Открытие и исследование синоптических вихрей открытого океана

Открытие и исследование синоптических вихрей открытого океана

Открытие синоптических вихрей открытого океана, сделанное советскими океанологами в шестидесятых-семидесятых годах ХХ столетия, следует отнести к одному из важнейших событий в истории океанологии. В пятидесятых годах уже достаточно хорошо был известен весьма специфический вид океанских вихрей - так называемые «ринги» (кольца) Гольфстрима и Куросио, образующиеся в результате обострения и дальнейшего отрыва меандров этих интенсивных струйных течений. Что же касается всего остального океана, то предположение о существовании в нем очень крупных вихреобразных возмущений поля скорости течения, в чем-то, возможно, схожих с рингами Гольфстрима и Куросио, высказывалось наиболее выдающимися океанологами (В.Б. Штокманом в СССР, К. Г. Россби и Г. Стоммелом в США) преимущественно из общих физических соображений и по аналогии с атмосферой. Во второй половине пятидесятых – первой половине шестидесятых годов были выполнены, однако, первые наблюдения, зафиксировавшие в глубинах океана изменчивость основных физических характеристик океанской воды с периодами порядка 100 суток. Большой резонанс среди океанологов получили, в частности, результаты измерений глубинных течений поплавками нейтральной плавучести, выполненные Дж. Сваллоу (Великобритания) в 1959 – 1960 годах в районе Бермудских островов. Эти измерения зафиксировали относительно сильные и резко нестационарные течения на глубинах 2 и 4 км и позволили грубо оценить временной и пространственный масштабы (период и длину волны, деленные на четыре) возмущений поля скорости, оказавшиеся равными 20 суткам и 100 км. Объем и характер этих наблюдений были, однако, таковы, что определение по ним истинной структуры указанных возмущений оказалось невозможным.

Решающее значение в открытии синоптических вихрей открытого океана имела серия длительных «полигонных» наблюдений над морскими и океанскими течениями, выполненная советскими учеными, начало которым было положено В.Б. Штокманом в Каспийском море еще в 1935 году. Следующие полигоны были организованы под научным руководством В.Б. Штокмана в 1956 году в Черном море, в 1958 году в Северной Атлантике и в 1967 году в Аравийском море. Результатом этого последнего эксперимента (14), выполненного ИОАН СССР и ВМФ СССР на судах «Витязь» и «Фаддей Беллинсгаузен» и получившего название «Полигон –67», явились первые карты геострофических течений в поле синоптических вихрей открытого океана (7). Карты (Рис. 1. Линии тока геострофического течения на глубине 150 м по данным первой (а, 21.01-07.02.67) и второй (б, 20.03-06.04.67) гидрологических съемок района «Полигон-67» в Аравийском море (7). Числа в кружках – скорость течения в м/с. Точки – положения гидрологических станций) были рассчитаны динамическим методом относительно глубины 1500 м по данным двух последовательных гидрологических съемок района полигона. На картах очень хорошо видны вихри с горизонтальным масштабом около 100 км, что вполне согласуется с представлением о генерации вихрей вследствие бароклинной неустойчивости крупномасштабного течения. То есть такого рода неустойчивости, при которой источником энергии вихрей является доступная потенциальная энергия крупномасштабного течения, связанная с наклоном изопикнических поверхностей в поперечном к течению направлении. Специальный анализ энергообмена в поле течений «Полигона – 67» (13) подтвердил этот вывод. Карты на рис.1 показывают также сильную нестационарность поля течений, связанную с взаимодействием вихрей друг с другом и со струями крупномасштабного течения.

Результаты «Полигона –67» показывали необходимость выполнения экспедиции, которая ставила бы своей основной задачей прямые измерения течений в типичном районе открытого океана, причем измерения таких объемов, структуры и продолжительности, которые позволили бы надежно выявить истинное строение и характер временной изменчивости возмущений океанской циркуляции синоптического масштаба. Такой экспедицией стал «Полигон –70», выполненный ИО РАН и несколькими другими океанографическими учреждениями СССР под научным руководством Л.М. Бреховских в 1970 году на южной периферии Северного пассатного течения в Атлантике (1) (Рис. 2. Места экспериментов «Полигон-70» и ПОЛИМОДЕ на фоне схемы циркуляции вод в верхнем, толщиной порядка 1000 м, слое Северной Атлантики). Основу эксперимента составила выдержанная в течение полугода система из семнадцати расположенных «крестом» (Рис. 3. Векторы скорости течения на глубине 400 м на отдельные даты 1970 г. по данным эксперимента «Полигон-70» в тропической части Северной Атлантики (8). Кружки - положения АБС. Стрелки - векторы скорости, полученные интерполяцией по глубине) автономных буйковых станций (АБС) с измерителями течений на десяти горизонтах до глубины 1500 м на каждой станции. 

Основным результатом «Полигона – 70» (8) явилась детальная съемка очень хорошо выраженного антициклонического вихря, проходившего через район полигона в апреле-июле 1970 года в направлении на запад с небольшим компонентом к югу со средней скоростью около 5 см/с. 20 –25 мая 1970 г. центр вихря совпал с центром полигона (рис. 3). Вихрь имел эллипсовидную форму (рис. 3) с большим и малым размерами (расстояниями от центра вихря до точек с максимальными скоростями течения) около 200 и 100 км. Скорость орбитального движения воды в вихре характеризовалась двумя максимумами по глубине - в верхнем слое океана и в слое 400 - 500 м, достигая в отдельные моменты времени 45 и 35 см/с соответственно в этих двух слоях, что более чем на порядок превышало скорость направленного на запад - юго-запад фонового Северного пассатного течения. Интерпретация полученных результатов в рамках теории бароклинных волн Россби оказалась вполне успешной (6), показав, таким образом, что перемещение вихревой картины движения на запад носило преимущественно волновой характер, будучи обусловленным совместным эффектом широтного изменения параметра Кориолиса и увлечения воды крупномасштабным Северным пассатным течением.

Помимо описанного выше основного вихря « Полигона – 70 », были зафиксированы части еще двух перемещавшихся через полигон вихрей (рис. 3), что свидетельствовало об их « плотной упаковке » и согласовывалось с выводом об их преимущественно волновой природе. Центральная ось основного вихря была наклонена в сторону, обратную направлению перемещения вихря. С учетом близости указанного направления к направлению уменьшавшего свою скорость с глубиной крупномасштабного Северного пассатного течения, этот факт может рассматриваться как указание на генерацию вихрей района « Полигона – 70 » вследствие бароклинной неустойчивости крупномасштабного течения. Статистический анализ данных эксперимента подтвердил это заключение и позволил оценить плотность потока энергии от крупномасштабного течения к вихрям (11).

Таким образом, во время « Полигона – 70 » не только была впервые проведена прямая долговременная съемка течений в поле синоптических океанских вихрей и были выявлены их параметры, но также была дана физическая интерпретация полученных результатов, и были получены экспериментальные указания на процесс генерации вихрей. Все это определило огромное значение результатов « Полигона – 70 » для развития физической океанологии. По результатам эксперимента было зарегистрировано научное открытие при авторстве Л.М. Бреховских, В.Г. Корта, М.Н. Кошлякова и Л.М. Фомина.

В 1973 году в Саргассовом море американские океанологи провели эксперимент MODE (Mid Ocean Dynamics Experiment), результаты которого подтвердили и в определенной степени развили выводы о структуре и динамике синоптических вихрей открытого океана, полученные в итоге « Полигона – 70 ». В 1977 – 1979 годах в Северной Атлантике был осуществлен крупнейший советско-американский эксперимент ПОЛИМОДЕ. Наиболее мощной его частью был советский Синоптико-динамический эксперимент (СДЭ ) (4), выполненный в 1977-1978 годах в Саргассовом море в области Противотечения Гольфстрима (рис. 2) под научным руководством А.С. Монина. В эксперименте участвовали 10 научно-исследовательских судов ИО РАН, Морского гидрофизического института АН УССР и некоторых других советских океанологических учреждений; часть из этих судов совершили в район исследования по два – три рейса. Костяк эксперимента составляла выдержанная в течение года система из 19 АБС ИО РАН с измерением течений на четырех горизонтах. Кроме того, в течение года было выполнено 58 гидрологических съемок полигона или его частей.

Оптимальное пространственное расположение АБС (Рис. 4. Векторы скорости и линии тока течений на глубине 700 м на полигоне Синоптико-динамического эксперимента (СДЭ) ПОЛИМОДЕ в Саргассовом море на отдельные даты 1977 – 1978 гг. (2). Кружки - положения АБС) и гидрологических станций на полигоне СДЭ ПОЛИМОДЕ позволило зарегистрировать в общей сложности около двадцати перемещавшихся через район полигона вихрей, половина из которых была циклонами с вращением воды против часовой стрелки, а половина – антициклонами с противоположным вращением воды (2,4). Антициклоны характеризовались масштабом (расстоянием от центра вихря до точки с максимальной скоростью течения) порядка 70 – 80 км и резко выраженным бароклинным строением, что выражалось в существенном падении орбитального движения воды с глубиной; при этом в верхнем слое океана толщиной около 500 м эта скорость в отдельных случаях достигала 40-45 см/c, а на горизонте 1400 м - 10 см/с. Циклоны имели масштаб 90 – 110 км, были, как правило, более слабыми, чем антициклоны, и характеризовались или близкой к баротропной структурой, при которой скорость орбитального движения воды не меняется с глубиной, или слабо бароклинным строением. Скорость перемещения вихрей в генеральном направлении на запад варьировала от 2 до 10 см/c. Анализ (4,5) показал, что для интенсивных вихрей (в основном антициклонов) это перемещение носило преимущественно адвективный характер, когда вихрь переносил вместе с собой содержавшуюся в его ядре воду, и было в основном обусловлено увлекающим действием Противотечения Гольфстрима; перемещение же слабых вихрей (в основном циклонов) носило преимущественно волновой характер, и, таким образом, эти вихри могут быть в первом приближении интерпретированы как слабо бароклинные волны Россби. В ряде случаев обнаруживается интенсивное взаимодействие между сильными вихрями. Так, например, в мае 1978 года была зафиксирована интенсивная передача воды, импульса и энергии от ярко выраженного концентрированного антициклона, занимавшего позицию в юго-восточной части полигона в конце апреля 1978 г (рис. 4), вначале к квазимеридиональной струе течения, примыкавшей к этому вихрю с востока, а затем от этой струи к другому антициклону, располагавшемуся во второй половине мая в северо-западной части полигона. В результате подобного рода взаимодействий ни один вихрь ПОЛИМОДЕ, за исключением крупного циклона в июле – августе 1978 года (рис. 4), не прошел через полигон, не изменив существенным образом свои размеры, форму и энергию. В целом наблюдавшееся на полигоне СДЭ ПОЛИМОДЕ поле вихревых возмущений океанской циркуляции следует, по-видимому, рассматривать как сложную волно-вихревую систему, совмещающую в себе свойства волн Россби и крупномасштабной океанской турбулентности (4,5).

Особенно большой интерес представляют результаты исследования энергетического взаимодействия вихрей и крупномасштабного Противотечения Гольфстрима, полученные по данным СДЭ ПОЛИМОДЕ. Согласно анализу АБС и гидрологических данных (9,10), интенсивные вихри ПОЛИМОДЕ генерировались вследствие бароклинной неустойчивости крупномасштабного течения. Обусловленный этим процессом интенсивный перенос энергии от крупномасштабного течения к вихрям в январе-мае 1978 г. (Рис. 5. Ход по времени усредненных по площади полигона СДЭ ПОЛИМОДЕ, проинтегрированных по слою 550 – 1100 м и сглаженных по времени с периодом 170 суток доступной потенциальной энергии (ДПЭ) синоптических вихрей [1, шкала слева] и скорости трансформации ДПЭ крупномасштабного течения (КТ) в ДПЭ вихрей [2, шкала справа]; 3 и 4 – скорость направленного на запад - юго-запад КТ на глубинах 400 м [3] и 1400 м [4] (10). Нулевые сутки соответствуют 29.07.77, 400-е сутки - 03.09.78. кривая 2) сопровождался, со сдвигом по времени около месяца, резким усилением кинетической (Рис. 6. Ход по времени усредненной по площади полигона СДЭ ПОЛИМОДЕ удельной кинетической энергии синоптических вихрей на глубинах 100 [1], 400 [2], 700 [3] и 1400 метров [4] (3). Показаны также средние за весь период наблюдений значения энергии) и доступной потенциальной (рис. 5, кривая 1) энергией вихрей в верхнем слое океана толщиной порядка 1000 м с одновременным ослаблением крупномасштабного течения (рис. 5, кривые 3 и 4). Как раз в этот период на полигоне наблюдалось несколько особенно сильных и концентрированных антициклонических вихрей с масштабом 70 – 80 км (рис. 4); расположение полигона на южной периферии Противотечеения Гольфстрима (рис. 2) определяет то обстоятельство, что вследствие бароклинной неустойчивости этого течения в районе полигона должны образовываться преимущественно именно антициклонические вихри указанного масштаба. Области сравнительно слабой циклонической завихренности поля течения, разделявшие сильные антициклонические вихри в указанный период времени (рис. 4), могли быть связаны с излучением волн Россби интенсивными вихрями. 

В полном согласии с теорией океанских движений синоптического масштаба (12) практическое прекращение передачи энергии от крупномасштабного течения к вихрям в районе ПОЛИМОДЕ в июне 1978 года (рис. 5, кривая 1) привело к тотальной баротропизации поля вихрей ( выравниванию скорости орбитального движения вихрей по глубине) ( рис. 6) и росту их размеров в полтора-два раза ( рис.4). Можно предложить, что восстановление бароклинного крупномасштабного течения в основном происходит под воздействием поля ветра над Северной Атлантикой, после чего весь цикл эволюции поля вихрей повторяется заново. Полученные на полигоне СДЭ ПОЛИМОДЕ экспериментальные данные о цикличности (по-видимому, годового периода) процесса энергетического взаимодействия крупномасштабного течения и синоптических вихрей можно считать наиболее интересным результатом ПОЛИМОДЕ. В целом результаты ПОЛИМОДЕ имели выдающееся значение для достижения океанологами большего понимания динамики океанской циркуляции и послужили надежной основой для дальнейших исследований синоптических океанских вихрей. Полученные к середине 80-х годов экспериментальные и теоретические результаты исследования вихрей нашли свое обобщение в фундаментальной монографии В.М. Каменковича, М.Н. Кошлякова и А.С. Монина "Синоптические вихри в океане" (4).

Список литературы

1. Бреховских Л.М., Кошляков М.Н., Федоров К.Н., Фомин Л.М., Ямпольский А.Д. Полигонный гидрофизический эксперимент в тропической зоне Атлантики. – Доклады АН СССР, 1971, т.198, № 6, с. 1434-1437.

2. Грачев Ю.М., Кошляков М.Н., Михайличенко Ю.Г. . Синоптические вихри в Саргасовом море. – М., «Наука», 1988, 221 с.

3. Еникеев В.Х., Козубская Г.И., Кошляков М.Н., Яремчук М.И. К динамике синоптических вихрей района ПОЛИМОДЕ. – Доклады АН СССР, 1982, т. 262, № 3, с. 573 – 577.

4. Каменкович В.М., Кошляков М.Н., Монин А.С. Синоптические вихри в океане. – Л., Гидрометеоиздат, 1987, 511 с.

5. Коротаев Г.К.. Структура, динамика и энергетика синоптической изменчивости океана: Препринт № 7. - Севастополь: МГН АН УССР, 1980, 64 с.

6. Кошляков М.Н. Результаты наблюдений на атлантическом полигоне 1970 года в свете некоторых моделей свободных волн Россби. – Океанология, 1973, т. 13, вып. 5, с.760-765.

7. Кошляков М.Н., Галеркин Л.И., Чыонг Динь Хиен. О мезоструктуре геострофических течений открытого океана. – Океанология, 1970, т.10, вып. 5, с. 805 – 814.

8. Кошляков М.Н., Грачев Ю.М. Среднемасштабные течения на гидрофизическом полигоне в тропической Атлантике. – В кн.: Атлантический гидрофизический полигон – 70. М., Наука, 1974, с. 163 –180.

9. Кошляков М.Н., Грачев Ю.М., Михайличенко Ю.Г., Сажина Т.Г., Яремчук М.И. Генерация синоптических океанских вихрей в районе ПОЛИМОДЕ. - Океанология, 1984, т.24, вып. 1, с. 5-14.

10. Кошляков М.Н., Грачев Ю.М., Нечаев Д.А. , Сажина Т.Г., Яремчук М.И. Энергетический режим синоптических океанских вихрей в районе ПОЛИМОДЕ. – Доклады АН СССР, 1984, т. 276, № 2, с.484-488.

11. Кошляков М.Н., Яремчук М.И. О генерации синоптических океанских вихрей в районе «Полигона-70» - Изв. АН СССР, сер. Физика океана и атмосферы, 1984, т. 20, № 8, с. 749-753.

12. Мирабель А.П., Монин А.С. Геострофическая турбулентность. Известия АН СССР, сер. Физика атмосферы и океана, 1980, т.16, № 10, с. 1011 – 1023.

13. Сажина Т.Г. Динамика синоптических вихрей открытого океана по данным «Полигона – 67» - Известия АН СССР, сер. Физика атмосферы и океана, 1984, т. 20, № 8, с. 776-780.

14. Штокман В.Б., Кошляков М.Н., Озмидов Р.В., Фомин Л.М. и Ямпольский А.Д. Длительные измерения пространственной и временной изменчивости физических полей на океанских полигонах как новый этап в исследовании океана. – Доклады АН СССР, 1969, т. 186, № 5, с. 1070 – 1073.

15. М.Н. Кошляков (Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва) Открытие и исследование синоптических вихрей открытого океана