Парадоксальное разделение

Итак, перед нами вырисовывается главная проблема океана как системы жизнеобеспечения. С одной стороны, для строительства живых клеток необходима энергия, а вся энергия сосредоточена у поверхности океана, где воду осеняют живительные солнечные лучи. С другой стороны, неумолимая сила тяжести вкупе с процессами распада методично похищает питательные вещества из теплого поверхностного слоя и транспортирует их в океанские глубины. В результате эти вещества – важнейшие кирпичики для синтеза живой органической материи – становятся узниками придонных слоев, куда не проникает солнечный свет. Будучи более плотной, чем вышележащие слои, богатая питательными веществами вода так и остается на глубине. Таков величайший парадокс океанической машины: из-за особенностей своего слоистого устройства океан насильно разделяет два критически важных ингредиента – энергию и материалы. Можно подумать, он нарочно пытается задушить ростки жизни.

И это вовсе не теоретическая абстракция. Взгляните на царственную синь в самом сердце Тихого океана, в северной его части. Что за ослепительное диво – будто художник выдавил из тюбика чистейший ультрамарин или прошелся сочными мазками кобальтовой пастели. Если опустить камеру ниже ватерлинии, вы с идеальной четкостью – почти как на суше – увидите обшивку корабля, на борту которого находитесь. Кристально прозрачная влага просматривается на сотни метров в глубину. Смотреть, правда, особо не на что. Поверхностные воды ничем не заполнены: хотя они и купаются в солнечных лучах, питательных веществ тут нет. Есть только вода – одна вода, без примесей биологического мусора и живых организмов. Открытый океан вообще часто напоминает этакую жидкую пустыню, крайне бедную пищей и потому практически необитаемую. На глубине нескольких сот метров картина меняется: питательные вещества тут в изобилии, но при этом вода более плотная, чем наверху, и подняться к свету не может. Если слои океана статичны, то все питательные вещества намертво заперты в придонной темнице, и их животворящий потенциал не реализуется. Другими словами, фитопланктон лишается возможности преобразовывать солнечную энергию в энергию органических молекул, а значит, и все остальное население океана автоматически остается без пищи.

Однако не все потеряно. Как уже говорилось, когда тропические ветры оттесняют от тихоокеанского побережья Чили теплый поверхностный слой, на смену ему устремляются холодные, богатые питательными веществами глубинные воды, которые, попадая в объятия солнечных лучей, порождают фантастическое богатство жизни. Мы достаточно говорили о процессах, способствующих разделению и обособлению разных зон океана, но теперь видим, что эти процессы не всесильны. Бывают и исключения, и именно они наиболее плодотворны: очаги жизни в океане создаются в тех местах, где питательные вещества не погребены на дне, а соединяются с солнечным светом. Пришла, стало быть, пора обратиться к одному из важнейших, пусть и невидимых, механизмов нашей жидкой машины: перемешиванию. Что нужно для встречи

Описанный парадокс касается не только условий развития подводной жизни, но динамики океана в целом. Если бы вся холодная и соленая вода лежала мертвым грузом на дне, а более теплая и пресная собиралась на поверхности, колеса океанической машины попросту бы остановились. К счастью для нас, они все-таки крутятся, благо есть импульсы, которые постоянно «взбадривают» океан, не давая ему застыть в пассивном состоянии. Было бы, однако, неправильно воспринимать эти импульсы как должное: они даются не так просто.

Как ясно всякому, кто хоть однажды делал упражнения с гирями (или хотя бы просто поднимался по лестнице), для подъема тел необходима энергия. Чем предмет крупнее и чем выше его плотность, тем больше требуется энергии, чтобы его поднять^[115]. Соответственно, перемешать водные слои разной плотности – задача далеко не тривиальная. Откуда-то должна взяться достаточная энергия, за счет которой более холодные и плотные массы смогут подняться к поверхности и перемешаться с теплыми. Помешивая ложечкой чай, вы тоже сообщаете ему определенный импульс, но даже этого не замечаете, ведь много энергии у вас не уходит. Другое дело – океан. Он, как вы догадываетесь, несоизмеримо больше, чем стакан чая, и для перемешивания даже небольшой его части понадобится огромное количество энергии^[116]: поднять вверх гигантскую порцию холодной, высокоплотной воды не так-то легко. Вообще, чтобы постоянно выводить океан из состояния покоя, нужны две вещи: во-первых, непрерывный приток колоссального количества энергии для перемешивания водных масс, а во-вторых, механизм, через который эта энергия будет передаваться океану. Мы уже имели случай убедиться, что океан никак не назовешь стоячей заводью. Его слои все время находятся в движении. И очевидно, есть некий «генератор», запускающий эти процессы.

Вопрос серьезный и принципиальный: где же тот источник могучей энергии, необходимой для перемешивания водных масс? Он явно должен существовать, ведь океаническая машина не ведает покоя. В действительности таких источников несколько, как и каналов переноса энергии, и один из важнейших каналов относится к числу самых неочевидных. Обитатели кораллового рифа на дне бухты Ханаума по нескольку раз в день испытывают на себе его влияние. Визиты по расписанию

У восточной оконечности гавайского острова Оаху, примерно в 15 километрах от центра Гонолулу, можно наблюдать характерные следы последней вулканической активности, в результате которой некогда и возник этот остров. Вообще склоны гавайских вулканов по большей части отлогие, плавно спускающиеся к морю: они образованы потоками лавы, которая изливалась и потихоньку накапливалась в течение многих миллионов лет. Но в этой точке архипелага 32 тысячи лет назад произошла череда необыкновенно бурных кратковременных извержений, сопровождавшихся сильными взрывами. Остался кратер с зубчатыми стенками, который по мере охлаждения оседал, пока наконец океан не пробил в нем брешь и не затопил вулканическую чашу. Так сформировался живописный подковообразный залив – укромная бухта, обнесенная крутыми холмами. Сегодня Ханаума имеет в поперечнике несколько сот метров, а глубина воды не превышает 30 метров. Здесь изумительно красиво и полно туристов. Большие площади песчаного дна устланы палево-лиловыми кораллами, населенными разнообразной мелкой живностью, среди которой пасутся рыбы-попугаи и зеленые черепахи. Вода очень теплая, а ближе к лету прогревается на солнце до 26 °C. И вот в один особенно знойный день морские обитатели, снующие вокруг кораллов на глубине около 15 метров, замечают: что-то изменилось. Температура вдруг падает. Риф внезапно оказывается во власти более прохладных вод, получая временную передышку от жары. Шесть часов спустя все приходит в норму, и коралловое сообщество вновь окутывает расслабляющая влага. Но это тоже временно. Еще через шесть часов – новая волна прохлады. Всю позднюю весну и лето глубоководные области бухты Ханаума существуют в таком цикличном режиме: привычная теплая вода, по температуре не отличающаяся от поверхностной, регулярно уступает место чужеродной гостье из холодных глубин. Виновник странного явления находится совсем недалеко от берега и, хотя для туристов остается невидим, играет исключительную роль в жизни этой части океана.

Гавайский архипелаг подобен дуге, протянувшейся с юго-востока на северо-запад. Действующие вулканы сосредоточены на Большом острове (именно там организован OTEC-проект, о котором шла речь в 1-й главе). При движении к северо-западному концу возраст островов постепенно увеличивается. Для большинства из них пора огнедышащей активности уже миновала, и теперь они остывают, медленно уменьшаясь в объеме и погружаясь в земную кору. В действительности эти острова представляют собой не что иное, как выступающие над поверхностью океана вершины огромных гор. Непрерывная вулканическая гряда простирается под водой более чем на 2000 километров, образуя узкую цепочку бывших островов, которые давно уже покоятся в океанской толще. Так выглядит Гавайский хребет, острым лезвием вздымающийся со дна, лежащего на глубине порядка 4500 метров. Хребет скрыт от наших глаз, но его важность трудно переоценить. Все дело в том, что он кое-чему мешает. А именно: стоит на пути приливных течений.

В большинстве мест планеты дважды в сутки происходят приливы и отливы^[117]: так океан реагирует на взаимное гравитационное притяжение Земли и Луны и их небесную механику. Нам привычно думать о приливах и отливах как колебаниях в прибрежной зоне. Но при таком взгляде мы упускаем из виду картину в целом: чтобы на обширном пространстве океана поднять уровень воды «всего» на один метр, необходимо переместить громадные водные массы, а потом – шесть часов спустя – переместить их снова, уже в обратном направлении. Учитывая масштабы жидкой оболочки Земли, даже незначительный импульс, охватывающий всю океанскую толщу от поверхности до дна, порождает грандиозные сдвиги водных масс. Но если на их пути внезапно встает стена вроде Гавайского хребта, перегораживающая океан чуть не на половину глубины, движение сильно затрудняется.

Понаблюдайте, как бежит река с покрытым галькой руслом: хотя камешки полностью скрыты под водой, на поверхности все равно возникает характерная рябь. Это пример того, как ведет себя движущаяся вода при наличии препятствий. Нечто подобное мы видим и в районе Гавайского хребта. Воде здесь тесно, потому что высокий геологический барьер ограничивает свободу ее перемещения, и в результате образуются внутренние волны. С явлением внутренних волн мы уже встречались при описании античного сражения – морской битвы у мыса Акциум, но там речь шла о четко выраженной границе между двумя слоями океана. На средних глубинах обычно не бывает столь резких скачков плотности. Соответственно, внутренние волны образуются не на конкретной линии раздела, а сразу во множестве точек: по мере распространения этих волн вода на разных глубинах одновременно поднимается и опускается. В некоторых случаях эти волны имеют колоссальную амплитуду. Жидкие массы океана могут тогда перемещаться по вертикали на несколько сот метров и вместе с тем по горизонтали на два-три километра в сутки, причем одно колебание волны занимает десятки минут, а то и часов.

Именно такой сценарий реализуется поблизости от бухты Ханаума. Подводный Гавайский хребет, играя роль барьера на пути приливных течений, вызывает гигантские внутренние волны, которые распространяются то в одном, то в другом направлении – в зависимости от того, прилив сейчас или отлив. В этом и кроется секрет периодического притока холодной воды в тихую коралловую гавань. Распространение внутренних волн сопровождается мощными сдвигами по вертикали: подсчитано, что прохладные воды, вторгающиеся в бухту Ханаума, при подъеме из глубин проходят в океанской толще не менее 70 метров. Вообще-то, волны здесь формируются круглый год, но влияние их заметно только весной и летом, когда сравнительно мелководный залив хорошенько прогревается.

Образование внутренних волн между островами Гавайского архипелага

Гигантские внутренние волны своенравны и непредсказуемы. Они могут со всей силой обрушиться на подводный хребет и разбиться, образовав большие турбулентные завихрения и вызвав перенос тепла по вертикали вниз, а соли, наоборот, вверх. А могут долго странствовать в океанской пучине, преодолевая сотни километров и унося с собой накопленную энергию. Следить за путями этой энергии крайне увлекательно, ведь они практически не пересекаются с энергетическими потоками у нас на суше. Первопричиной всего служит совместный танец двух небесных тел – взаимное вращение Земли и Луны. Приливные силы отбирают энергию этого орбитального движения и тормозят Землю, из-за чего вращение нашей планеты вокруг своей оси замедляется на 17 миллисекунд каждые сто лет, а Луна удаляется от Земли примерно на 4 сантиметра в год. Иными словами, количество энергии в системе Земля – Луна уменьшается, зато возникает энергия для приливов. В районе Гавайского хребта часть энергии приливных течений уходит на образование внутренних волн. Далее возможно два варианта. Если внутренние волны тут же разобьются о хребет, вся оставшаяся энергия уйдет на перемешивание вышележащих слоев. Если же волны продолжат свой путь, то и энергия последует за ними в океанские просторы, пока волны не обрушатся на какой-нибудь далекий континентальный шлейф, а энергия не рассеется (уйдет на перемешивание воды и в конечном счете превратится в тепло). Наглядно представить себе процесс обрушения внутренних волн довольно трудно: слишком уж они велики и слишком медленно движутся в недрах океана. Но в целом это похоже на то, как разбиваются о берег обычные волны. С нашей точки зрения внутренние волны могут показаться неповоротливыми, но в масштабах всей океанической машины они служат быстрым и эффективным механизмом переноса энергии.

Такого рода внутренние волны образуются на всем пространстве Мирового океана. Чаще всего они возникают как раз в тех местах, где течения встречают на своем пути подводные горы, хребты или упираются в бровку континентального шельфа. Непосредственно наблюдать эти движения в океанской толще практически невозможно, но порой они оставляют красноречивые «подсказки» на поверхности, и по этим признакам их удается обнаружить с помощью спутников. Гавайский хребет генерирует внутренние волны особенно активно. Верхушки этих волн добираются до подводных склонов Гавайских островов, отчего в акваторию то и дело проникают массы более холодной и соленой воды, которая, как правило, богаче питательными веществами и имеет чуть более кислый состав.

Значительная часть всей энергии, идущей на перемешивание океана, переносится именно внутренними волнами. Другими важными «транспортными средствами» являются ветры и бури, которые перемешивают поверхностные воды и приводят их в движение, а также препятствия типа островов, вызывающие подъем глубинных масс в верхние слои. Кроме того, определенную роль играет связанное с течениями придонное трение, приводящее к развитию турбулентности. Но в целом процессы перемешивания в океане идут с неодинаковой интенсивностью, чем во многом и объясняется своеобразие отдельных его частей. Главный фактор здесь тот, что всей энергии приливов, вместе взятой, далеко не достаточно для перемешивания Мирового океана до степени однородности. Поэтому океан в его нынешнем состоянии есть результат взаимодействия противоположных сил: одни способствуют разделению, другие – нивелированию. В итоге возникает довольно много специфических неравномерностей, но вместе с тем разные зоны более или менее сообщаются между собой, и следить за этой динамикой удивительно интересно. Чаще всего мы видим ярко выраженные слои: питательные вещества и солнечный свет оказываются разнесены по разным «полкам», так что открытый океан во многих случаях производит впечатление пустыни. Перемешивание, обусловленное внутренними волнами, обычно не способно как-то это изменить, поскольку слабо затрагивает верхние слои. Более ярко влияние внутренних волн проявляется у островов и материковых окраин, но самый заметный эффект они оказывают на перемешивание масс на глубине, благодаря чему стратификация океана и остается умеренной.

Когда в следующий раз на спутниковых кадрах или с самолета вам доведется обозревать океанские просторы, вспомните о грандиозных волнах, которые невидимо странствуют где-то в глубине, с величавой медлительностью двигаясь через темные пучины, пока наконец не сбросят свой груз – энергию, порожденную силой космических взаимодействий.

Слоистое устройство океанической машины есть важнейший элемент ее анатомии. При этом если длина окружности нашей планеты составляет порядка 40 000 километров, то средняя глубина океана – всего 4 километра. В глубинах, как мы уже выяснили, постоянно происходят медленные горизонтальные сдвиги, но все-таки наибольшей динамике подвержены верхние горизонты, где океан напрямую соприкасается с остальным миром и где боковые перемещения идут гораздо быстрее. Настало время поговорить о природе открытого океана – поверхностном слое тех вод, что заполняют гигантские котловины между континентами.