Динамика синоптических океанских вихрей

Проинтегрированная по глубине  океана в пределах слоя 0—1600 м скорость генерации энергии вихрей за счет бароклинной неустойчивости крупномасштабного течения в среднем за год наблюдений на полигоне ПОЛИМОДЕ оказалась равной 0,6 эрг/см²-с. В условных предположениях о годовой цикличности изучаемых процессов, отсутствии процесса генерации энергии вихрей на глубинах ниже 1600 м и нулевом значении

 

Динамика синоптических  океанских вихрей 

29

 

среднегодовой дивергенции горизонтальных потоков энергии вихрей в районе ПОЛИМОДЕ, приведенный результат  соответствует равному 10~^е эрг/см³ • с среднегодовому значению усредненной по всей глубине океана скорости диссипации энергии вихрей.

Подытоживая изложенное выше, подчеркнем, что результаты ПОЛИМОДЕ не только впервые в океанологии позволили  уверенно оценить энергетическое взаимодействие крупномасштабных течений и синоптических вихрей в океане, но и, что представляется особенно ценным, показали цикличность этого процесса во времени. Все это чрезвычайно важно для понимания динамики общей циркуляции вод океана и построения ее математических моделей. Теперь можно уверенно сказать, что генерация синоптических вихрей является основным механизмом стока энергии крупномасштабных океанских течений. Теоретические модели океанской циркуляции показывают в то же время, что в районе сильных струйных течений типа Гольфстрима должна осуществляться обратная трансформация кинетической энергии синоптических вихрей в кинетическую энергию крупномасштабных течений.

Структура и динамика синоптических  океанских вихрей и их взаимодействие с крупномасштабными океанскими течениями продолжали изучаться учеными Института океанологии в последние годы в различных районах Мирового океана — в районе Гольфстрима, в зоне Антарктического циркумполярного течения в Субантарктике, в области Северного пассатного течения в Атлантике и др. Работы в районе Гольфстрима проводятся в рамках возглавляемой академиком Г. И. Марчуком программы «Разрезы» (см. рис. 1), имеющей целью исследование влияния океана на короткопериодные колебания климата Земли.

Гольфстрим — мощное струйное течение  шириной 70—100 км, скорость движения воды в поле которого достигает 3 м/с в приповерхностном слое океана и составляет 10—20 см/с на глубинах 1000—1500 м. Вследствие своего геострофического и бароклинного характера Гольфстрим представляет собой фронтальный поток, разделяющий теплую воду Саргассова моря на востоке и юге и холодную воду области материкового

 

В Президиуме Академии наук СССР 

30

 

склона Северной Америки на западе и севере. Это означает, в частности, что на картах рис. 6, представляющих результаты гидрофизических съемок района Гольфстрима в январе—марте 1984 г., изотермы могут рассматриваться  одновременно как линии тока течения, направленного таким образом, что более теплая вода остается справа от течения; собственно Гольфстрим виден в северных частях этих карт. Как следует из рис. 6, в главном термоклине перепад температуры воды поперек Гольфстрима составляет примерно 9° С.

После отхода от материкового склона Северной Америки Гольфстрим принимает резко неустойчивый характер, что выражается в перманентном возникновении высокоамплитудных нестационарных поперечных возмущений формы струи течения — меандров. На заключительной фазе своего развития меандры во многих случаях отпочковываются от основной струи течения и превращаются, таким образом, в холодные цикло-

I

 

Динамика синоптических океанских  вихрей 31

нические вихри к югу от течения  и теплые антициклонические вихри  к северу от него. Типичные циклонический меандр Гольфстрима и уже отсеченный циклонический вихрь диаметром около 200 км видны, например, на рис. 6, в. После своего образования большинство вихрей Гольфстрима не отходят далеко от породившего их течения, а через несколько недель или месяцев вступают с Гольфстримом в повторные контакты, обмениваясь с ним определенными количествами воды, тепла и механической энергии. В некоторых случаях такие контакты заканчиваются поглощением вихрей Гольфстримом.

Особенно интересные результаты, касающиеся взаимодействия вихрей Гольфстрима друг с другом и с основной струей течения, были получены экспедицией Института океанологии по программе «Разрезы» зимой 1984 г. Первая гидрофизическая съемка района (см. рис. 6, а) зафиксировала два соединенных между собой циклонических вихря разной мощности. К середине января вихри окончательно разъединились, после чего больший из них развернулся по часовой стрелке и частично слился с основной струей Гольфстрима (см. рис. 6, б). Затем произошло вторичное отделение этого вихря от Гольфстрима, завершившееся принятием вихрем «классической» круглой формы (см. рис. 6, в). Взаимодействие вихря с Гольфстримом сопровождалось колебаниями полного расхода вращательного движения воды в вихре в слое океана 0—2000 м от 33 • 10" м³/с в начале января до 26 • 10^е м³/с в конце января и снова до 32 • 10⁶ м³/с в конце февраля 1984 г. Меньший вихрь (см. рис. 6, а) после отделения от большего начал двигаться к северу и во второй половине февраля слился с Гольфстримом, превратившись в его циклонический меандр (см. рис. 6, е).

Район Гольфстрима характеризуется  особенно большим количеством тепла, отдаваемым океаном атмосфере в  зимнее время года. Вследствие фронтального характера Гольфстрима и его  вихрей колебания от года к году этого количества тепла во многом определяются межгодовой изменчивостью меридионального положения основной струи Гольфстрима, а также числа, мощности и расположения его циклонических и антициклонических вихрей. Еще больший интерес представляет направленный с юга на север перенос тепла поперек Гольфстрима, связанный с генерацией и дальнейшим перемещением его холодных циклонов и теплых антициклонов. Полагая, в соответствии с современными представлениями, что на участке Гольфстрима от 75 до 50° з. д. образуется восемь пар циклонов и антициклонов в год, для соответствующей годовой переброски тепла поперек Гольфстрима получаем оценку 10²¹ кал. Это составляет 5% общего количества тепла, переносимого движениями воды всех масштабов в течение года в северном направлении через параллель 20° с. ш. во всем Мировом океане. Очевидно, однако, что описанный выше процесс вторичных взаимодействий вихрей Гольфстрима с порождающим их течением должен оказывать существенное влияние на формирование итоговой величины потока тепла поперек Гольфстрима. Поэтому изучение этого процесса имеет немаловажное значение для построения климатических моделей северной Атлантики.

Работы Института океанологии  по исследованию крупномасштабных течений  и синоптических вихрей в Субантарктике были выполнены в 1982—1983 гг. под руководством члена-корреспондента АН СССР В. Г. Корта сразу в трех районах Южного океана — к югу от Африки, к югу от Новой Зеландии и в районе острова Кергелен в Индийском океане. В первых двух из этих районов было обнаружено и исследовано по одному мощному холодному циклоническому (вращение воды по часовой стрелке в Южном полушарии) вихрю, образовавшемуся в результате

 

В Президиуме Академии наук СССР 

32

 

отпочкования направленного к  северу циклонического меандра особенно сильной осевой струи  (стрежня) Антарктического циркумполярного течения.  Это  течение  несет  свои воды  в  направлении  с   запада  на  восток вокруг   антарктического   материка  и   по   общему   расходу   воды   (около 150 • 10⁶   м³/с)    является   самым   мощным   течением    Мирового   океана. Скорость   течения   в стрежне, располагающемся примерно на  50° ю. ш. в Атлантическом и Индийском океанах и на 60° ю. ш. в Тихом океане, может достигать 1 м/с в приповерхностном слое океана и вследствие ба-роклинности течения уменьшается обычно до нескольких сантиметров в секунду   на  глубинах   2000—3000 м.  С осевой частью Антарктического циркумполярного течения совпадает Южный полярный фронт, разделяющий  антарктическую  воду  на  юге  и  более  теплую  субантарктическую воду  на  севере;  перепад  температуры  воды  через  фронт  на  глубинах 50—500 м обычно порядка 3°: от —1 — +1° С на юге до 2—4° С на севере. Отсюда ясно, по аналогии с районом Гольфстрима, что образование холодных циклонических и теплых антициклонических вихрей в зоне осевой   струи   Антарктического   циркумполярного   течения   сопровождается транспортировкой тепла с севера на юг через Южный полярный фронт. Оба упомянутых выше циклонических вихря, обнаруженных экспедицией 1982—1983 гг., были подробно исследованы с помощью гидрофизических съемок океана, а вихрь к югу от Африки — еще и путем постановки в него проработавшей около месяца системы из шести автономных буйковых станций с измерителями течений и температуры воды на шести горизонтах; это была первая выполненная в Южном океане прямая съемка   океанских   течений   по   площади   синоптического   вихря.   Измерения температуры,   солености   и   содержания   гидрохимических   элементов   в обоих   вихрях,   располагавшихся   во время работы в субантарктической зоне океана, показали, что их ядра составляла вода антарктического происхождения; таким образом, было доказано, что оба вихря образовались из циклонических меандров Южного полярного фронта. Уникальной оказалась мощность обоих вихрей, охватывавших всю толщу океана вплоть до   его   дна и имевших диаметры около  200 км.  Орбитальная скорость движения воды в поле обоих вихрей превышала  1 м/с в верхнем слое океана и составляла около 40—50 см/с  на  глубинах  1500—2000 м.  Холодные  циклонические  и  теплые  антициклонические  меандры  и  вихри стрежневой струи Антарктического  циркумполярного   течения   наблюдались и раньше в Южном океане, но их размеры и энергия значительно уступают аналогичным параметрам вихрей 1982—1983 гг.

Расчеты показали, что формирование в зоне осевой струи Антарктического циркумполярного течения одной пары холодного и теплого вихрей, по мощности равных описанным выше, соответствует переброске тепла с севера на юг через Южный полярный фронт в количестве 4,2 • 10^<9 кал. Расположенная к югу от фронта окружающая Антарктиду область Мирового океана ежегодно отдает атмосфере около 300 х 10¹⁹ кал тепла, что оказывает очень большое влияние на формирование климата Южного полушария Земли. Следовательно, образование 70 пар теплых и холодных вихрей Южного полярного фронта, по мощности равных наблюденным экспедицией 1982—1983 гг., может скомпенсировать эту отдачу. За год такое число вихрей на всем протяжении Антарктического циркумполярного течения представляется реальным. Отсюда очевидна важность изучения синоптических вихрей Южного океана для понимания процессов формирования климата Земли.

Во время экспедиции «Мезополигон», проведенной Институтом океанологии под научным руководством члена-корреспондента АН СССР А. С. Монина в апреле—июне'1985 г. в пассатной зоне Северной Атланти-

 

Динамика синоптических  океанских вихрей 

33

 

ки (рис. 1), была осуществлена уникальная постановка системы из 76 (!) автономных буйковых станций сроком на месяц  для изучения синоптических и мезомасштабных (меньший, чем синоптический масштаб) возмущений океанской циркуляции. В результате этих измерений был обнаружен хорошо выраженный изолированный глубинный' вихрь, полностью сосредоточивавшийся в нижней части главного пикноклина. Затем этот вихрь был подробнейшим образом исследован экспедицией как в ходе нескольких специально организованных гидрофизических съемок океана, так и путем постановки дополнительной системы из 15 автономных буйковых станций сроком на 10 суток. Все эти наблюдения привели к следующим выводам.

Вихрь располагался в слое океана между горизонтами 750 и 1600 м (рис. 7) и  имел в плане круглую (диаметр 75 км), а в пространстве — линзообразную  форму, почему в дальнейшем, кроме  термина «вихрь», мы будем употреблять также термин «линза». Линза характеризовалась рекордными горизонтальными аномалиями температуры и солености воды в своей центральной части. Именно соленость в центре линзы на горизонте 1000 м превышала на 0,9%о соленость окружавших линзу вод на том же горизонте (см. рис. 7), а температура — на 4° (от 10° С в центре линзы до 6°С в окружавшей ее воде). По вертикали на оси линзы температура менялась от 7° С над линзой до 10° С в центре линзы и затем до 6° С непосредственно под линзой. Объем линзы, определенный как область аномальных значений температуры и солености, составлял 1900 км³, а интегральные по объему линзы положительные аномалии тепло-    и    солесодержания    составляли 1,1 • 10¹⁸    кал    и    2,4 х 10^й    кг.

Описанные выше распределения температуры и солености в линзе обеспечивали в своем сочетании устойчивый характер распределения плотности воды внутри линзы и на ее границах, то есть повсеместно увеличение плотности с глубиной. Центральная часть линзы была, однако,   хорошо   перемешана, что приводило к положительным горизонталь-

2    Вестник АН  СССР, Я« 2

 

В Президиуме Академии наук СССР 

34

 

ным аномалиям плотности воды в  ее верхней части и к отрицательным  — в нижней. Это обстоятельство в сочетании с квазигеострофичностыо  орбитального движения воды в линзе в свою очередь обусловливало ан-тициклонический (по часовой стрелке) характер движения, причем его скорость достигала максимума в 30 см/с на горизонте 1000 м на расстоянии 15—20 км от центра линзы. На уровнях 800 и 1500 м скорость орбитального движения воды была уже очень мала. Под действием течения большего (синоптического) масштаба линза в период наблюдений перемещалась на запад — северо-запад со скоростью около 2,5 км/сутки. Были получены также указания на слабое перемешивание воды, составлявшей линзу, с окружавшей ее океанской водой.

Повышенные значения температуры, солености и щелочности воды в  центральной части линзы, а также  обнаруженные экспедицией пониженные концентрации фосфатов, нитратов и кремния в ее ядре уверенно указывают на то, что водная масса линзы состояла преимущественно из-воды средиземноморского происхождения, постоянно поступающей из Средиземного моря в Атлантический океан с глубинным течением Гибралтарского пролива. Глубинный поток этой воды, следующий на запад, а потом на север вдоль материкового склона у южного и западного побережий Пиренейского полуострова, оказывается бароклинно неустойчивым. В результате этого на его внешнем (океанском) крае возникают антициклонические меандры, трансформирующиеся затем в глубинные антициклонические вихри. Удаленность в 2500 км наблюденной линзы от места ее зарождения в сочетании с перпендикулярностью направления ее движения к линии, соединяющей ее положение в период наблюдений с Гибралтарским проливом, а также высокая степень содержания воды средиземноморского происхождения в теле линзы указывают на чрезвычайную устойчивость образований такого типа и их способность существовать не один год и проходить в океане расстояния не в одну тысячу километров,   сохраняя   свою   индивидуальность   и   свои   водные   массы.

Следы еще нескольких линз средиземноморской  воды обнаруживались в последние  годы в разных частях субтропической и тропической зон Северной Атлантики. Можно предположить, что в указанной  части океана единовременно присутствуют порядка ста или даже более таких образований. Очевидно, что их изучение имеет важное значение для понимания механизмов формирования вертикальной стратификации океана, характеризующейся, в частности, глобальным распространением в океане промежуточных слоев воды с экстремальными значениями солености, температуры, щелочности, концентрации кремния и других гидрофизических и гидрохимических характеристик.