуанское, или Гумбольдтово, течение. Ветер может поднимать здесь к поверхности воду из глубины — процесс называется апвеллингом. Глубинная вода часто богата питательными веществами, поэтому зоны апвеллинга поддерживают продуктивные морские экосистемы и важные промысловые районы. Однако сила подъёма и его последствия зависят от конкретного места и условий.

Антарктическое циркумполярное течение движется преимущественно на восток вокруг Антарктиды. Его особенность — возможность непрерывно обходить земной шар, поскольку на этих широтах путь не перекрыт материками. Оно участвует в обмене водами между Атлантическим, Индийским и Тихим океанами, а ветры западных широт — один из важных факторов, поддерживающих его движение.

Как учёные наблюдают за течениями

Океан измеряют с судов, береговых станций, буёв и подводных приборов. Дрейфующие буи помогают отслеживать перемещение поверхности, а закреплённые измерительные системы собирают данные в определённых точках. Спутники наблюдают за температурой поверхности и её высотой; по изменениям уровня моря исследователи могут оценивать связанные с ним особенности крупных потоков.

Профилирующие буи международной программы Argo измеряют температуру и солёность верхних слоёв океана. Типичный цикл таких приборов включает погружение примерно до 2000 метров, измерения при подъёме и передачу данных после всплытия; существуют и специальные глубоководные варианты. Ни один способ не даёт полной картины сам по себе, поэтому наблюдения объединяют с океанографическими моделями и данными разных приборов.

Почему течения важны для климата и людей

Перенос тепла океаном влияет на распределение температуры между широтами и связан с климатом прибрежных районов. При этом погоду определяет не одно течение: важны также атмосферная циркуляция, сезон и география. Океан в целом поглощает большую часть избыточного тепла, накопленного климатической системой; оценка IPCC для периода 1971–2018 годов составляет около 91% прироста энергии системы в океане.

Течения переносят и перераспределяют питательные вещества, личинки организмов, планктон и загрязнители. Их знание помогает планировать морские перевозки, прогнозировать распространение некоторых загрязнений и оценивать условия для рыболовства. Но течение не гарантирует присутствие определённых видов: на экосистемы одновременно воздействуют температура, кислород, кормовая база и человеческая деятельность.

Что меняет потепление океана

Потепление и изменение количества пресной воды могут менять распределение плотности и перемешивание слоёв. Это способно влиять на отдельные компоненты циркуляции, но нельзя свести последствия к простой формуле «всё океаническое движение остановится». Оценки относятся к конкретным системам и временным масштабам, а выводы зависят от сценария выбросов и новых наблюдений.

IPCC оценивает ослабление Атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции (AMOC) в XXI веке как весьма вероятное при рассмотренных сценариях, но считает её резкий коллапс до 2100 года очень маловероятным при средней степени уверенности. AMOC — не другое название Гольфстрима: это более широкая система переноса воды в Атлантике, включающая поверхностные и глубинные потоки. Различение этих понятий важно, когда обсуждают возможные изменения океанической циркуляции.

Частые вопросы

Почему течение бывает тёплым или холодным?

Так его обычно называют относительно температуры окружающих вод или характерных условий региона. Тёплое течение переносит воду из более тёплых областей, а холодное — из более холодных; конкретная температура зависит от широты, сезона и глубины.

Может ли течение изменить направление?

Да. Направление меняется из-за сезонных ветров, приливов, атмосферных явлений и перестройки местного потока. Поэтому описание течения как «постоянного» обычно означает устойчивую среднюю картину, а не неизменное движение в каждой точке.

Все ли глубокие течения возникают из-за разницы температур?

Нет. Температура важна, но плотность зависит также от солёности, а движение ограничивают давление, вращение Земли, рельеф и трение. Глубинную циркуляцию формирует совместное действие этих причин.

Останавливается ли Гольфстрим при изменении AMOC?

Это разные, хотя и связанные элементы циркуляции Атлантики. Гольфстрим включает ветровую составляющую и не тождествен AMOC, поэтому ослабление одной системы нельзя автоматически описывать как полное прекращение другой.