Вихри открытого океана

Как трудно сделать открытие. К числу наиболее важных событий в океанологии за последние 20 лет относится открытие громадных вихрей. Никто не предполагал, что в открытом океане могут быть грандиозные вихри. Раньше знали только вихри, образующиеся в быстрых течениях вблизи морских берегов. Было известно также, что сильные вихри могут возникать в прибрежной полосе во время приливно – отливных течений. Первый вихрь в открытом море был зафиксирован экспедицией Института океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР.

В 1967 г. в Аравийском море советскими исследователями проводилась экспедиция под названием «Полигон‑67». Мысль о пользе полигонных исследований была высказана известным советским ученым В. Б. Штокманом еще в 1935 г.: чтобы получить правильное представление о физических процессах в каком‑либо районе Мирового океана, необходимо достаточно долго наблюдать за происходящим в одном и том же районе. Не сразу это было принято океанологами. Полвека назад Мировой океан казался куда более стабильным. Установление его изменчивости – результат исследований океанологов за последние два десятилетия. Полигон требует длительного нахождения научно – исследовательского судна в ограниченном районе, а получение информации с больших районов Мирового океана – быстрого проведения длинных «разрезов» в меридиональном, широтном или любом другом направлении. Преодолеть это противоречие можно. Надо проводить различные рейсы. Во время полигонного рейса научно – исследовательские суда долго работают в ограниченном районе океана. А если необходима информация с больших районов океана, суда делают большие переходы по заданному маршруту. В экспедиции «Полигон‑67» были составлены карты течений во время первой и второй гидрологических съемок одного и того же участка Аравийского моря на глубине 150 м. Теперь мы знаем, что замкнутые линии тока на картах показывают – перед нами подводные вихри. Но в 1967 г. никто не решился сделать такой категорический вывод. Карты «а» и «б» были получены с большим разрывом во времени: «а» – по данным измерений с 21 января по 7 февраля 1967 г., «б» – с 20 марта по 6 апреля 1967 г., что не позволило установить тесную связь развития вихрей на обеих картах.

Ученые ограничились выводом: имеются хорошо выраженные бароклинные возмущения течений с горизонтальным масштабом около 250 км. Вихри открытого океана еще не были открыты…

А теперь с уверенностью можно сказать: это был крупный вихрь Индийского океана, диаметром в подводной части (на глубине 150 м) около 250 км.

Синоптические вихри. В феврале – сентябре 1970 г. под руководством академика Л. М. Бреховских была проведена экспедиция «Полигон‑70». Основной ее задачей было исследование течений в типичном районе открытого океана, т. е. вдали от берегов и фронтальных областей. Эксперимент проводился в южной части Северного пассатного течения Атлантического океана с глубинами от 5000 до 5500 м.

На этом полигоне использовались буквопечатающие гидрометрические измерители скорости течения типа БПВ‑2 (конструкции ленинградского специалиста Ю. К. Алексеева), попросту называемые вертушками. На этот раз применили новую методику их использования: в исследуемом районе океана было поставлено одновременно около двухсот вертушек в точках, расположенных по лучам прямоугольного креста. Подобная расстановка измерителей скорости позволила охватить наиболее широкий спектр частот возможных колебаний скорости течения. Каждый луч имел длину 100 км. Центр располагался на 16°30′ с. ш. и 33°30′ з. д. В каждом луче по 4 буя с вертушками и один общий буй в центре, всего 17 буев. На рисунке на с. 21 дана схема расположения измерителей БПВ‑2. На тросах, привязанных к каждому бую, размещалось по 10 вертушек на глубинах от 25 до 1500 м. Одновременно использовались и автономные регистраторы температуры воды.

Схема главного антициклона на «Полигоне‑70». Эллипсы – линии тока в поле течений вихря, прямые линии – в поле волны, L – длина волны, а – расстояние от центра вихря до струи с максимальной скоростью, с – скорость поступательного движения вихря, с_w – фазовая скорость волны; х, у – прямоугольные координаты/

Почти полгода работали научно – исследовательские суда Института океанологии на этом относительно небольшом квадрате в океане: следили за сохранностью буев, проверяли их расположение, перезаряжали или сменяли вертушки, выполняли общую гидрологическую съемку. Чтобы обнаружить вихри и проследить их перемещение по океану, необходимо было достаточно долго вести непрерывные измерения на выбранной акватории. Вертушки простояли на полигоне почти шесть месяцев. Потом их записи скорости и направления течений были обработаны на ЭВМ. В результате был надежно зафиксирован великолепно выраженный антициклонический вихрь (это вращение воды по часовой стрелке для северного полушария), проходивший через район полигона в направлении на запад – юго – запад с начала апреля по начало июля 1970 г. Этот вихрь был назван Главным вихрем.

Одновременно была зарегистрирована задняя часть еще одного антициклонического вихря, который двигался впереди Главного вихря. Вихри шли почти вплотную один за другим.

Главный вихрь имел форму эллипса с отношением осей примерно 1:2. Малая полуось вихря была размером около 100 км; она определялась как расстояние от центра вихря до точек с максимальной орбитальной скоростью на периферии вихря (расстояние «а» на рисунке на с. 21). Средняя скорость движения его центра за время апрель – июль 1970 г. была 5,5 см/с. А наибольшая орбитальная скорость движения воды на периферии вихря достигала 35 см/с на глубинах 400–600 м.

Подобные вихри получили название синоптических. Синоптическими в метеорологии называются изменения с периодом от нескольких суток до нескольких месяцев. С открытием вихрей в океане этот термин прочно вошел в океанологию.

Механизм образования вихрей. Самое интересное заключается в том, что океанский вихрь оказался волной Россби. К такому выводу пришел доктор физико – математических наук М. Н. Кошляков после тщательного изучения результатов работы на «Полигоне‑70».

На рисунке на с. 21 приведена схема Главного вихря. Буквой L обозначена длина волны. Подсчет по известной формуле Россби дал значение размеров вихря, довольно близко совпавшее с экспериментальными данными.

Сегодня синоптические вихри открытого океана рассматриваются доктором физико – математических наук М. Н. Кошляковым и другими учеными как сложный синтез волн Россби и крупномасштабной турбулентности. Каждый вихрь – своеобразный комплекс из высокоорганизованного физического процесса (волна Россби) плюс чисто случайное турбулентное завихрение большого масштаба. Процент турбулентной "примеси" может сильно колебаться от вихря к вихрю. В этом заключается одна из трудностей изучения и прогнозирования вихрей открытого океана.

Вихри синоптического масштаба раньше были известны только в атмосфере. Океанологи не сразу признали факт образования их в океане. Ныне это больше не вызывает сомнений. Вихри образуются благодаря бароклинной неустойчивости крупномасштабных течений.

Сообщение советских ученых о перемещающихся в океане громадных вихрях вызвало интерес у ученых – океанологов во всем мире. В 1973 г. американские ученые на своем полигоне в Саргассовом море в расширенном масштабе повторили измерения и подтвердили результаты советских исследователей. Американский эксперимент получил название «Моде‑1».

В 1974 г. на новом полигоне в районе Субарктического фронта в северо – западной части Тихого океана советские ученые, работавшие на научно – исследовательских судах «Витязь» и «Дмитрий Менделеев», открыли еще один вихрь. Он – самый большой, овальной формы, размер его по большой оси около 150 миль (1 морская миля = 1852 км), скорость течения на его периферии достигла 100 см/с. Вихрь проникал на глубину до 3000 м.

В юго – западной части Саргассова моря с июля 1977 г. по сентябрь 1978 г. была проведена совместная советско – американская экспедиция под условным названием «Полимоде». В ней участвовали 10 научно – исследовательских судов. Основой эксперимента были 19 буйковых станций Института океанологии, которые располагались в узлах сетки из равносторонних треугольников. Центр сетки находился на 29° с. ш., 70° з. д., расстояние между станциями – 72,7 км. На этом полигоне было найдено много разных вихрей. Особенно сильные вихри (гидрофизики называют их бароклинными) были сосредоточены в слое главного термоклина или выше его. Скорость течения в них достигала 70–80 см/с на горизонтах 100 и 400 м, что значительно выше средней скорости течения в обследованном районе Саргассова моря.

Столкновение вихрей. На полигоне «Полимоде» впервые была получена информация о поведении вихрей при встрече друг с другом. В начале апреля в южную часть полигона вошел крупный вихрь с востока, а в конце апреля в северо – западную часть вторгся с севера такой же сильный вихрь. В начале мая произошло резкое сближение, сопровождавшееся их частичным слиянием. В результате в тылу возникла сильная струя воды юго – восточного направления, плотность кинетической энергии которой возросла в 12 раз. Эффект невиданной концентрации энергии был прослежен в верхнем слое океана толщиной 1000 м.

Синоптические вихри несут громадные количества энергии. Например, в конце февраля в северо – западном углу полигона сформировался вихрь, полная кинетическая энергия которого в слое от 0 до 1400 м глубины была оценена в 17–10¹⁴ Дж!

Вихри – энергоемкие образования. Они могут оказывать влияние на изменение погоды. В этой связи необходимо учитывать разность температур воды в вихре и в окружающем океане.

Изучение вихрей из космоса. 1 сентября 1977 г. со спутника с помощью инфракрасного радиометра был обнаружен только что образовавшийся антициклонический вихрь. Температура воды в нем была на 11 °C выше температуры воды окружающего океана. Наибольший размер вихря достигал 185 км. За 5 месяцев он прошел не менее 360 миль со средней скоростью 4,5 км/сутки. Во время этого перехода он охлаждался: разность температуры между его водами и океаном упала до 3–4 °C. Одновременно несколько сократился максимальный размер вихря – до 148 км. Зато глубина перемешанного слоя воды увеличилась с 50 до 100 м. За одну неделю, во время которой над ним прошли два шторма, верхний слой воды вихря толщиной 200 м охладился на 1 °C. Расчет показал отдачу энергии поверхностью вихря в атмосферу, равную 1357 Вт/м².

Чтобы оценить громадную величину последней цифры, вспомним, что солнечная постоянная равна 1360 Вт/м². Получается, что вихрь отдавал энергию с такой же интенсивностью, какую дает излучение Солнца в космосе и какой никогда не бывает на уровне поверхности океана из‑за поглощения излучения в атмосфере.

Отметим, кстати, что в наше время солнечная постоянная, одна из мировых констант, перестала быть постоянной… Как недавно сообщила группа американских исследователей под руководством Р. Уилсона, общая интенсивность солнечного излучения за 1980–1985 гг. понизилась на 0,1 %. Уменьшение солнечной радиации происходило со скоростью примерно 0,019 % в год. Если процесс уменьшения радиации Солнца продолжится и дальше с той же скоростью, то к 1990 г. суммарное затухание составит 0,2 %. В этом случае солнечная «постоянная» станет равной 1357,4 Вт/м², т. е. будет близка к величине отдачи мощности вихрем. Уилсон связывает уменьшение интенсивности излучения с обычным одиннадцатилетним циклом солнечной активности. В пользу этого предположения свидетельствует одновременно наблюдавшееся его группой уменьшение магнитной активности.

В прежних прогнозах солнечной активности возможность таких колебаний не учитывалась. Однако, как считает автор, реальной опасности для климата Земли обнаруженное уменьшение интенсивности излучения Солнца, видимо, пока не представляет.

В теплообмене вод вихря с воздухом особую роль играют потоки скрытого и ощутимого тепла (испарение с поверхности воды вихря). Оно зависит от скорости ветра, удельной влажности воздуха в приводном слое и разности температуры между воздухом и водой. При разности порядка 10–11 °C испарение может быть очень большим. Поэтому большой теплый вихрь при определенных условиях может натворить много бед, содействуя образованию смерчей (торнадо, ураганов). Факт углубления циклонов при выходе их на теплую поверхность океана хорошо известен.

По данным советских ученых, вихрь отдает тепло атмосфере более интенсивно, чем поверхность невозмущенного океана при тех же условиях. Иной и режим теплообмена над вихрем.

Вихри бывают и холодные. Подход к берегам большого вихря может вызвать похолодание. Особенно если вихрей будет много, если они пойдут друг за другом. Например, у восточного побережья Камчатки были обнаружены целые цепочки больших холодных вихрей, температура воды в которых была на 5 °C ниже температуры окружающих вод. В целом вопрос о влиянии вихрей на атмосферные процессы еще недостаточно изучен. Метеорологи оценивают такое влияние как потенциально существенное.

После обработки фотографических снимков, сделанных с борта американского искусственного спутника Земли «Лэндсат‑2» с высоты 915 км, были обнаружены вихри диаметром около 30 км. На одном из фотоснимков зафиксировано сразу не менее восьми вихреобразных образований на поверхности океана, в том числе три хорошо развитых двойных кольцеобразных вихря.

А в 1985 г. экспедиция Института океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР зарегистрировала в тропической зоне Атлантики вихри размером около 50 км.

Следовательно, в океанах встречаются вихри большого диаметра – порядка 100–300 км, среднего – около 50 км и малого – около 30 км. Является ли это типичным для всех океанов? Или такой набор случайный, связанный с недостаточно большим числом измерений? А может быть, имеется непрерывный пространственный спектр вихрей с максимумами на отдельных размерах?

Некоторые ученые полагают, что нет в океанах непрерывного ансамбля вихрей всех размеров. А имеются три основных типа вихрей, размеры которых примерно соответствуют найденным.

Исследование океанских вихрей важно не только с точки зрения взаимодействия океана и атмосферы, но также и для изучения процессов передачи загрязнения в океанах, влияния на биологическую продуктивность, для навигации. Придется, видимо, периодически издавать или передавать по радио синоптические карты течений. Так, как это делается с картами погоды. Ведь каждому судну, идущему в океане, необходимо знать направление и скорость течения, иначе штурман не сможет точно рассчитать путь судна.

Но периодически получать точные карты течений в океане с помощью буйковых постановок с вертушками не так‑то просто. На помощь морякам в наши дни пришла спутниковая навигация. Положение судна в море определяется с высокой точностью с помощью искусственных спутников Земли. Для этого на каждом судне устанавливается особая аппаратура. Погрешность в определении места не превышает ±0,1 мили, а в случае необходимости может быть еще уменьшена. Созданы упрощенные образцы спутниковой навигационной аппаратуры даже для небольших судов.

Спутники могут помочь и в быстром составлении точных карт течений. Для этого в изучаемом районе океана на воду спускают особые буйки, за которыми следит спутник. Находясь в режиме свободного дрейфа, буйки отслеживают течения, а спутник контролирует изменения их положения и сообщает координаты буйков в Центр обработки, где быстро получают информацию о скорости и направлении течений и их изменениях в разных районах Мирового океана.

Имеются и другие радиотехнические способы определения местонахождения судов в море, не связанные со спутниками. Некоторые из них отличаются чрезвычайно высокой точностью определения. Например, советские фазовые радиогеодезические системы для проведения различных морских исследований дают «привязку» с ошибкой в пределах от 2–3 до 30 м на расстояниях от станций до 200 км ночью и до 300 км днем. Указывается место судна в условных координатах, которые легко пересчитать в обычные географические координаты, т. е. широту и долготу. Столь точное определение местонахождения судна требуется при проведении различных геофизических исследований на морском дне. Например, при поисках нефти и других полезных ископаемых, при бурении, при аварийно – спасательных работах и для других целей.

Вихри в океане и широкий круг вопросов, связанный с ними, – одна из наиболее важных проблем современной океанологии. Приоритет советской науки в этом вопросе признан учеными всего мира.