К.Ю.БОГДАНОВ,
школа № 1326, г. Москва
KBogdanov@mtu-net.ru

Что тянет Гольфстрим на север?

Океанские воды, находясь в постоянном движении, переносят тепло от экваториальных широт к полюсам, что уравнивает температуру на поверхности Земли и влияет на её климат. Океанские течения образуются и находятся под влиянием ветров, солёности воды, её температуры, топографии океанского дна и силы Кориолиса, вызванной вращением Земли вокруг оси.

Гольфстрим (Gulf Stream – в переводе с английского, поток из залива) – тёплое поверхностное течение (рис. 1), несёт около 150 млн м³ воды в секунду из Мексиканского залива в Северную Атлантику и достигает берегов Западной Европы, где меняет своё название на Северо-Атлантическое течение. Оно смягчает климат северо-запада Европы и остывает с приближением к полюсу. Тёплую воду для Гольфстрима приносят пассаты – ветры, дующие на запад в экваториальных широтах. Тёплое экваториальное течение, разогнавшись от Африки, разбивается у берегов Америки на два: одно идёт на север (Гольфстрим), а другое – на юг (Бразильское).

Рис. 1. Карта Атлантического океана. Жирной стрелкой обозначен Гольфстрим

Между Кубой и Флоридой Гольфстрим имеет скорость около 5 км/ч, ширину около 70 км, глубину 700 м и температуру 25 °С. Двигаясь на северо-восток, Гольфстрим постепенно расширяется и замедляется, и на полпути к Европе его скорость составляет уже не более 7 км/сут.

Для сравнения: самая полноводная река в мире, Амазонка, несёт в Тихий океан воды лишь около 0,2  млн м³/с – в 10 000 раз меньше, чем Гольфстрим. Что касается Амазонки, как, впрочем, и всех остальных рек, вода в них течёт по наклонной – с гор в моря и океаны. Трудно себе представить, чтобы Гольфстрим «скатывался» с экватора к Северному полюсу, как с горы. Что же тогда тянет Гольфстрим на север?

Но сначала ответим на другой вопрос: куда в Северной Атлантике исчезает такое огромное количество воды, пришедшее с Гольфстримом? Ответ, казалось бы, очень простой: вода у берегов Гренландии остывает и уходит на дно, а потом с холодным глубинным течением возвращается к экватору, всплывает, нагревается Солнцем и опять с Гольфстримом несётся к Гренландии (рис. 2).

Рис. 2. Схематический вертикальный разрез Атлантического океана от берегов Флориды до Гренландии. Двумя светлыми стрелками показано движение Гольфстрима по поверхности океана, а чёрными – обратное холодное глубинное течение, возвращающее воды к экватору. Цифрами обозначены температура и солёность воды

Круговорот воды в Атлантике напоминает картину конвективных потоков воды в кастрюле, центральная часть дна которой подогревается газовой горелкой (рис.3). Чёрные стрелки на рисунке показывают направление движения жидкости в кастрюле: жидкость поднимается в центре от дна, потом движется к стенкам и опускается вдоль них опять на дно. Эти конвективные потоки легко сделать видимыми, если опустить в кастрюлю какие-нибудь маленькие частички (фильтровальной бумаги или промокашки) или добавить в неё несколько капель краски.

Рис. 3. Схематический разрез кастрюли с водой, стоящей на газовой горелке. Стрелками обозначены направления конвективных потоковводы

Объяснить движение воды в кастрюле, стоящей на огне, довольно просто: вода, нагреваясь у дна кастрюли, уменьшает свою массовую плотность и поднимается вверх, а ей на смену приходит остывшая у стенок вода, имеющая большую плотность. На рис. 4 показано, как изменяется плотность воды при нагревании.

Рис. 4. Зависимость плотности воды от температуры

Чтобы объяснить таким же образом движение Гольфстрима через Атлантику, нам надо знать, как изменяется температура воды на поверхности от экватора до Гренландии и по глубине (от поверхности до дна). На рис. 2 показано, что разница температур в январе между температурой в Мексиканском заливе и у берегов Гренландии составляет около 30 °С, а глубинные воды Атлантики (на глубине более 3000 м) имеют одинаковую температуру – около 3 °С. Температура же глубинных и поверхностных вод у берегов Гренландии практически не отличается. Достаточно ли такого распределения температур, чтобы толкать Гольфстрим от Флориды к берегам Гренландии?

Конвективные потоки воды в кастрюле, стоящей на огне, возникают из-за того, что её нагревают снизу. Нагрев кастрюли сверху (например, лампой) повысит температуру верхних слоёв жидкости больше, чем нижних, верхние слои станут легче нижних, но никакого движения воды это не вызовет, т.к. верхние слои и до нагрева были наверху! Океан нагревается сверху, а температура верхних слоёв океана всегда выше, чем нижних, поэтому такое распределение температуры не сможет стать движителем Гольфстрима. Что же всё-таки толкает Гольфстрим на север?

Как и в случае с кастрюлей на огне, в Атлантике должны быть места, где более лёгкие слои воды поднимались бы с глубины и (или) более тяжёлые слои опускались бы с поверхности на глубину. Эти места и могли бы служить «моторами» Гольфстрима. Здесь нам необходимо вспомнить, что вода в океане солёная, а плотность воды зависит не только от температуры, но и от её солёности. На рис. 5 показана зависимость плотности воды от солёности.

Рис. 5. Зависимость плотности воды от содержания в ней хлористого натрия при 15 °С

Большая часть солей, содержащихся в морской воде, – это соли земных минералов. Реки, стекая с гор, по пути в моря и океаны вымывают соли из камней, делая морскую воду солёной. Содержание соли в океане составляет в среднем около 3%, и 85% всех солей, растворённых в океанской воде, – это NaCl. Масса океанской соли так велика, что если всю её уложить вдоль земного экватора стеной шириной 1 км, то высота этой соляной стены составила бы 500 км!

А теперь посмотрим опять на рис. 2 и обратим внимание на то, что около берегов Гренландии солёность воды, а значит, её плотность резко увеличиваются. Происходит это потому, что даже в июле температура воздуха в Гренландии не поднимается выше –20 °С. В результате весь год у берегов Гренландии океанская вода замерзает и превращается в лёд. Так как лёд пресный (не содержит соли), то под ним концентрация соли очень высока. Вода под гренландским льдом не только очень солёная, но и тяжёлая (см. рис. 5). Поэтому она опускается на дно, а на образовавшееся «пустое» место у берегов Гренландии поступает лёгкая вода Гольфстрима. Опускающиеся на дно солёные и холодные воды образуют в нескольких сотнях километрах к югу от Гренландии водовороты диаметром 10–15 км, которые хорошо видны из космоса и были отмечены на многих древних морских картах. Итак, можно считать, что мороз у берегов Гренландии «притягивает» к себе Гольфстрим.

Гольфстрим делает климат в Западной Европе очень мягким, и зимняя температура, например, в Лиссабоне, никогда не опускается ниже +10 °С, хотя в Нью-Йорке, находящемся вдалеке от Гольфстрима, но на той же широте, температура зимой часто опускается ниже 0 °С. Учёные утверждают, что мягкий климат способствовал развитию цивилизации в Западной Европе. Глобальное потепление, постепенно увеличивающее температуру нашей планеты, может лишить Гренландию своей притягательной силы. Происходящее таяние ледников Гренландии уменьшает солёность воды у её берегов, а это, в свою очередь, лишает Гольфстрим силы, толкающей его на север. Когда это происходит, Европа на некоторое время замерзает, что, например, произошло в феврале–марте этого года. Учёные оценили, как может измениться климат в Европе, если глобальное потепление не будет остановлено и Гренландия лишится своей притягательной для Гольфстрима силы. Самый худший сценарий – это возвращение в Европу ледникового периода в течение 2–3 лет. Наиболее же вероятное развитие событий – более суровые зимы, засухи летом, неурожаи и, как следствие, войны. Есть несколько способов сохранить Гольфстриму его былую силу. Один из них – уменьшить количество выбрасываемых «парниковых» газов.