Відкриття та дослідження синоптичних вихорів відкритого океану

Відкриття синоптичних вихорів відкритого океану, зроблене радянськими океанологами в шістдесятих-сімдесятих роках ХХ століття, слід віднести до одного з найважливіших подій в історії океанології. У п'ятдесятих роках вже досить добре був відомий вельми специфічний вид океанських вихорів - так звані «Ринги» (кільця) Гольфстріму і Куросио, що утворюються в результаті загострення і подальшого відриву меандрів цих інтенсивних струменевих течій. Що ж стосується всього іншого океану, то припущення про існування в ньому дуже великих віхреобразних збурень поля швидкості течії, в чем-то, можливо, схожих з рингу Гольфстріму і Куросио, висловлювалася найбільш видатними океанологами (В. Б. Штокмані в СРСР, К. Г. Россбах і Г. Стоммелом в США) переважно з загальних фізичних міркувань і за аналогією з атмосферою. У другій половині п'ятдесятих - Першій половині шістдесятих років були виконані, однак, перші спостереження, що зафіксували в глибинах океану мінливість основних фізичних характеристик океанської води з періодами близько 100 діб. Великий резонанс серед океанологів отримали, зокрема, результати вимірювань глибинних течій поплавцями нейтральної плавучості, виконані Дж. Сваллоу (Великобританія) у 1959 - 1960 роках в районі Бермудських островів. Ці вимірювання зафіксували відносно сильні і різко нестаціонарні течії на глибинах 2 і 4 км і дозволили грубо оцінити тимчасовою і просторовий масштаби (період і довжину хвилі, поділені на чотири) збурень поля швидкості, що виявилися рівними 20 діб і 100 км. Обсяг і характер цих спостережень були, однак, такі, що визначення за ним істинної структури зазначених збурень виявилося неможливим.

Вирішальне значення у відкритті синоптичних вихорів відкритого океану мала серія тривалих «полігонних» спостережень над морськими і океанськими течіями, виконана радянськими вченими, початок яким було покладено В.Б. Штокмані в Каспійському морі ще в 1935 році. Наступні полігони були організовані під науковим керівництвом В.Б. Штокмана в 1956 році в Чорному морі, в 1958 році в Північній Атлантиці і в 1967 році в Аравійському морі. Результатом цього останнього експерименту (14), виконаного ІОАН СРСР і ВМФ СРСР на суднах «Витязь» і «Тадей Беллінсгаузен» і отримав назву «Полігон -67», з'явилися перші карти геострофіческіх течій в полі синоптичних вихорів відкритого океану (7). Карти (Мал. 1. Лінії струму геострофіческого течії на глибині 150 м по даними першого (а, 21.01-07.02.67) та другого (б, 20.03-06.04.67) гідрологічних зйомок району «Полігон-67» в Аравійському морі (7). Числа в гуртках - швидкість течії в м/с. Точки - положення гідрологічних станцій) були розраховані динамічним методом щодо глибини 1500 м за даними двох послідовних гідрологічних зйомок району полігону. На картах дуже добре видно вихори з горизонтальним масштабом близько 100 км, що цілком узгоджується з поданням про генерацію вихорів внаслідок бароклінной нестійкості великомасштабного течії. Тобто такого роду нестійкості, при якій джерелом енергії вихорів є доступна потенційна енергія великомасштабного течії, пов'язана з нахилом ізопікніческіх поверхонь в поперечному до течії напрямку. Спеціальний аналіз енергообміну в полі течій «Полігону - 67» (13) підтвердив цей висновок. Карти на рис.1 показують також сильну нестаціонарність поля течій, пов'язану із взаємодією вихорів один з одним і з струменями великомасштабного течії.

Результати «Полігону -67» показували на необхідності виконання експедиції, яка ставила б своїм основним завданням прямі вимірювання течій у типовому районі відкритого океану, причому вимірювання таких обсягів, структури та тривалості, які дозволили б надійно виявити істинне будова і характер тимчасової мінливості збурень океанської циркуляції синоптичної масштабу. Такий експедицією став «Полігон -70», виконаний ІВ РАН і декількома іншими океанографічними установами СРСР під науковим керівництвом Л.М. Бреховскіх в 1970 році на південній периферії Північного пасатної течії в Атлантиці (1) (Мал. 2. Місця експериментів «Полігон-70» і ПОЛІМОДЕ на тлі схеми циркуляції вод в верхньому, товщиною близько 1000 м, шарі Північної Атлантики). Основу експерименту склала витримана протягом півроку система з сімнадцяти розташованих "Хрестиком" (Мал. 3. Вектори швидкості течії на глибині 400 м на окремі дати 1970 р. з даними експерименту «Полігон-70» в тропічній частині Північної Атлантики (8). Гуртки - положення АБС. Стрілки - вектори швидкості, отримані інтерполяцією по глибині) автономних буйкових станцій (АБС) з вимірювачами течій на десяти горизонтах до глибини 1500 м на кожній станції.

Основним результатом «Полігону - 70» (8) з'явилася детальна зйомка дуже добре вираженого антіціклоніческого вихору, що проходив через район полігону в квітні-липні 1970 року у напрямку на захід з невеликим компонентом на південь зі середньою швидкістю близько 5 см/с. 20 -25 травня 1970 центр вихору співпав з центром полігону (рис. 3). Вихор мав елліпсовіднимі форму (рис. 3) з великим і малим розмірами (відстанями від центра вихору до точок з максимальними швидкостями течії) близько 200 і 100 км. Швидкість орбітального руху води у вирі характеризувалася двома максимумами по глибині - у верхньому шарі океану і в шарі 400 - 500 м, досягаючи в окремі моменти часу 45 і 35 см/с відповідно в цих двох шарах, що більш ніж на порядок перевищувала швидкість спрямованого на захід - південний захід фонового Північного пасатної течії. Інтерпретація отриманих результатів в рамках теорії бароклінних хвиль Россбах виявилася цілком успішної (6), показавши, таким чином, що переміщення вихровий картини руху на захід носило переважно хвильовий характер, будучи обумовленим спільним ефектом широтного зміни параметра Коріоліса та інтереси води великомасштабним Північним Пасатною течією.

Крім описаного вище основного вихору «Полігону - 70», були зафіксовані частини ще двох переміщалися через полігон вихорів (мал. 3), що свідчило про їх «Щільній упаковці» і погоджувалася з висновком про їх переважно хвильової природі. Центральна вісь основного вихору була нахилена в бік, зворотний напрямку переміщення вихору. З урахуванням близькості зазначеного напрямку до напряму зменшує свою швидкість з глибиною великомасштабного Північного пасатної течії, цей факт може розглядатися як вказівка на генерацію вихорів району «Полігону - 70» внаслідок бароклінной нестійкості великомасштабного течії. Статистичний аналіз даних експерименту підтвердив цей висновок і дозволив оцінити щільність потоку енергії від великомасштабного течії до вихором (11).

Таким чином, під час «Полігону - 70» не тільки була вперше проведена пряма довготривала зйомка течій в полі синоптичних океанських вихорів і були виявлено їхні параметри, але також була дана фізична інтерпретація отриманих результатів, і були отримані експериментальні вказівки на процес генерації вихорів. Все це визначило величезне значення результатів «Полігону - 70» для розвитку фізичної океанології. За результатами експерименту було зареєстроване наукове відкриття за авторство Л.М. Бреховскіх, В.Г. Корта, М.Н. Кошлякова і Л.М. Фоміна.

У 1973 році в Саргасовому море американські океанологи провели експеримент MODE (Mid Ocean Dynamics Experiment), результати якого підтвердили і певною мірою розвинули висновки про структуру і динаміку синоптичних вихорів відкритого океану, отримані в результаті «Полігону - 70». У 1977 - 1979 роках у Північній Атлантиці був здійснений найбільший радянсько-американський експеримент ПОЛІМОДЕ. Найбільш потужної його частиною був радянський Синоптики-динамічний експеримент (СДЕ) (4), виконаний в 1977-1978 роках у Саргасовому морі в області протитечія Гольфстріму (рис. 2) під науковим керівництвом А.С. Монина. В експерименті брали участь 10 науково-дослідних суден ІВ РАН, Морського гідрофізичного інституту АН УРСР та деяких інших радянських океанологічних установ; частина з цих суден здійснили в район дослідження по два - три рейси. Кістяк експерименту становила витримана протягом року система з 19 АБС ІВ РАН з виміром течій на чотирьох горизонтах. Крім того, протягом року було виконано 58 гідрологічних зйомок полігону або його частин.

Оптимальне просторове розташування АБС (Рис. 4. Вектори швидкості та лінії струму течій на глибині 700 м на полігоні Синоптики-динамічного експерименту (СДЕ) ПОЛІМОДЕ в Саргасовому море на окремі дати 1977 - 1978 рр.. (2). Гуртки -- положення АБС) та гідрологічних станцій на полігоні СДЕ ПОЛІМОДЕ дозволило зареєструвати в цілому близько двадцяти переміщалися через район полігону вихорів, половина з яких була циклонами з обертанням води проти годинникової стрілки, а половина - антициклонами з протилежним обертанням води (2,4). Антициклони характеризувалися масштабом (відстанню від центру вихору до точки з максимальною швидкістю течії) порядку 70 - 80 км і різко вираженим бароклінним будовою, що виражалося в суттєве падіння орбітального руху води з глибиною; при цьому у верхньому шарі океану товщиною близько 500 м ця швидкість в окремих випадках досягала 40-45 см/c, а на горизонті 1400 м -- 10 см/с. Циклони мали масштаб 90 - 110 км, були, як правило, більш слабкими, ніж антициклони, і характеризувалися або близькою до баротропной структурою, при якій швидкість орбітального руху води не змінюється з глибиною, або слабо бароклінним будовою. Швидкість переміщення вихорів в генеральному напрямку на захід варіювала від 2 до 10 см/c. Аналіз (4,5) показав, що для інтенсивних вихорів (в основному антициклонів) це переміщення носило переважно адвектівний характер, коли вихор переносив разом із собою що містилася в його ядрі воду, і було в основному обумовлено захоплюють дією протитечія Гольфстріму; переміщення ж слабких вихорів (в основному циклонів) носило переважно хвильовий характер, і, таким чином, ці вихори можуть бути в першому наближенні інтерпретовані як слабо бароклінние хвилі Россбах. У ряді випадків виявляється інтенсивна взаємодія між сильними вихорами. Так, наприклад, у травні 1978 року була зафіксована інтенсивна передача води, імпульсу і енергії від яскраво вираженого концентрованого антициклону, займав позицію в південно-східній частині полігону в кінці квітня 1978 р (рис. 4), спочатку до квазімерідіональной струмені течії, примикав до цього вихору з сходу, а потім від цієї струменя до іншого антициклону, які перебували у другій половині травня в північно-західній частині полігону. У результаті подібного роду взаємодій жоден вихор ПОЛІМОДЕ, за винятком великого циклону в липні - серпні 1978 року (рис. 4), не пройшов через полігон, не змінивши істотним чином свої розміри, форму та енергію. У цілому спостерігалося на полігоні СДЕ ПОЛІМОДЕ поле вихрових збурень океанської циркуляції слід, очевидно, розглядати як складну образу-вихровий систему, яка поєднувала в собі властивості хвиль Россбах і великомасштабної океанської турбулентності (4,5).

Особливо великий інтерес представляють результати дослідження енергетичного взаємодії вихорів та широкомасштабного протитечія Гольфстріму, отримані за даними СДЕ ПОЛІМОДЕ. Відповідно до аналізу АБС і гідрологічних даних (9,10), інтенсивні вихори ПОЛІМОДЕ генерировалась внаслідок бароклінной нестійкості великомасштабного течії. Обумовлений цим процесом інтенсивний перенесення енергії від великомасштабного течії до вихром в січні-травні 1978 р. (Рис. 5. Хід по часу усереднених за площею полігону СДЕ ПОЛІМОДЕ, проінтегрувати по шарі 550 - 1100 м і згладжених за часом з періодом 170 діб доступною потенційної енергії (ДПЕ) синоптичних вихорів [1, шкала зліва] і швидкості трансформації ДПЕ великомасштабного течії (КТ) в ДПЕ вихорів [2, шкала праворуч], 3 і 4 - швидкість спрямованого на захід - південний захід КТ на глибинах 400 м [3] та 1400 м [4] (10). Нульові добу відповідають 29.07.77, 400-а доба - 03.09.78. крива 2) супроводжувався, із зсувом за часом близько місяці, різким посиленням кінетичної (Рис. 6. Хід за часом усередненої по площі полігону СДЕ ПОЛІМОДЕ питомої кінетичної енергії синоптичних вихорів на глибинах 100 [1], 400 [2], 700 [3] та 1400 метрів [4] (3). Показані також середні за весь період спостережень значення енергії) і доступною потенційної (рис. 5, крива 1) енергією вихорів у верхньому шарі океану товщиною близько 1000 м з одночасним ослабленням великомасштабного течії (рис. 5, криві 3 і 4). Саме в цей період на полігоні спостерігалося кілька особливо сильних і концентрованих антіціклоніческіх вихорів з масштабом 70 - 80 км (рис. 4); розташування полігону на південній периферії Протівотечеенія Гольфстріму (рис. 2) визначає ту обставину, що внаслідок бароклінной нестійкості цієї течії в районі полігону повинні утворюватися переважно саме антіціклоніческіе вихори зазначеного масштабу. Області порівняно слабку циклонічною завихреннями поля течії, що розділяли сильні антіціклоніческіе вихори у вказаний період часу (рис. 4), могли бути пов'язані з випромінюванням хвиль Россбах інтенсивними вихорами.

У повному згоді з теорією океанських рухів синоптичної масштабу (12) практичне припинення передачі енергії від великомасштабного течії до вихром в районі ПОЛІМОДЕ в червні 1978 року (рис. 5, крива 1) призвело до тотальної баротропізаціі поля вихорів (вирівнювання швидкості орбітального руху вихорів за глибиною) ( рис. 6) і зростання їх розмірів у півтора-два рази (рис. 4). Можна запропонувати, що відновлення бароклінного великомасштабного течії в основному відбувається під впливом поля вітру над Північною Атлантикою, після чого весь цикл еволюції поля вихорів повторюється заново. Отримані на полігоні СДЕ ПОЛІМОДЕ експериментальний дані про циклічність (мабуть, річного періоду) процесу енергетичного взаємодії великомасштабного течії і синоптичних вихорів можна вважати найбільш цікавим результатом ПОЛІМОДЕ. В цілому результати ПОЛІМОДЕ мали визначне значення для досягнення океанологами більшого розуміння динаміки океанської циркуляції та стали надійною основою для подальших досліджень синоптичних океанських вихорів. Отримані до середини 80-х років експериментальні та теоретичні результати дослідження вихорів знайшли своє узагальнення у фундаментальній монографії В.М. Каменкович, М.Н. Кошлякова і А.С. Монина "Синоптичні вихори в океані" (4).

Список літератури

1. Бреховскіх Л.М., Кошляков М.М., Федоров К.Н., Фомін Л.М., Ямпільський А.Д. Полігонних гідрофізичний експеримент в тропічній зоні Атлантики. - Доповіді АН СРСР, 1971, т.198, № 6, с. 1434-1437.

2. Грачов Ю.М., Кошляков М.М., Михайличенко Ю.Г. . Синоптичні вихори в Саргасовом море. - М., «Наука», 1988, 221 с.

3. Еникеев В.Х., Козубського Г.І., Кошляков М.Н., Яремчук М.І. До динаміці синоптичних вихорів району ПОЛІМОДЕ. - Доповіді АН СРСР, 1982, т. 262, № 3, с. 573 - 577.

4. Каменкович В.М., Кошляков М.Н., Монин А.С. Синоптичні вихори в океані. - Л., Гидрометеоиздат, 1987, 511 с.

5. Коротаєв Г.К.. Структура, динаміка та енергетика синоптичної мінливості океану: Препринт № 7. - Севастополь: мГн АН УРСР, 1980, 64 с.

6. Кошляков М.Н. Результати спостережень на атлантичному полігоні 1970 року в світі деяких моделей вільних хвиль Россбах. - Океанологія, 1973, т. 13, вип. 5, с.760-765.

7. Кошляков М.Н., Гальоркін Л.І., Чионг Дінь Хіен. Про мезоструктур геострофіческіх течій відкритого океану. - Океанологія, 1970, Т.10, вип. 5, с. 805 - 814.

8. Кошляков М.Н., Грачев Ю.М. Середньомасштабні течії на гідрофізичний полігоні в тропічній Атлантиці. - В кн.: Атлантичний гідрофізичний полігон - 70. М., Наука, 1974, с. 163 -180.

9. Кошляков М.Н., Грачев Ю.М., Михайличенко Ю.Г., Сажина Т.Г., Яремчук М.І. Генерація синоптичних океанських вихорів в районі ПОЛІМОДЕ. - Океанологія, 1984, т.24, вип. 1, с. 5-14.

10. Кошляков М.Н., Грачев Ю.М., Нечаєв Д.А. , Сажина Т.Г., Яремчук М.І. Енергетичний режим синоптичних океанських вихорів в районі ПОЛІМОДЕ. - Доповіді АН СРСР, 1984, т. 276, № 2, с.484-488.

11. Кошляков М.Н., Яремчук М.І. Про створення синоптичних океанських вихорів в районі «Полігону-70» - Изв. АН СРСР, сер. Фізика океану і атмосфери, 1984, т. 20, № 8, с. 749-753.

12. Мірабель А.П., Монин А.С. Геостр?? фіческая турбулентність. Известия АН СРСР, сер. Фізика атмосфери та океану, 1980, т.16, № 10, с. 1011 - 1023.

13. Сажина Т.Г. Динаміка синоптичних вихорів відкритого океану за даними «Полігону - 67» -- Известия АН СРСР, сер. Фізика атмосфери та океану, 1984, т. 20, № 8, с. 776-780.

14. Штокман В.Б., Кошляков М.Н., Озмідов Р.В., Фомін Л.М. і Ямпільський А.Д. Тривалі вимірювання просторової та часової мінливості фізичних полів на океанських полігонах як новий етап у дослідженні океану. - Доповіді АН СРСР, 1969, т. 186, № 5, с. 1070 - 1073.

15. М.Н. Кошляков (Інститут океанології ім. П. П. Ширшова РАН, Москва) Відкриття та дослідження синоптичних вихорів відкритого океану