На суше и на море 1983(23)

ОКЕАНСКИЕ ВИХРИ

Мощные вихри в атмосфере — циклоны и антициклоны—изучаются давно. Они имеют протяженность 1000— 3000 км и играют определяющую роль в формировании и изменениях погоды. Все мы ощущаем ее «капризы», вызванные сложными процессами в этих гигантских вихревых образованиях.

В океане крупномасштабные вихри обнаружены всего лишь полтора десятилетия назад, хотя исследования физических процессов в океанах и морях ведутся уже около века. Дело в том, что накопление океанологических материалов шло гораздо медленнее, чем данных о состоянии атмосферы. В распоряжении метеорологов довольно густая сеть метеорологических и аэрологических станций, регулярно, несколько раз в сутки, дающих информацию. Она накапливается и анализируется в национальных и международных центрах. Сюда же поступают данные со спутников о всей атмосфере Земли. И сейчас изменчивость атмосферных процессов изучена неплохо.

Наблюдения в океане до последнего времени в основном проводились с помощью научно-исследовательских судов, продолжительность плавания которых ограничена несколькими месяцами. За это время можно тщательно исследовать весьма небольшой район Мирового океана или провести наблюдения на более обширной акватории, но лишь рекогносцировочного характера. Поэтому и сейчас еще есть районы Мирового океана, особенно в южном полушарии, где наблюдения вообще не проводились. Научно обоснованные представления о структуре вод океана, их динамике, и в особенности об их изменчивости складываются медленнее, чем этого требуют научные и практические задачи.

До середины 50-х годов в океанологии преобладало представление о значительной устойчивости и слабой изменчивости процессов в океане. Оно основывалось на том, что плотность и теплоемкость морской воды значительно (на три порядка) превышают соответствующие параметры воздушной среды. Поэтому запасы потенциальной и внутренней энергий в океане чрезвычайно велики, а скорости движения его вод намного меньше, чем скорости развития атмосферных процессов. Считалось, что реальную картину пространственно-временной изменчивости океанологических характеристик могут дать даже весьма дискретные наблюдения. Исключение было сделано только для районов, связанных с такими сильными течениями, как Гольфстрим в Атлантике и Куросио в Тихом океане, где значительная изменчивость состояния океанических вод известна уже давно.

Все это и объясняет, почему до недавнего времени океанические вихри были практически не известны. Отдельные аномалии, встречавшиеся при весьма разрозненных наблюдениях, трактовались как неверные, ошибочные. Но вот стала бурно развиваться океанологическая техника, резко возросла численность научно-исследовательских судов, искусственные спутники Земли позволили проводить исследования на сравнительно больших акваториях. Все это привело к качественно новым представлениям о структуре вод и ее изменчивости. Оказалось, что в Мировом океане на фоне климатических (медленных) процессов существует своя «погода», связанная в основном с процессами интенсивного вихреобразования. Они во многом напоминают процессы образования атмосферных циклонов, но протекают гораздо медленнее из-за большей инерционности океана.

Фото. Районы Мирового океана, (отмечены звездочками), где, по данным наблюдений е научно-исследовательских судов, самолетов, искусственных спутников Земли, достоверно обнаружены среднемасштабные вихри

Океанские вихри—это гигантские водовороты размером до 300 км и распространяющиеся в толщу вод на сотни и тысячи метров, иногда до дна. Они Перемещаются со скоростью от нескольких до десятков километров в сутки. Когда они были открыты, стало ясно, что эти вихри, обладая огромными запасами энергии, могут играть определяющую роль в процессах ее перераспределения в океане. Особенно важны процессы переноса тепловой энергии, изменяющие характер теплового взаимодействия океана с атмосферой, что в конечном счете сказывается на погоде и даже климате планеты. Важно и то, что вихри переносят химические и биологические вещества, важные для развития живых существ в океане,' в том числе и имеющих промысловое значение. Поэтому были составлены специальные национальные и международные программы, посвященные изучению вихрей. В результате их выполнения, а также накопления других данных, в первую очередь с помощью искусственных спутников Земли (ИСЗ), удалось выяснить многое о природе вихрей. Однако систематическое их изучение только начинается.

Какие динамические процессы в океане приводят к образованию вихрей? Откуда они черпают энергию и на что ее расходуют? Распространены ли вихри в Мировом океане повсеместно или только в отдельных районах? Велико ли разнообразие типов вихрей? Каковы особенности их пространственно-временной изменчивости (эволюции)? Какую роль они играют в общей динамике вод Мирового океана? Каково значение исследования вихрей для хозяйственной деятельности человека в океане? Вот ключевые вопросы при изучении вихрей. Как же они решаются?

Исследовательская работа началась в том районе, где вихреобразование выражено наиболее четко,—во фронтальной зоне течения Гольфстрим. Именно здесь в практике океанологии впервые были применены полигонные съемки с малыми расстояниями между точками наблюдений. Это позволяет наиболее точно фиксировать аномальные явления. Кроме того, фронтальная зона Гольфстрима— близкий аналог основных атмосферных фронтов, что позволяло сопоставить полученные данные с более изученными явлениями метеорологии.

Еще в 20-х годах нашего столетия норвежские метеорологи В. Бьеркнес и Я. Бьеркнес выдвинули гипотезу о фронтальном происхождении циклонов в атмосфере, согласно которой они возникают в результате волновых движений фронтов, то есть границ воздушных масс с различными термодинамическими характеристиками (температурой, влажностью, плотностью и др.). Эта гипотеза была подтверждена многочисленными наблюдениями. По аналогии с атмосферными океанские вихри тоже должны формироваться во фронтальных зонах, в том числе и в районе Гольфстрима.

Особенно детально этот район изучался в последние 30 лет при помощи научно-исследовательских судов (в том числе подводных), самолетов, ИСЗ. Оказалось, что Гольфстрим — целая система поверхностных и глубинных течений, расположенных в интенсивной фронтальной зоне шириной около 100 км, отделяющей теплые и соленые воды Саргассова моря от более холодных и опресненных вод материковых склонов и шельфов восточного побережья Северной Америки. Струи Гольфстрима и фронтальная зона тесно связаны между собой и испытывают волнообразные отклонения от среднеклиматического уровня. Близко напоминающие извилистые русла равнинных рек, они получили названия меандров Гольфстрима. Наиболее интенсивное меандрирование происходит на участке к востоку от мыса Гаттерас. Меандры смещаются в восточном направлении, увеличиваясь в размерах. Многократные наблюдения позволили проследить процесс отрыва меандров Гольфстрима на определенном этапе их развития и образования отдельных вихрей, которые получили название рингов (колец) Гольфстрима за особенности гидрологической структуры.

Рис. 1. Фотоснимок в инфракрасном диапазон? поверхности океана и районе Гольфстрима (северо-западная Атлантика), сделанный с ИСЗ ПОАЛ-3 (США) 28 апреля 1974 года. В верхнем левом углу видно побережье США в районе мыса Гаттерас. Левая нижняя часть района закрыта облаками. Темные области — участки относительно теплых вод Гольфстрима и Саргасеова моря. Светлые области у берега —участки холодных вод материкового шельфа и склона. Гольфстрим расположен вдоль линии резкой смены тонов цвета (соответствующей фронту Гольфстрима!. Видны волнообразные искривления фронта. К северу or этого фронта на светлом фоне видны более темные пятна—теплые антициклонические ринги Гольфстрима. К югу от фронта на темном фоне видны светлые пятна (в частности, в центре рисунка) — холодные циклонические ринги

Ринги имеют ядро, состоящее из вод, резко отличающихся по температуре, солености и другим характеристикам от окружающих вод. Ядро опоясывает кольцо вод собственно течения Гольфстрим с высокими скоростями (1—2 м/сек, иногда и больше) и горизонтальными градиентами* характеристик. Размер рингов 50—250 км, в толщу вод они проникают на сотни и тысячи метров, нередко до дна. Ядра с аномальными свойствами вод делают ринги хорошо заметными на снимках, полученных с ИСЗ. На рис. 2 показан процесс меандрирования и вихре-образования в районе Гольфстрима, по данным нескольких последовательных космических снимков в инфракрасном диапазоне.

К северу от Гольфстрима образуются только антициклонические вихри с вращением вод по часовой стрелке, а к югу (в Саргассовом море) только циклонические с вращением против часовой стрелки. Циклонические ринги несут в своих ядрах холодные опресненные воды, характерные для районов к северу от Гольфстрима, а антициклонические имеют ядра из теплых, высокосоленых вод Саргассова моря. Таким образом, образование и перемещение рингов—один из наиболее эффективных процессов водообмена между водными массами по обе стороны от фронтальной зоны.

Наиболее часто ринги фиксировались к северу от 30° с. ш. и к западу от 60" з. д. В среднем за год образуется 5—8 рингов, они могут существовать до 3 лет. Антициклонические ринги в среднем несколько меньше по размерам (на 20—30 км) и перемещаются на 1—2 км/сут быстрее циклонических. Первые перемещаются параллельно Гольфстриму на запад и через несколько месяцев либо сливаются с ним в районе мыса Гаттерас, либо продолжают движение на юго-запад до Флориды, где находится второй район наиболее частого слияния рингов с основным течением. Вторые двигаются более сложным путем, нередко круто ме-| няя направление и образуя петли, но в общем на запад-юго-запад до того же мыса Гаттерас (их слияние с Гольфстримом возможно на всем участке восточнее' мыса). Циклонические ринги, ушедшие; от Гольфстрима достаточно далеко, по-' степенно разрушаются в открытом океане. В целом количество долгоживущих рингов, достигающих Флориды, невелико. Чаще ринги перемещаются так, как показано на рис. 2.

* Градиент—мера пространственной, неоднородности распределения характеристик океана (температуры и т. д.).

Рис. 2. Схема эволюции рингов и их взаимодействия с Гольфстримом в феврале—мае 1977 года, по данным наблюдений с ИСЗ и научно-исследовательских судов США. Видны процессы образования рингов, их слияния с Гольфстримом и повторного отделения

Ринги в процессе формирования получают запас энергии (кинетической, потенциальной, тепловой), которую постепенно расходуют на трение, тепло- и массообмен с окружающими водами. При слиянии с Гольфстримом энергия передается этому течению. Такой энергообмен между рингами и течением очень важен для всей системы Гольфстрима в целом, поскольку ее энергия растет вниз по течению, а ринги—единственный механизм, осуществляющий перенос избытка энергии вверх по течению.

Вихри, подобные рингам Гольфстрима, обнаружены и в других районах Мирового океана, где имеются фронтальные зоны и мощные течения, такие, как Куросио и Восточно-Австралийское в Тихом океане, Бразильское в Атлантике, Агульясово в Индийском океане, Антарктическое циркумполярное. Ринги возникают в тех местах перечисленных течений, где они имеют вид узкой струи с большими скоростями (около I м/сек). На участках расширения струй и уменьшения скоростей также образ уюте.!-: вихри, у которых, однако, нет ярко выраженных ядер и колец с повышенной скоростью. Такие вихри мен,.''.' интенсивны, но часто имею/ большие размерь!, чем ринги, поэтому общий запас энергии в них примерно одинаков. Все эти вихри можно объединить в один тип фронтальных синоптических образований, наиболее распространенных в Мировом океане. Возможность сущест аования вихревых образований в открытом океане, вдали от берегов и сильных течений, была обнаружена в конце 50-х годов, когда стали использоваться поплавки обтекаемой формы, перемещающиеся вместе с течением на заданной глубине. Эти поплавки через определенные промежутки времени передавали акустические сигналы. С помощью таких поплавков уда лось установить, что в юго-западной части Саргассова моря скорость и направление течений даже на больших глубинах сильно меняется за сравнительно корот-кийсрок (1—2 недели). Общая картина дрейфа поплавков позволила предположить существование в толще вод вихря с диаметром около 200 км, перемещающегося на запад со скоростью 2 км/сут. В отличие от рингов Гольфстрима этот вихрь целиком состоял из вод Саргассова моря.

Вот тогда-то и начались поиски вихрей в открытом океане. Комплексные наблюдения советских океанологов сначала в Аравийском море (1967 г.), а затем в Тропической Атлантике (1970 г.), в районах со слабыми (как предполагалось ранее) течениями, позволили обнаружить мощные вихри размером 100—200 км. Так, в 1970 г. на полигоне площадью 120x120 морских миль вели наблюдения шесть советских научно-исследовательских судов, было зарегистрировано 5 синоптических вихрей (2 антициклонического и 3 циклонического характера), которые перемещались на запад со скоростью 5 км/сут. Расположение вихрей напоминало шахматную доску, где черные и белые клетки соответствовали вихрям разного типа вращения. Это позволило выдвинуть гипотезу, что по своей динамике обнаруженные вихри близки к так называемым «планетарным волнам Россби», связанным с вращением Земли вокруг своей оси и ее сферичностью. Этот эксперимент, получивший название «Полигон-70», показал, что энергия вихрей в открытых частях Мирового океана значительно (на 1—2 порядка) превышает энергию средней (климатической) циркуляции.

Спустя два года к юго-западу от Бермудских островов американские ученые, опираясь на опыт и результаты советских исследований, начали специальные наблюдения за вихрями. Этот эксперимент получил название МОДЕ. В отдельных точках исследуемого района диаметром около 300 миль наблюдения продолжались с небольшими перерывами около двух лет. В океане были обнаружены синоптические вихри, очень похожие на описанные выше, лишь скорость их перемещения оказалась несколько меньше (2—3 км/сут). Энергия вихрей распределялась очень неравномерно. Так, над неровным дном она уменьшалась. «Поведение» вихрей оказалось довольно странным. Динамика группы вихрей в целом оказалась близкой к поведению волн Россби, а вот каждый вихрь в отдельности в некоторые моменты заметно отклонялся от волнового движения.

Как это часто бывает в научной работе, исследования, ответив на некоторые вопросы, задали океанологам огромное количество загадок. Первым шагом к их решению стала организация международной экспедиции, получившей название ПОЛИМОДЕ. Основной вклад в ее проведение внесли советские и американские океанологи. В ПОЛИМОДЕ принимали участие также ученые Великобритании, Франции, Канады и ФРГ. Наиболее интенсивные наблюдения велись с июля 1977 по август 1978 г., когда в Саргассо-вом море и у берегов Западной Европы постоянно работало около десятка научно-исследовательских судов.

Результаты экспедиции обработаны и проанализированы пока еще не полностью, но уже сейчас ясно, что в открытой части Северной Атлантики вихри широко распространены и оказывают существенное влияние на крупномасштабную динамику вод этого региона Мирово-

го океана. В отличие от рингов Гольфстрима вихри открытого океана имеют более устойчивое направление движения (в основном на запад), скорости вращения вод в вихрях 20—60 см/сек (то есть в 2—3 раза меньше, чем в рингах). На разных глубинах вращательное движение может значительно меняться (вплоть до смены направления). Ринги же в этом отношении более однородное образование.

Установлено, что плотная («шахматная») структура вихрей наблюдается далеко не всегда. Нередко на значительном по площади участке океана вихри отсутствуют вообще или существует один-единственный вихрь. Обнаружено взаимодействие между вихрями (в основном энергообмен). Один вихрь может быстро усиливаться за счет ослабления соседнего. На стыке соседних вихрей разного направления вращения возникают узкие струйные течения с большими скоростями, которые перемещаются вместе с вихрями и существуют не более 1—2 недель. Легко представить, насколько сложным, запутанным может оказаться перемещение какого-либо плавучего предмета, опущенного на воду с судна.

Открытие и изучение рингов и вихрей в Северной Атлантике стимулировало проведение подобных исследований, пока, правда, в значительно меньших масштабах, и в других районах Мирового океана.

Систематизация и анализ этой обширной информации показали, что существуют еще несколько типов вихрей. Наиболее распространены топогенные вихри над подводными хребтами и горами, а также над неровностями материкового шельфа и склона. Они обнаружены практически во всех районах с подводными горами в северных частях Атлантического и Тихого океанов, на юге Атлантики и в Тасмановом море. Топогенные вихри имеют сравнительно небольшие размеры (в среднем 20—50, иногда до 100 км). По мере удаления от подводной возвышенности к поверхности океана вихревое движение ослабевает, поэтому на поверхности заметны вихри, расположенные над наиболее высокими горами (то есть над мелкими банками).

Топогенные вихри обнаруживают по аномалиям гидрологических (температура, соленость вод), гидрохимических (растворенный в них кислород и др.) и гидробиологических (наличие планктона и др.) параметров. Единой теории, объясняющей возникновение этих вихрей, пока нет, однако установлено, что они связаны с характером набегающего на подводную гору течения.

В прибрежных районах обнаружены вихри небольших размеров (5—30 км), быстро (со скоростью 20—30 км/сут) перемещающиеся в направлении вдоль берегового течения. Наиболее подробные наблюдения таких вихрей проведены в Черном, Азовском и Балтийском морях. Вихри в прибрежной зоне образуются из-за трения берегового течения о берег и дно.

Океанские вихри гораздо более локальны, чем атмосферные, и изменения в них наступают намного медленнее. Можно сказать, что первые и вторые «выступают в разных весовых категориях». Поэтому возможность их взаимодействия почти исключена. «Почти» потому, что одна из разновидностей атмосферных вихрей—тропические циклоны в этом отношении представляют исключение. По размерам они близки к вихрям открытого океана, плотность энергии (в единице объема) достаточно велика, чтобы при его довольно непродолжительном воздействии (не более 1—2 суток) на океан (ветер и охлаждение поверхностных вод) вызвать в нем вихревое движение. Возможность такого возникновения вихрей в океане подтверждена теоретически и экспериментально. Однако достоверное подтверждение такого механизма — дело чрезвычайно сложное, и потому этот вопрос пока остается открытым.

Один из наиболее удивительных типов вихрей встречается вблизи проливов, соединяющих моря или части океана с сильно отличающимися характеристиками вод (температурой, соленостью и др.). Воды одного моря, проникая через пролив в другое, нередко образуют вихри, заметные на фоне окружающих вод. Они могут быть замечены и из космоса. Именно такой случай показан на рис. 2.

Какое же практическое значение имеет изучение океанических вихрей? Известно, что океан, представляя собой наиболее мощный резервуар тепловой энергии системы «океан — атмосфера — материки», во многом определяет погоду и климат. Океанические вихри в большинстве своем значительно отличаются по тепловым характеристикам (в ту и другую сторону) от окружающих вод. Поэтому они служат важным фактором перераспределения океанического тепла и, следовательно, погодо- и климатообра-зующим фактором, который необходимо учитывать при разработке методов гидрометеорологических прогнозов.

Океанические вихри нередко переносят огромное количество веществ, необходимых для развития органической жизни в океане. Кроме того, с вихрями, как правило, связаны синоптические (нестабильные) фронты в океане, где также концентрируются различные живые существа. Вполне возможно, что в таких условиях формируются промысловые скопления традиционных объектов промыслового лова (рыбы, кальмары, креветки).

Наконец, океанические вихри имеют не меньшее значение для выработки стратегии и тактики морских перевозок, чем атмосферные вихри для авиации. Скорость и направление течений, плотность воды, определяемая температурой и соленостью, которые в вихрях могут иметь значительные аномалии, самым существенным образом сказываются на скорости движения судов, их осадке (то есть фактическом водоизмещении). При использовании большегрузных судов необходимость экономии топлива и времени становится первоочередной задачей. Поэтому, вероятно, настанет время, когда капитаны дальнего плавания перед рейсом будут получать бюллетени «океанической погоды» по курсу судна.

Исследования океанских вихрей только начались, и, что они еще принесут, какие тайны природы раскроют, покажет будущее.

Алексей Блатов,
Алексей Косарев,
Валентин Тужилкин