Вихри течії Ойясіо
Як відомо, погода залежить від проходять атмосферних вихорів - циклонів і антициклонів. Так, тайфуни - тропічні циклони в Тихому
океані зі швидкістю вітру до 250км/ч - приносять на узбережжі зливи, що призводять до катастрофічних повеней. В океані також є
синоптичні вихори, їх називають циклонами і антициклонами, якщо вода в них обертається відповідно проти або за годинниковою стрілкою [1]. Однак ці вихори сильно відрізняються від тих, які безпосередньо формують
погоду. Океанічні антициклони живуть досить довго, охоплюючи всю товщу вод від поверхні до дна і переміщаючись разом з течіями або проти них.
У Тихоокеанському океанологічній інституті РАН вже близько 20 років ведуться спостереження за великими антіціклоніческімі вихорами, що формуються
на заході Тихого океану, в зоні злиття двох головних течій цього регіону: Ойясіо і Куросио [2-4].
Розтягнуті вздовж всієї довжини Курило-Камчатського жолоби, ці вихори повільно рухаються на північний схід, проти основного потоку Ойясіо, в субарктичні
води. Властивості вихорів (їх розміри, температура і солоність в ядрі) не постійні. Мінливість такого масштабу виявилася найбільшою з
спостерігалася де-небудь ще в океані. Крім того, вихори стали новим індикатором варіацій клімату океану.
Один з них, названий WCR86B (вихор Куросио 1986р. з теплим ядром), відокремився від перебігу Куросио приблизно у 37 ° пн.ш. і рухався вздовж
жолоби проти течії на північний схід зі швидкістю близько 1-2 см · с-1. У вересні 1990р. він досяг широти протоки Бусоль (46.5 ° пн.ш.),
відокремлює південну групу Курильських о-вів від середньої. Навіть так далеко від місця своєї появи він містив тепле і солоне ядро у верхньому шарі води (що
звичайно для вихорів Куросио біля узбережжя Японії) і ядро низької солоності в проміжних шарах (250-600 м). (Через це вихори Ойясіо називають вихорами з
прісним ядром.) Слідкування за вихором проводилося за допомогою послідовних зйомок [2-6] на суднах Тихоокеанського океанологічного інституту (ТОИ) і безперервних супутникових
зображень, прийнятих і оброблених в Інституті автоматики і процесів управління ДВО РАН.
Подібні вихори (а кожен рік у протоки Бусоль знаходиться новий антициклон) - індикатор швидких змін, що відбуваються в холодних водах
Тихого океану в останнє десятиліття і названих кліматичних зрушенням [3-5]. Яким же чином вихори пов'язані з процесами, що визначають клімат?
Вихри і варіації клімату океану
Накопичені верхніми шарами океану в низьких широтах сонячне тепло переноситься влітку теплими течіями (такими, як Куросио) в
помірні. У холодний період року океан у високих широтах віддає його в атмосферу. Це один з основних механізмів впливу океану на клімат. Самий
довгий ряд інструментальних спостережень за температурою і опадами відноситься до континентах, і лише в останні роки завдяки спеціальному проекту Всесвітньої
метеорологічної організації з `явилися перші дані про опади над океаном.
Кількість опадів прямо залежить від температури поверхні океану і тепла, переносимого головними океанськими течіями. Однак у
фронтальній зоні (тобто в області великих градієнтів температури і солоності) тепло і сіль переносять не тільки течії, але і синоптичні вихори океану,
характеристики яких свідчать, крім іншого, про зміни в системі течій (циркуляції вод в океані).
Вважається, що в 1976р. в Тихому океані відбулася зміна режиму океану [3]. Але,
незважаючи на більш ніж десятирічні дослідження, її механізми до цих пір не ясні. У Приморському краї в 1976-1977р. вибухнула драматична посуха,
а зими були найбільш тривалими. Схожа ситуація склалася в 1996-1997рр. У період з 1988 по 1992р. кількість опадів перевищувала
їх суму за 1976р. в чотири рази. Ці спостереження свідчать про сильну декадної (10-річної) мінливості опадів, і саме вона "відповідальна"
за зростання суми опадів у 1989-1991рр. і в 2000-му. Потрібно відзначити, що стратифікація і циркуляція субарктичних вод в значній мірі
визначаються солоністю, і тому вони повинні сильно залежати від притоку прісної води в океан, а його мінливість в Субарктіке Тихого океану до сьогодні
не вивчалася.
У 2000р. зливи та повені почалися для Примор'я досить рано, в кінці липня, з виходом в Японське море тайфуну
Болавіна. Не тільки в Примор'ї, але і в Японії та Кореї сума опадів у тому році виявилася рекордною за всю історію спостережень, що пов'язано зі стаціонарним
сезонним фронтом і тайфуном Саомай. У центральних районах Японії протягом двох днів випало понад 80 см опадів. Приблизно стільки ж Владивосток зазвичай
отримує протягом усього року. Крім того, пізньої осені 2000р. на північно-заході Тихого океану сформувався дуже глибокий циклон з тиском в
центрі близько 950 мб. Його наслідком стала загибель теплохода "Рязань" - він затонув в Беринговому морі 6 листопада.
Що відбувалося під час цих погодних варіацій в океані? Регулярні спостереження за течіями і вихорами почалися в 90-і роки в рамках
програми (спільної з Канадським тихоокеанським океанологічних інститутом) з вивчення клімату північній частині Тихого океану. Детальну зйомку була
охоплена велика область субарктичних вод у Курильських островів і Камчатки - так званих західних прикордонних течій: Камчатського і Ойясіо. Однією з
завдань був пошук океанографічних індикаторів, які можуть дати досить повне уявлення про зміни, що відбуваються клімату і одночасно не вимагають
більших витрат суднового часу. Дослідження дозволили виділити всі деталі основних течій, включаючи протяжну ланцюг великих антіціклоніческіх вихорів
Ойясіо, розтягнутих уздовж глибоких жолобів у Японії, Курил і Камчатки. Після тривалої перерви спостереження були продовжені в 2000р. в експедиції
Японського центру морських наук і технологій за участю співробітників ТОИ на судні "Мірай".
У цілому з 1990 по 2000р. були вивчені характеристики близько двох десятків вихорів прикордонних течій і сім різних
антіціклоніческіх вихорів Ойясіо у протоки Бусоль. У 1990р. у протоки знаходився вже згаданий найбільший вихор WCR86B з теплим солоним ядром.
У серії наступних один за одним вихорів Ойясіо з 1990 по 1996р. їх ядра, розташовані на глибині 100-400 м, поступово
ставали холодніше, а солоність у них зменшувалася. Якщо в 1994-1996рр. горизонтальні і вертикальні розміри вихорів значно скоротилися, а їх
динамічний рівень (піднесення поверхні океану через варіацій щільності) упав, то, за спостереженнями 2000 р., ці характеристики в останні чотири роки
виросли. За що минув час відбулося повернення прикордонних течій до свого попереднього стану, а вихори Ойясіо стали великими і глибокими, при цьому виросла їх
динамічна висота. Разом зі змінами на континенті зміни в океані вказували на існування швидкої мінливості клімату в регіоні.
Іншими словами, розміри, глибини і структура вихорів можуть служити новим кліматичних індексом, здатним дати уявлення про процеси,
що відбуваються в океані. Спочатку саме спостереження за вихорами дозволили зробити висновок про швидке зміну клімату в Субарктіке Тихого океану, яке
було названо термохалінним переходом. Головним його наслідком стала зміна циркуляції в океані [4-5]. Вона
узгоджується зі схожими процесами на північному кордоні субарктичного кругообігу [5].
Стало ясно, що субполярних кругообіг в океані з горизонтальним масштабом близько 4000км може характеризувати вихори діаметром близько 200 км. На
супутникових знімках на схід від Курильських о-вів завжди можна побачити кілька таких великих антіціклоніческіх вихорів.
Пастка довгих хвиль
Дані дрейфуючій буїв і акустичні спостереження за глибиною звукорассеівающіх верств показують, що у антіціклоніческіх вихорів складна
внутрішня структура: вони здатні захопити і тримати у своєму ядрі довгі хвилі великої амплітуди, які називають інерційними. Течії, що викликаються
такими хвилями, разом з приливними рухами вносять значний внесок у перемішування верхнього шару океану [7].
Найцікавіші спостереження дали три буя (дрифтерів), встановлені восени 1990р. на ділянці, що проходить у протоки Бусоль
через центр антіціклоніческого вихору (ці прилади були надані нам канадським океанологів П. Леблоном). Вони не тільки оберталися у вирі, але й
робили великі регулярні петлі. Один з цих буїв показав інерційні руху дуже великої амплітуди. У ядрі вихору він дрейфував з середньою
швидкістю близько 40-45 см · з-1 і радіусом обертання 15-20км. На це середній обертання накладалися інерційні петлі з
періодом, близьким до доби, і радіусом 7-8км. Швидкості течій досягали 140 см · з-1 в центрі вихору і помітно зменшувалися на його
кордонах. Разом зі зміною амплітуди цих збурень змінювався інерційний період.
Прийнято вважати, що інерційні обурення виникають при різкій зміні вітру. У Північній півкулі вектор швидкості таких течій
обертається так само, як у приливної хвилі - за годинниковою стрілкою. Інерційні сили в таких рухах - сила Коріоліса і відцентрова, пов'язана з траєкторією
частинок води, тому інерційний період визначається широтою місця. Наприклад, на широті протоки Бусоль він повинен становити близько 17 год Однак у вирі
інерційний період був набагато більше.
Справа в тому, що в антіціклоніческом вихорі обертання протилежно напрямку обертання Землі. Тим самим створюються особливі умови
для інерційних хвиль - вихор змінює відносну завихреному (з-за власного обертання). У результаті знижується локальна інерційна частота
хвиль усередині вихору. По суті хвилі відчувають не тільки обертання Землі, але і його обертання. Крім того, вільно поширюватися можуть тільки хвилі, частота
яких більше локальної інерційної. Її пониження в центрі вихору і забезпечує захоплення хвиль всередину його, вони вже не можуть залишити створену ним
пастку.
Але як тільки локальна інерційна частота (її можна назвати ефективною) стає близькою до частоти добового припливу,
виявляється можливим захоплення приливної енергії. Точно так само вихори здатні накопичувати і використовувати енергію вітру, коли захоплюють інерційні хвилі,
порушені ім. Посилення таких рухів у ядрі вихору веде до генерації турбулентності, тому ступінь перемішування в його ядрі повинна змінюватися разом
із зовнішнім впливом, наприклад при проходженні глибоких атмосферних циклонів.
Порушення інерційних рухів, таких як у вирі Ойясіо, вимагає сильного зовнішнього впливу. Можливі джерела таких хвиль - вітер і
приливні течії. Глибокий циклон дійсно пройшов під час постановки буїв у вирі Ойясіо, у листопаді 1990р., Але, на жаль, буї досить швидко
його покинули. Механізм збудження хвиль приливними течіями розглядається поки як гіпотеза, оскільки немає достатньої кількості даних про двотижневих
циклах, таких як отримані на банку Кашеварова [8]. На
цьому етапі наших знань можна вважати, що обидва механізму генерації інерційних рухів (вітер і припливи) рівносильні. Правда, порівняння з іншими
спостереженнями [9] показує, що сильні шторму не викликають хвиль такої амплітуди. Так, тайфун
Нельсон зі швидкістю вітру, сягала 43.5 м/с, у 1989р. перемішав шар води глибиною 100 м. Він пройшов в 50 км на північ від заякоренного буя з
інструментами, що вимірює швидкість течії. Амплітуда швидкості інерційних збурень становила "лише" близько 80 см · з-1, тобто набагато
менші, ніж у вирі Ойясіо [9]. Ще
один аргумент на користь приливної генерації хвиль - збіг часу установки буя у вирі Ойясіо з максимальною амплітудою приливних течій і зменшенням
розмірів інерційних петель при їх ослабленні.
Особливо цікава тривалість життя вихору Ойясіо. Здавалося б, він повинен руйнуватися через турбулентної дисипації (так,
антіціклоніческіе ринги Гольфстріму в Північній Атлантиці живуть тільки 3-6 міс). Разом з тим, вихор Ойясіо WCR86B продовжував рухатися вздовж Курило-Камчатського
жолоби ще наприкінці 1991р., тобто існував більше п'яти років. Інерційні хвилі, що генеруються вітром або припливом, можуть не тільки продовжувати життя
вихору, але й регулярно постачати енергію для перемішування його ядра.
Хоча в житті великих антіціклоніческіх вихорів течії Ойясіо ще багато загадок (як взагалі в глибокому океані), ясно, що їх характеристики
можуть бути новим індексом кліматичної мінливості, здатним достатньо повно дати уявлення про зміни, що відбуваються.
Робота виконана за підтримки Російського фонду фундаментальних досліджень. Проект 01-05-96902.
Антіціклоніческіе вихори (жовті кола) рухаються вздовж
Курило-Камчатської улоговини на північний схід.
Червона лінія - траєкторія руху буя, встановленого у вирі
Бусоль.
Вихри у південних Курильських о-вів. Інфрачервоне зображення, отримане з супутника НОАА в Центрі прийому супутникової інформації Інституту
автоматики і процесів управління ДВО РАН. Шкала кольору відповідає збільшенню температури зліва направо і знизу вгору. Білі точки - положення
океанографічних станцій на розрізі через вихор Ойясіо. Зліва - у травні 2000р., Коли тут розташовувався найбільший антіціклоніческій вихор,
що спостерігався в регіоні; праворуч - у квітні 2001р.
Динамічна топографія (підвищення поверхні океану через різне розподілу щільності) вихорів у протоки Бусоль в різні роки.
Сірим кольором показані вихори Ойясіо, червоними стрілками - положення струменів Ойясіо. Добре помітно зміна розмірів вихорів і зміна головних струменів течії:
з морською (02 - 1990р.) на прибережну (01 - 1996 р.) і знову на морську (у 2000р.). Малюнок з роботи [4].
Зміна діаметру вихорів Ойясіо (вгорі) і аномалії опадів (відхилення від Середньобагаторічний суми) у Владивостоці.
Кольором показані негативні аномалії, відповідні посухи, особливо сильною в 1976 та 1997рр.; Чорним - відзначені роки з позитивною
аномалією, під час яких траплялися повені.
Температура (° С) і солоність (‰) в вихорах Ойясіо (числа на ізолініях) у вересні 1989р. (угорі) і в лютому 2000 р. На розрізах
вгорі добре помітно холодне і прісне ядро, розташоване під теплим і солоним. На малюнках внизу видно, що вихор містить потужне тепле і солоне
ядро. Діаметр вихору перевищує 200 км, а глибина ядра більше 700 м. Розрізи побудовані з використанням даних науково-дослідного судна "Мірай"
(Японське агентство з морських наук).
Траєкторія буя, встановленого у вирі Ойясіо (ліворуч), та її фрагмент під час стандартного обороту з петлями інерційних хвиль. Числа --
час в добі з початку спостережень.
Література
1. Кошляков М.Н. Синоптичні вихори відкритого океану// Природа. 1997. № 6. С.17-20.
2. Лобанов В.Б., Рогачов К.А., Булатов Н.В. и др.// Докл. АН СРСР. 1991. Т.317. № 4. С.984-988.
3. Рогачев К.А. Швидкі зміни в холодних водах Субарктікі Тихого океану// Рос. наука: день нинішній і день
прийдешній: Сб. науч.-поп. статей. М., 1999.
4. Rogachev K.A.// Journ. of Geophysical Research. 2000. V.105. C4. P.8513-8526.
5. Rogachev K.A.// Progress in Oceanography. 2000. V.47/2-4. P.299-336.
6. Rogachev K.A., Carmack E.C., Salomatin A.S.// Journ. of Marine Systems. 2000. V.26. P.239-258.
7. Рогачев К.А., Саломатін А.С., Юсупов В.І. и др.// Океанологія. 1996. Т.36. № 3. С.347-354.
8. Рогачев К.А. Полин на банку Кашеварова// Природа. 2001. ? 3. С.33-38.
9. Taira K., Kitagawa S., Otobe H., Asai T.// Journ. Oceanography. 1993. V.49. P.397-406.
Грудень 2001
