Гольфстрим - узкое сильное океаническое течение, формируется в экваториальных широтах и движется на север вдоль атлантического побережья Северной Америки. Оно образует пограничную зону между относительно теплыми и солеными водами Саргассова моря и более холодными и опресненными водами материковой отмели. Название Гольфстрим (река из залива) отражает существовавшее ранее неправильное представление о том, что его источником являются воды Мексиканского залива В настоящее время установлено, что процент вод Мексиканского залива, вносимых в Гольфстрим, очень незначителен.
Терминология, используемая для системы Гольфстрима, довольно произвольна и неопределенна.
Так, название «Флоридское течение» — поток, выходящий из Карибского моря через Юкатанский пролив,— некоторые океанографы применяют лишь к потоку в пределах Флоридского пролива, другие — к потоку, распространяющемуся на север вплоть до мыса Хаттерас.
Термин «собственно Гольфстрим» относится к потоку, идущему на север от Флоридского течения до примерно района Большой Ньюфаундлендской банки. Течения за пределами Большой Ньюфаундлендской банки хорошо известны, им было дано объединяющее название - Северо-Атлантаческое течение. Восточнее мыса Хаттерас установить точную ширину Гольфстрима особенно трудно: здесь для потока характерны многочисленные течения, противотечения, разрывные зоны очень быстро несущихся потоков, меандры, вихри, поперечные токи и боковые потоки.
Часть североатлантической циркуляции от Юкатанского пролива до восточной границы Большой Ньюфаундлендской банки (иногда до Северной Европы) изредка называют Гольфстрим в широком смысле, но чаще — системой Гольфстрим. То, что эта система течений отделяет воды Саргассова моря от более холодных и пресных вод материковой отмели приводит к резким горизонтальным градиентам температуры и солености (и других гидрологических характеристик). Зона больших градиентов особенно хорошо выражена у поверхности, где на расстоянии длины судна могут встретиться разности температур порядка 10° С, а изменение цвета и прозрачности воды можно наблюдать визуально.
Стрежень Гольфстрима проходит вдоль западного края плато Блэк глубина распространения Гольфстрима ограничена изобатой 800 м. Зона резкого наклона изоплет, приблизительно соответствующая стрежню потока, прижата к материковому склону, так что единственной водной массой сторону материка от системы Гольфстрим является полоса довольно опресненных прибрежных вод материковой отмели.
Вблизи мыса Хаттерас Гольфстрим отходит от материкового склона и его структура резко меняется. Гольфстрим уже больше не ограничен топографией плато Блэк, а направлен вдоль материкового подножия, достигая глубин 4000—5000 м. Горизонтальные градиенты температур, характерные для Гольфстрима, снова наблюдаются на всех глубинах вплоть до дна, но вызвано это уже, по-видимому, большим объемом вод, характеризующихся как более низкой температурой, так и более низкой соленостью по сравнению с придонными водами
района плато Блэк.
На протяжении всего пути Гольфстрим от мыса Хаттерас до Большой Ньюфаундлендской банки эта четко выраженная зона больших градиентов отделяет воды Саргассова моря от прибрежных вод и вод материкового склона.
К северу от основной зоны больших градиентов имеется другая резкая переходная зона — пограничный слой между прибрежными водами и водами материкового склона. В поверхностном слое Гольфстрима обычно обнаруживается ядро вод повышенной температуры, наиболее сильно выраженное у самой поверхности, и ядро вод высокой солености с центром на глубине 100—200 м под слоем поверхностных вод, более пресных, чем прилегающие воды Саргассова моря. Обе особенности могут быть прослежены от Флоридского пролива до района Большой Ньюфаундлендской банки. Они обусловлены интенсивной адвекцией вод из более низких широт посредством быстрого поверхностного течения. Таким образом, обычное представление о Гольфстриме как о теплом течении, проходящем через более холодные воды, справедливо лишь для поверхностного слоя, но даже в самом поверхностном слое температура в ядре теплых вод превышает температуру вод Саргассова моря лишь на несколько градусов.
Величины скоростей Гольфстрима и масштаб их пространственно-временных изменений таковы, что это течение можно считать квазигеострофическим. Поток направлен приблизительно вдоль изобар, его скорость пропорциональна градиенту давления поперек потока, а большой горизонтальный градиент плотности, соответствующий вышеприведенным профилям температуры и солености, согласуется с хорошо выраженным разрывом по вертикали горизонтальных скоростей. Если предположить, что скорость глубинного течения весьма незначительна (десятые доли узла), то скорость в поверхностном слое может достигать 4—5 узлов. Скорость потока на глубине 2000 м равна нулю. Дальнейшие наблюдения показали, что для этого горизонта более характерны скорости порядка 10—20 см/с, но это расхождение не влияет сколько нибудь значительно на общую картину распределения скоростей. Ширина стрежня Гольфстрима около 50 миль. Для него характерны довольно сложная структура и высокие скорости для верхнего слоя в несколько сотен метров.
В пределах Флоридского пролива течение переносит 25—30*10^6 м3/с (почти в тысячу раз превышая расход реки Миссисипи, хотя, очевидно, средние значения переноса имеют порядок 10*10^6 м3/с). К северу от Флоридского пролива, в районе плато Блэк, расход Гольфстрима возможно, немного больше.
В этом районе Гольфстрима очень близко подходит к материковому склону — колебания его стрежня имеют здесь амплитуды лишь около 10 миль, с преобладающим периодом от нескольких дней до недели.
После мыса Хаттерас Гольфстрим можно описать как действительно весьма глубокое течение, возможно, достигающее дна, квазистационарное по направлению. В этом районе его перенос увеличивается во много раз из-за притока вод Саргассова моря и, возможно, вод склона.
Таким образом, если придонную скорость, предположить равной нулю, Траектория движения Гольфстрима, вероятно, в большей мере определяется рельефом материкового подножия. Гольфстрим стремится к меандрированию, в общем следуя рельефу дна, с амплитудой изгибов меандров приблизительно 40 миль и длиной волны 200 миль. Эти крупномасштабные меандры перемещаются и меняют форму довольно медленно, с периодом порядка месяца.
Вблизи 64° з. д. Гольфстрим отходит от материкового подножия в сторону абиссальной равнины, и амплитуды изгибов его меандров имеют тенденцию к увеличению в два раза и более. Это усиление меандрирования вызывается частично прекращением эффекта стеснения топографией склона и поведением течения в форме волн Россби и, возможно, также возмущающим эффектом многочисленных высоких подводных горных пиков в этом районе. В некоторых случаях вблизи подводных гор наблюдается отчленение меандров от Гольфстрима которые затем трансформируются в изолированные круговороты в Саргассоном море с характеристиками вод склона. Однако вполне возможно, что формирование круговоротов происходит и вследствие нестационарности отдельных систем течений.
В подповерхностном слое структура усложняется еще более из-за наличия большого числа потоков между мысом Хаттерас и Большой Ньюфаундлендской банкой. Резкая переходная зона между водами склона и прибрежными водами в районе к северу от Гольфстрима соответствует здесь вторичному, идущему на восток, течению — Течению вод склона. Глубина распространения последнею неизвестна; если оно распространяется до глубины 2000 м, то его расход будет порядка 10*10^6 м3/с. Между этим течением и самим Гольфстримом проходит противотечение, на что указывает обратный наклон изотерм слоя термоклина. Это противотечение уносит воды от Гольфстрима и поставляет их в Течение вод склона. "Слабые поверхностные противотечения иногда наблюдаются к востоку от Гольфстрима.
Некоторые немногочисленные данные непосредственных измерений течений в глубоководных районах материкового склона указывают на идущий на юго-запад поток с не большой скоростью и объемом переноса порядка 50*10^6 м3/с.
Глубинное противотечение, идущее под Гольфстримом, наблюдалось также непосредственно вблизи мыса Хаттерас и южнее на восточной стороне Гольфстрима около 33° с.ш. Его расход однако в этом районе равен лишь 7*10^6 м3/с. Эти разрозненные наблюдения, таким образом, позволяют высказать предположение о существовании глубинного противотечения в районе гольфстрима, однако данных характеризующих его устойчивость, размеры, происхождение и связь гольфстримом фактически нет.
По мере приближения Гольфстрима к Большой Ньюфаундлендской банке его расход уменьшается примерно на 20—30% из-за стока вод в Саргассово море и отделения Течения вод склона. Дальнейший курс Гольфстрима остается неизученным. Обычно полагают, что Гольфстрим поворачивает на север, огибает Большую Ньюфаундлендскую банку и затем снова идет на восток по направлению к Европе в виде несколько растекающегося, возможно разветвляющегося, потока. Согласовать такую схему циркуляции с распределением растворенного кислорода оказалось весьма трудно. Анализ данных по содержанию кислорода позволяет предположить, что как Гольфстрим, так и Течение вод склона, возможно, поворачивают на юг около Большой Ньюфаундлендской банки и могут быть далее прослежены исключительно только в пределах Северо-Западной Атлантики.
В таком случае течения, наблюдаемые к северу от Большой Ньюфаундлендской банки должны бы образовывать часть вторичного круговорота, лишь слабо связанного с круговоротом Гольфстрима.
Для решения этой дилеммы, безусловно, нужны более детальные съемки. Североатлантическая система циркуляции, в которой Гольфстрим является наиболее ярко выраженной частью, повидимому, обусловливается как напряжением ветра, оказываемым на поверхность моря пассатами и западными ветрами, так и совместным эффектом высокоширотного охлаждения и экваториального нагрева. Здесь заслуживают внимания теории вызванной ветром циркуляции в идеализированных океанических моделях. Согласно этим теориям, асимметричные квазигеострофические круговороты имеют узкие интенсивные потоки вблизи западных границ моделей и относительно слабые растекающиеся потоки в восточных районах.
В течении с поперечным градиентом давления, сбалансированным силой Кориолиса, западная интенсификация обусловливается меридиональной вариацией параметра Кориолиса.
При этом сохранение массы требует, чтобы северный поток сопровождался увеличением градиента давления вниз по течению для компенсации увеличения параметра Кориолиса Аналогично уменьшение градиента давления должно сопровождать движение, направленное на юг. Такие эффекты могут быть достигнуты наклоном изобар в направлении от мёридиональных границ в сторону смежного потока с тем неизбежным следствием, что возникнут малые по величине дополнительные продольные компоненты градиента давления, параллельные потоку.
Безотносительно, является ли циркуляция циклонической или антициклонической, одна из дополнительных компонент градиента давления на западной стороне потока действует в направлении движения, а другая, на восточной стороне,— в направлении, противоположном движению потока.
Способ, с помощью которого другие силы уравнонешивают эти дополнительные компоненты, решителено влияет на картину циркуляции. Таким образом, в антициклонической циркуляции (возбуждаемой зональной ветровой системой, в которой движение воздуха на восток усиливается по направлению к полюсам) связанное с ней поле давления может быть искажено с тем, чтобы уравновесить ту из дополнительных компонент градиента давления, которая препятствует движению вод, вызванному зональным распределением напряжения ветра: горизонтальный масштаб этого потока должен соответствовать масштабу ветрового поля.
Другая дополнительная компонента, действующая в направлении движения, может быть уравновешена только ускорением течения, т. е. интенсификацией потока, или фрикционным (турбулентным) замедлением. Подходящие оценки параметра трения в свою очередь показывают, что последний баланс может выполняться только в сравнительно узком и быстром потоке.
Следовательно, оба вида баланса требуют усиления течений вдоль западных берегов океана и ослабления у восточных берегов. (Такая же асимметрия должна была бы характеризовать циклоническую циркуляцию, возбуждаемую ветровой системой с противоположным меридиональным сдвигом скорости.)
Хотя такие схемы циркуляции качественно аналогичны наблюдаемым, а рассматриваемые механизмы, безусловно, согласуются с природой Гольфстрима, теории для реальных океанических моделей или для изучения океанических систем реальной сложности еще не разработаны
Терминология, используемая для системы Гольфстрима, довольно произвольна и неопределенна.
Так, название «Флоридское течение» — поток, выходящий из Карибского моря через Юкатанский пролив,— некоторые океанографы применяют лишь к потоку в пределах Флоридского пролива, другие — к потоку, распространяющемуся на север вплоть до мыса Хаттерас.
Термин «собственно Гольфстрим» относится к потоку, идущему на север от Флоридского течения до примерно района Большой Ньюфаундлендской банки. Течения за пределами Большой Ньюфаундлендской банки хорошо известны, им было дано объединяющее название - Северо-Атлантаческое течение. Восточнее мыса Хаттерас установить точную ширину Гольфстрима особенно трудно: здесь для потока характерны многочисленные течения, противотечения, разрывные зоны очень быстро несущихся потоков, меандры, вихри, поперечные токи и боковые потоки.
Часть североатлантической циркуляции от Юкатанского пролива до восточной границы Большой Ньюфаундлендской банки (иногда до Северной Европы) изредка называют Гольфстрим в широком смысле, но чаще — системой Гольфстрим. То, что эта система течений отделяет воды Саргассова моря от более холодных и пресных вод материковой отмели приводит к резким горизонтальным градиентам температуры и солености (и других гидрологических характеристик). Зона больших градиентов особенно хорошо выражена у поверхности, где на расстоянии длины судна могут встретиться разности температур порядка 10° С, а изменение цвета и прозрачности воды можно наблюдать визуально.
Стрежень Гольфстрима проходит вдоль западного края плато Блэк глубина распространения Гольфстрима ограничена изобатой 800 м. Зона резкого наклона изоплет, приблизительно соответствующая стрежню потока, прижата к материковому склону, так что единственной водной массой сторону материка от системы Гольфстрим является полоса довольно опресненных прибрежных вод материковой отмели.
района плато Блэк.
На протяжении всего пути Гольфстрим от мыса Хаттерас до Большой Ньюфаундлендской банки эта четко выраженная зона больших градиентов отделяет воды Саргассова моря от прибрежных вод и вод материкового склона.
К северу от основной зоны больших градиентов имеется другая резкая переходная зона — пограничный слой между прибрежными водами и водами материкового склона. В поверхностном слое Гольфстрима обычно обнаруживается ядро вод повышенной температуры, наиболее сильно выраженное у самой поверхности, и ядро вод высокой солености с центром на глубине 100—200 м под слоем поверхностных вод, более пресных, чем прилегающие воды Саргассова моря. Обе особенности могут быть прослежены от Флоридского пролива до района Большой Ньюфаундлендской банки. Они обусловлены интенсивной адвекцией вод из более низких широт посредством быстрого поверхностного течения. Таким образом, обычное представление о Гольфстриме как о теплом течении, проходящем через более холодные воды, справедливо лишь для поверхностного слоя, но даже в самом поверхностном слое температура в ядре теплых вод превышает температуру вод Саргассова моря лишь на несколько градусов.
Величины скоростей Гольфстрима и масштаб их пространственно-временных изменений таковы, что это течение можно считать квазигеострофическим. Поток направлен приблизительно вдоль изобар, его скорость пропорциональна градиенту давления поперек потока, а большой горизонтальный градиент плотности, соответствующий вышеприведенным профилям температуры и солености, согласуется с хорошо выраженным разрывом по вертикали горизонтальных скоростей. Если предположить, что скорость глубинного течения весьма незначительна (десятые доли узла), то скорость в поверхностном слое может достигать 4—5 узлов. Скорость потока на глубине 2000 м равна нулю. Дальнейшие наблюдения показали, что для этого горизонта более характерны скорости порядка 10—20 см/с, но это расхождение не влияет сколько нибудь значительно на общую картину распределения скоростей. Ширина стрежня Гольфстрима около 50 миль. Для него характерны довольно сложная структура и высокие скорости для верхнего слоя в несколько сотен метров.
В пределах Флоридского пролива течение переносит 25—30*10^6 м3/с (почти в тысячу раз превышая расход реки Миссисипи, хотя, очевидно, средние значения переноса имеют порядок 10*10^6 м3/с). К северу от Флоридского пролива, в районе плато Блэк, расход Гольфстрима возможно, немного больше.
В этом районе Гольфстрима очень близко подходит к материковому склону — колебания его стрежня имеют здесь амплитуды лишь около 10 миль, с преобладающим периодом от нескольких дней до недели.
После мыса Хаттерас Гольфстрим можно описать как действительно весьма глубокое течение, возможно, достигающее дна, квазистационарное по направлению. В этом районе его перенос увеличивается во много раз из-за притока вод Саргассова моря и, возможно, вод склона.
Таким образом, если придонную скорость, предположить равной нулю, Траектория движения Гольфстрима, вероятно, в большей мере определяется рельефом материкового подножия. Гольфстрим стремится к меандрированию, в общем следуя рельефу дна, с амплитудой изгибов меандров приблизительно 40 миль и длиной волны 200 миль. Эти крупномасштабные меандры перемещаются и меняют форму довольно медленно, с периодом порядка месяца.
Вблизи 64° з. д. Гольфстрим отходит от материкового подножия в сторону абиссальной равнины, и амплитуды изгибов его меандров имеют тенденцию к увеличению в два раза и более. Это усиление меандрирования вызывается частично прекращением эффекта стеснения топографией склона и поведением течения в форме волн Россби и, возможно, также возмущающим эффектом многочисленных высоких подводных горных пиков в этом районе. В некоторых случаях вблизи подводных гор наблюдается отчленение меандров от Гольфстрима которые затем трансформируются в изолированные круговороты в Саргассоном море с характеристиками вод склона. Однако вполне возможно, что формирование круговоротов происходит и вследствие нестационарности отдельных систем течений.
В подповерхностном слое структура усложняется еще более из-за наличия большого числа потоков между мысом Хаттерас и Большой Ньюфаундлендской банкой. Резкая переходная зона между водами склона и прибрежными водами в районе к северу от Гольфстрима соответствует здесь вторичному, идущему на восток, течению — Течению вод склона. Глубина распространения последнею неизвестна; если оно распространяется до глубины 2000 м, то его расход будет порядка 10*10^6 м3/с. Между этим течением и самим Гольфстримом проходит противотечение, на что указывает обратный наклон изотерм слоя термоклина. Это противотечение уносит воды от Гольфстрима и поставляет их в Течение вод склона. "Слабые поверхностные противотечения иногда наблюдаются к востоку от Гольфстрима.
Некоторые немногочисленные данные непосредственных измерений течений в глубоководных районах материкового склона указывают на идущий на юго-запад поток с не большой скоростью и объемом переноса порядка 50*10^6 м3/с.
Глубинное противотечение, идущее под Гольфстримом, наблюдалось также непосредственно вблизи мыса Хаттерас и южнее на восточной стороне Гольфстрима около 33° с.ш. Его расход однако в этом районе равен лишь 7*10^6 м3/с. Эти разрозненные наблюдения, таким образом, позволяют высказать предположение о существовании глубинного противотечения в районе гольфстрима, однако данных характеризующих его устойчивость, размеры, происхождение и связь гольфстримом фактически нет.
По мере приближения Гольфстрима к Большой Ньюфаундлендской банке его расход уменьшается примерно на 20—30% из-за стока вод в Саргассово море и отделения Течения вод склона. Дальнейший курс Гольфстрима остается неизученным. Обычно полагают, что Гольфстрим поворачивает на север, огибает Большую Ньюфаундлендскую банку и затем снова идет на восток по направлению к Европе в виде несколько растекающегося, возможно разветвляющегося, потока. Согласовать такую схему циркуляции с распределением растворенного кислорода оказалось весьма трудно. Анализ данных по содержанию кислорода позволяет предположить, что как Гольфстрим, так и Течение вод склона, возможно, поворачивают на юг около Большой Ньюфаундлендской банки и могут быть далее прослежены исключительно только в пределах Северо-Западной Атлантики.
В таком случае течения, наблюдаемые к северу от Большой Ньюфаундлендской банки должны бы образовывать часть вторичного круговорота, лишь слабо связанного с круговоротом Гольфстрима.
Для решения этой дилеммы, безусловно, нужны более детальные съемки. Североатлантическая система циркуляции, в которой Гольфстрим является наиболее ярко выраженной частью, повидимому, обусловливается как напряжением ветра, оказываемым на поверхность моря пассатами и западными ветрами, так и совместным эффектом высокоширотного охлаждения и экваториального нагрева. Здесь заслуживают внимания теории вызванной ветром циркуляции в идеализированных океанических моделях. Согласно этим теориям, асимметричные квазигеострофические круговороты имеют узкие интенсивные потоки вблизи западных границ моделей и относительно слабые растекающиеся потоки в восточных районах.
В течении с поперечным градиентом давления, сбалансированным силой Кориолиса, западная интенсификация обусловливается меридиональной вариацией параметра Кориолиса.
При этом сохранение массы требует, чтобы северный поток сопровождался увеличением градиента давления вниз по течению для компенсации увеличения параметра Кориолиса Аналогично уменьшение градиента давления должно сопровождать движение, направленное на юг. Такие эффекты могут быть достигнуты наклоном изобар в направлении от мёридиональных границ в сторону смежного потока с тем неизбежным следствием, что возникнут малые по величине дополнительные продольные компоненты градиента давления, параллельные потоку.
Безотносительно, является ли циркуляция циклонической или антициклонической, одна из дополнительных компонент градиента давления на западной стороне потока действует в направлении движения, а другая, на восточной стороне,— в направлении, противоположном движению потока.
Способ, с помощью которого другие силы уравнонешивают эти дополнительные компоненты, решителено влияет на картину циркуляции. Таким образом, в антициклонической циркуляции (возбуждаемой зональной ветровой системой, в которой движение воздуха на восток усиливается по направлению к полюсам) связанное с ней поле давления может быть искажено с тем, чтобы уравновесить ту из дополнительных компонент градиента давления, которая препятствует движению вод, вызванному зональным распределением напряжения ветра: горизонтальный масштаб этого потока должен соответствовать масштабу ветрового поля.
Другая дополнительная компонента, действующая в направлении движения, может быть уравновешена только ускорением течения, т. е. интенсификацией потока, или фрикционным (турбулентным) замедлением. Подходящие оценки параметра трения в свою очередь показывают, что последний баланс может выполняться только в сравнительно узком и быстром потоке.
Хотя такие схемы циркуляции качественно аналогичны наблюдаемым, а рассматриваемые механизмы, безусловно, согласуются с природой Гольфстрима, теории для реальных океанических моделей или для изучения океанических систем реальной сложности еще не разработаны