Вихри

Явление крупномасштабных вихревых образований впервые было обнаружено советскими учеными во время осуществления программы «ПОЛИГОН‑70» в тропической зоне Северной Атлантики. Здесь, вдали от берегов, в открытом океане вдоль линий, образующих крест, ученые поставили 17 автоматических буйковых станций, котор! измеряли параметры течений. Измерения проводились шесть месяцев, а характеристики течений регистрировались каждые полчаса.

Когда были обработаны результаты измерений, то оказалось, что здесь было открыто удивительное явление природы — синоптические вихри с горизонтальными размерами от 100‑150 до 300‑400 метров.

Эти вихри обладают огромными запасами кинетической энергии, которая в сотни раз превышает энергию течений более крупных масштабов. Наряду с этим они заметно влияют на энергетический баланс Мирового океана, поскольку в них заключено до 90 процентов его кинетической энергии. Сами же течения — это сложная совокупность разномасштабных вихрей в океане с некоторым oбщим направлением перемещения. Помимо этого, было выяснено, что океанические течения проявляются не только на поверхности океана, но существуют и в виде других, например подводных течений, порой противоположного направления.

Удалось установить, что существуют вихри с циклоническим (против часовой стрелки) и антициклоническим вращением воды. Оказалось, например, что в Северном полушарии изотермические поверхности поднимаются в ядрах «циклонов» и опускаются в ядрах «антициклонов». Амплитуда этих смещений составляет 100‑150 метров. Из— за подъема вод циклонические вихри имеют в центре отрицательную температуру, а антициклонические вихри — положительную температуру, поэтому их соответственно называют «холодными» и «теплыми». В случаях, когда ядро более холодное, внутри вихря наблюдается повышенна биологическая продуктивность, что объясняется подъемом внутренних вод, богатых питательными веществами. Oба типа этих вихрей, естественно, создают особые, труднопрогнозируемые условия для теплового и влажного обмена с воздушной атмосферой Земли.

Значимость динамики океана в областях, где «живут», то есть развиваются и действуют, синоптические вихри, которые проникают на глубину более полутора километров, усугубляется еще и сложным характером взаимодействия их с квазистатическими океанскими течениями. Эти течения, как известно, имеют свои сезонные и годичные флуктуации изменчивости, что, естественно, значительно затрудняет прогнозирование характера их поведения во времени.

В связи с этим пришлось отказаться от долго бытовавшего представления о «реках» в океане. Как всякая ломка старых понятий, процесс данного осмысления был нелегким и болезненным. И как следствие этого процесса возник принципиально новый подход к измерениям течений на различных глубинах — появился метод полигонов. Дело заключалось в том, что измерения океанских течений, сделанные в одном и том же пункте в разное время, как правило, не согласуются с общей картиной циркуляции вод.

Для устранения указанного недостатка используются два подхода. По одному из них измерители течений устанавливают на различных горизонтах во многих фиксированных точках океана (с разнесением до многих сотен километров). По другому — в океан выпускают большое количество буев нейтральной плавучести, устроенных так, что они уравновешиваются на определенных глубинах и следуют за водными массами. О своем местонахождении буи сообщают регулярно по акустическому каналу на береговые станции, Вот и получается, что преимущество метода полигонов состоит как раз именно в том, что на специальном океаническом участке характеристики течений измеряются сразу в нескольких или многих местах.

Преподнес сюрприз Гольфстрим… Выяснилось, что от его основного, хорошо изученного течения постоянно отделяются громадные отростки, постепенно изгибающиеся в причудливые завитки‑вихри. Вихри, образуемые течением Гольфстрим, называются «рингами». «Ринг» — это огромная конусообразная масса воды диаметром в 100— 150 километров.

Оторвавшись от Гольфстрима, «ринг» долго путешествует по Атлантическому океану, проходя за сутки несколько километров и меняя направление течений, возмущая представителей подводной биологической фауны. Он живет своей, вполне самостоятельной жизнью до тех пор, пока бесследно не растает. За это время он успевает заплыть далеко на север. Один из таких «рингов» наблюдался командой судна «Академик Вернадский» на 60" северной широты и 12° западной долготы.

Одновременно вихри‑"ринги" вращаются со скоростью порядка 1,0‑1,5 метра в секунду, которая может достигать и 25 метров в секунду. Это вращение поднимает со дна океана холодные воды. Перемещение такого количества воды в океане, естественно, сказывается на атмосферных явлениях.

Над загадками вихрей кроме советских ученых работали и американские океанографы, и оказалось, что цели обеих программ сводились к изучению одних и тех же морских явлений. В дальнейшем советские ученые провели еще несколько экспериментов в открытом океане с целью исследования природы и особенностей ранее открытых вихрей. В то же время американские ученые приступили в 1972 году к проекту «Моде», который вместе с «Полигоном‑70» положил начало советско‑американскому научному сотрудничеству.

В период проведения эксперимента «Моде» велись наблюдения за поплавками нейтральной плавучести на глубине 700 и 2000 метров. Местоположение поплавков определялось с помощью станций акустического прослушивания, расположенных на Бермудских, Багамских и Антильских островах. Кроме того, со спутников ежесуточно проводились температурные съемки поверхности океана и, в частности, района Бермудского треугольника, что позволяло исследовать пространственные и временные характеристики изменчивости Гольфстрима.

Все вышеуказанные обстоятельства позволили объединить усилия ученых двух стран, и начиная с 1974 года было решено проводить совместно подобные исследования. Так родилась общая программа «Полимоде». Название ее включает слово «Полигон», а «Моде» — сокращение английского термина «срединно‑океанический динамический эксперимент». Проведение полигонных экспериментов — дело очень трудное и дорогостоящее. Обычно в таких работах бывает занято несколько судов и сотни ученых и моряков.

Проект предусматривал проведение экспериментальных и теоретических исследований. Тщательно разработанная программа была составлена так, чтобы с минимальными для каждой из сторон затратами времени и средств получить наиболее полные результаты. В программу «Полимоде» входило, например, изучение скорости течений и плотности воды на сравнительно небольшой площади. Для этой цели в северо‑западной части Атлантического океана был намечен круг радиусом в несколько сот километров.

То, что главным гидрофизическим полигоном оказался район Бермудского треугольника, — случайность. Вначале предполагалось работать гораздо севернее — к югу от Ньюфаундлендской банки. Но там слишком сложные климатические условия, а в районе Бермуд погода получше. Когда был утвержден этот район, кто‑то из присутствовавших заметил, что работать придется почти в самом центре «зловещего Бермудского треугольника». И хотя шуток по этому поводу было высказано немало, ни у кого не возникла мысль проводить исследования в другом месте.

Основные работы были запланированы на 1977‑1978 годы. В них предполагалось участие также ученых Англии, Канады, Франции и ФРГ. Экипажу советского научно‑исследовательского судна «Академик Вернадский» было поручено провести исследования, позволявшие определить пути подхода к решению данной проблемы, и в частности создать соответствующие физико‑математические модели поля синоптических вихрей и методы расчета нестационарных океанских течений. Помимо прочего, необходимо было также уточнить район проведения экспериментов.

Изучение оптики, химии и биологии, замеры температур и параметров вихревых образований в океане проводились совместно с американскими учеными. При этом широко использовались американские искусственные спутники Земли: они позволяли непрерывно контролировать положение буев в океане. Для этого наши буи снабжались американскими ответчиками. Кроме того, с помощью спутников была получена исходная информация о положении «рингов» Гольфстрима. Американские «кусты» буйковых станций позволили получить большой объем информации, статистическая обработка которой дает представление о географическом распределении синоптических вихрей и о самом вихревом поле в океане.

В июне 1977 года наши ученые приступили к основным экспериментальным исследованиям синоптических вихрей в юго‑западной части Северной Атлантики. Они включали изучение кинематики, динамики и строения синоптических вихрей, их взаимодействия между собой, а также с движениями других водных образований: средними течениями, внутренними волнами, турбулентностью и т.п. Кроме этого, исследовалось также распределение вихревой энергии в пределах крупномасштабной циркуляции вод.

На протяжении 13 месяцев отечественная часть программы осуществлялась на специальном гидрофизическом морском полигоне размером 550x550 километров, который был расположен между Бермудскими и Багамскими островами. Непрерывная работа около 20 буйковых океанографических станций, снабженных измерителями течений и температуры воды, обеспечивалась все время менявшимися поочередно несколькими экспедиционными судами, в том числе флагманским судном «Академик Курчатов», а также судами «Академик Вернадский», «Михаил Ломоносов», «Академик Крылов», «Молдавия» и другими.

Анализ траекторий вихрей позволил установить, что движение их крайне неравномерно и что оно носит криволинейный характер. Как выяснилось, вихри непрерывно взаимодействуют друг с другом: они сталкиваются, сливаются в один более мощный вихрь или, наоборот, распадаются на несколько новых.