Загадки синоптических вихрей
Загадки синоптических вихрей
Конец 50-х гг. – время качественного скачка в развитии океанологической техники и методик проведения исследований. От описательных методов изучения природы Мирового океана ученые переходили к изучению процессов в океане, к исследованию физических полей с помощью точных геофизических методов. Комплексность в исследованиях уступала место тематическим экспедициям. Возросший масштаб тематических исследований, особенно в гидрофизике, геофизике, акустике, требовал широкого применения средств автоматизации сбора и обработки научных материалов.
Советские ученые чувствовали тогда некоторое отставание от зарубежных коллег. Необходим был прорыв в океанологических исследованиях, и он мог быть осуществлен только с помощью новых экспедиционных судов, оснащенных современной исследовательской аппаратурой.
Перед советскими океанологами опять стала проблема: каким образом ускорить получение таких судов. Отдел морских экспедиционных работ АН СССР во главе с И. Д. Папаниным предложил строить новое экспедиционное судно на базе проекта корпуса и энергетической установки (ЭУ) серийного пассажирского теплохода. Разработка технического проекта и строительство головного судна выполнялись верфью им. Матиаса Тезена в Висмаре (ГДР) при участии и под наблюдением советских специалистов.
1966 год вошел в историю советской морской науки как год, смены лидера в исследовательском флоте. Ветеран «Витязь» уступил почетное звание флагмана советского научно-исследовательского флота новому универсальному экспедиционному судну «Академик Курчатов», предназначенному для комплексных океанологических исследований.
Это был поистине плавучий исследовательский институт, где в корпусе длиной почти 125 м разместились 24 научные лаборатории для проведения исследований по физике моря, атмосферы и космического пространства, физике Земли, геологии, химии и биологии. Кроме этого, на судне имеется множество вспомогательных, подсобных, но крайне необходимых научных помещений: вы: числительный центр, фотолаборатория, хранилище коллекций и сборов, чертежная.
При постройке судна лаборатории были неплохо оснащены научной аппаратурой, в число которой входили эхолоты различных диапазонов для непрерывной регистрации от самых, малых глубин до дна океанских впадин, фототелеграфная аппаратура для приема синоптических карт, дистанционные метеостанции, сейсмографы, регистраторы температуры и солености забортной воды и многое другое. Для исследования космических лучей на судне установили азимутальный телескоп и нейтронный супермонитор. Для быстрой обработки в рейсе огромного числа измерений физических параметров использовалась судовая ЭВМ.
Часть исследовательских лебедок в отличие от «Витязя» были не тросовые, а кабельтросовые, то есть они способны были опускать в глубины исследовательские зонды, от которых информация по кабелю передавалась на борт судна. В средней части корпуса проходила шахта диаметром 700 мм с отверстием в днище. Через нее при любой погоде можно было опускать за борт на глубину исследовательские приборы.
Приведем выдержки из экспертного заключения, составленного во время приемки судна от судоверфи и зафиксировавшего достоинства нового флагмана:
…«Академик Курчатов» является первоклассным научным экспедиционным судном, способным обеспечить выполнение широкого комплекса научных исследований в открытом океане в течение длительного времени.
Высокая скорость хода обеспечивает быстрое прохождение судна в район работ и значительно экономит время перехода из одного района в другой. Отличная маневренность, обеспеченная противодрейфовым устройством и активным рулем, позволяет осуществлять сложные маневры при производстве работ на станциях, полигонах и при буйковых постановках. Активные успокоители качки, уменьшающие качку в 3,5 раза, обеспечат спокойные условия для работы в лабораториях даже во время, шторма. Насыщенность судна специальными устройствами и лабораториями, предназначенными для работы на ходу, обеспечивает получение важной и разнообразной информации не только непосредственно на станциях и полигонах, но и во время переходов.
Большие размеры лабораторий, оснащение их регистрационной и аналитической аппаратурой позволяют значительную часть обработки собираемой информации и материалов выполнить во время рейса.
…Особо следует отметить большое значение высокой маневренности судна для производства работ одновременно с нескольких лебедок. В целом возможности, заложенные в НИС «Академик Курчатов», обеспечивают эффективную работу большого коллектива ученых различных специальностей.
Необходимо подчеркнуть, что судно вполне отвечает современным требованиям, так как обеспечивает использование большого числа автономных буйковых постановок и. широкий комплекс геофизических измерений при работе по системе полигонов…
…Судно «Академик Курчатов» представляет все возможности для решительного изменения системы организации и выполнения экспедиционных исследований в океане.
Таким образом, вся работа в экспедиции будет не только и не столько сбором материала, но примет характер глубокого законченного научного исследования…
Эксплуатационные возможности этого корабля (его автономность, скорость хода, маневренность, оборудование навигационными приборами и др.) и его научно-техническая оснащенность неизбежно заставят ученых пересмотреть целый ряд считающихся незыблемыми организационных и методических положений в проведении океанологических экспедиций и перейти на новые научно-организационные формы подготовки и проведения экспедиций».
Морские специалисты быстро оценили высокие качества ИИС «Академик Курчатов», технические новшества, примененные при его создании, и перспективы коренных преобразований в методике океанологических исследований. «Академик Курчатов» стал головным в серии НИС, построенных на судоверфи им. Матиаса Тезена. В период 1966–1968 гг. там были построены однотипные НИС «Профессор Визе», «Профессор Зубов», «Академик Королев», «Академик Ширшов» – для Гидрометеослужбы, затем «Академик Вернадский» – для Морского гидрофизического института АН УССР и «Дмитрий Менделеев» – для Института океанологии АН СССР. В дальнейшем были построены еще 4 подобных судна для других ведомств.
Головное судно этой серии вполне заслуженно было названо в память выдающегося советского физика-атомщика трижды Героя Социалистического Труда Игоря Васильевича Курчатова (1903–1960). Второе судно этой серии получило название «Дмитрий Менделеев» в память о великом русском ученом-творце Периодической таблицы элементов Дмитрии Ивановиче Менделееве (1834–1907).
В названии третьего судна этой серии была увековечена память о великом русском и советском ученом академике Владимире Ивановиче Вернадском (1863–1945).
Суда Гидрометеослужбы были названы в честь корифея полярной науки члена-корреспондента АН СССР, профессора Владимира Юльевича Визе (1886–1954), одного из создателей советской школы океанологов доктора географических наук профессора Николая Николаевича Зубова (1885–1960), одного из основоположников послевоенной советской океанологии, основателя и первого директора Института океанологии АН СССР Героя Советского Союза академика Петра Петровича Ширшова (1905–1953), основателя советской космонавтики Дважды Героя Социалистического Труда академика Сергея Павловича Королева (1907–1966).
Именно НИС типа «Академик Курчатов» сыграли основную роль в исследованиях 70-х гг., приведших к выдающемуся открытию – обнаружению в океане синоптических вихрей. Ученые давно выражали сомнение в том, что океанские течения подобны по структуре рекам в океане и представляют собой однородный поток по всему сечению течения, все частицы которого движутся примерно в одном направлении.
Видный советский океанолог профессор В. Б. Штокман (1909–1968) еще до войны выдвинул идею о том, что течения представляют собой изменчивые образования. Уже в 50 – 60-х гг. он прозорливо доказывал необходимость проведения долговременных измерений параметров водной массы в одних и тех же точках океана на разных глубинах. Под его руководством советские океанологи провели ряд подобных измерений в окраинных морях. И эти опыты подтвердили наличие серьезной изменчивости параметров, хотя каких-либо закономерностей еще установить не удалось.
К концу 60-х гг. в Институте океанологии АН СССР твердо решили провести подобные долговременные измерения в океане. В подготовке нового эксперимента профессор В. Б. Штокман не смог участвовать, так как безвременно скончался в 1968 г. Работу провели его соратники и ученики.
Важно было правильно выбрать место проведения эксперимента. Желательно замеры проводить в типичном районе океана, где течения считались наиболее стабильными, устойчивыми. В результате длительных обсуждений ученые остановились на районе Северного Пассатного течения в Атлантическом океане. Центр выбранного полигона размером 120x120 миль расположился в точке на широте примерно Дакара и расстоянии более 860 миль от него. Здесь дуют постоянные ветры – северо-восточные пассаты, рельеф дна приблизительно ровный, глубина – типичная для океана – около 5000 м, то есть это район, где как будто исключены все посторонние факторы, могущие привести к дополнительной изменчивости основного потока господствующего течения.
Экспедиционный отряд состоял из шести новейших НИС: два от Института океанологии АН СССР – «Академик Курчатов» и «Дмитрий Менделеев»; одно – «Академик Вернадский» – от Гидрофизического института АН УССР; два от Акустического института АН СССР – «Сергей Вавилов» и «Петр Лебедев» – и наконец «Андрей Вилькицкий», принадлежащее Гидрографической службе страны. Научным руководителем этого внушительного эксперимента был определен выдающийся советский океанолог и гидроакустик академик Л. М. Бреховских.
В чем же смысл проведения эксперимента? На выбранном полигоне было установлено 17 автономных буйковых станций, причем станции установили в виде своеобразного креста из 4 лучей. Сами лучи пересекались под прямым углом и были направлены по меридиану и параллели. Центральную станцию установили в точке пересечения лучей, остальные 16 (по 4 на каждом луче) были установлены так, чтобы расстояние между ними увеличивалось с удалением от центральной станции.
Каждая буйковая станция состояла из стального троса, на одном конце которого располагался тяжелый груз – якорь. К другому концу троса прикреплялся плавающий на поверхности буй, обладавший достаточной плавучестью, чтобы поддерживать верхний конец троса с подвешенными приборами на поверхности. На трос, подвесили 10 автономных приборов-измерителей течения на горизонтах с глубиной от 25 до 1500 м.
В то время в качестве измерителя течения использовалась буквопечатающая вертушка Алексеева. На бумажной ленте прибора через каждые полчаса отпечатывались значения направления и скорости течения. «Памяти» прибора хватало на 28 суток. По плану проведения эксперимента предполагалось задействовать буйковую антенну в течение полугода. Планировалось каждые 25 суток поднимать буйковую станцию для перезарядки приборов новыми бумажными лентами, а в этой же точке устанавливать другую станцию с заряженными измерителями. Параллельно с измерениями течений фиксировались температура и электропроводность (значит, соленость) воды на каждом горизонте.
Цель эксперимента была в том, чтобы установить, меняются ли направления и скорости течения во времени и пространстве и если меняются, то как.
И в настоящее время автономная буйковая станция остается важнейшим техническим средством океанологов. Правда, теперь на тросе устанавливают новые автономные приборы, которые через 15–20 мин фиксируют значения температуры, электропроводности, скорости и направления течения не на бумаге, а на магнитную ленту. «Памяти» таких приборов хватает на несколько месяцев. Безусловно, записи на магнитной ленте могут быть легко перенесены в долговременную память судовой ЭВМ, а затем извлечены оттуда по желанию исследователя.
Вернемся в 1970 г. Основная работа, приведшая к открытию синоптических вихрей, была проведена с борта НИС «Академик Курчатов», «Дмитрий Менделеев» и «Андрей Вилькицкий», которые приступили к установке автономных станций в феврале. Система буйковых станций работала непрерывно более 5,5 месяца. Это была тяжелая и ответственная работа. Бывало, что из-за погоды буи срывались с места. Тогда приходилось искать их в океане силами нескольких судов. Время от времени суда уходили с полигона для заправки топливом и пополнения запасов продовольствия. Тогда на полигоне оставалось одно дежурное судно, которое инспектировало станции. НИС «Академик Курчатов» и «Дмитрий Менделеев» провели в океане почти 7 месяцев, «Андрей Вилькицкий» – полгода.
В марте на борту «Академика Курчатова» была часто слышна английская и немецкая речь. Туда прибыли иностранные океанологи и привезли с собой автономные регистраторы течений различных конструкций. Ученые решили сравнить, откалибровать измерители течений производства разных стран. Для этого на полигоне недалеко друг от друга выставили 4 дополнительные станции. Две недели работали параллельно подвешенные к тросам станций океанологические приборы, изготовленные в СССР, Норвегии, Великобритании, ГДР, США. Затем провели сверку и калибровку приборов. Эта важная работа обеспечила в дальнейшем успешное проведение. совместных работ по международным исследовательским программам.
В результате проведения новаторского и масштабного эксперимента, названного «Полигон-70», был собран колоссальный объем информации. К обработке его приступили немедленно. Судовые вычислительные центры «Академика Курчатова» и «Дмитрия Менделеева» справились с этой ответственной работой. Уже первоначальные обобщения собранного экспериментального материала после подъема первой станции выявили поразительную картину. Прежде всего оказалось, что, когда начались измерения, течение в слоях до 1500 м было направлено не на запад и юго-запад, как ему положено было быть, учитывая расположение полигона в районе Северного Пассатного течения, а на северо-восток, то есть почти в прямо противоположном направлении…
Примерно через две недели направление течения стало северо-западным. Еще через три недели оно снова изменило направление. Ученые поняли, что они наблюдают новое неизвестное до этого времени явление с временным масштабом несколько недель или месяцев. Перед ними возникла грандиозная и запутанная картина, так как течение на разных горизонтах меняло свое направление по-разному.
После того как провели глубокий анализ данных, замеренных всеми 17 станциями за полгода, картина прояснилась. Океанологи установили, что через зону полигона проплывали огромные вихри размером 100–150 км со скоростью перемещения водных масс вокруг центра вихря 10–20 см/с. А сами гигантские вихри не стояли на месте, а медленно (со скоростью около 4 см/с) перемещались в направлении, которое ученые всегда обозначали как направление Северного Пассатного течения.
Об этом эпохальном открытии советские ученые сообщили в октябре 1970 г. на Международной океанографической ассамблее в Токио, где сообщение вызвало повышенный и вполне оправданный интерес всех океанологов.
В марте – июле 1973 г. в районе Саргассова моря аналогичный эксперимент провели американские ученые. Они назвали свое исследование «Серединно-океанический динамический эксперимент» (Mid Ocean Dynamical Experiment) no первым буквам английских слов – MODE. Их исследования подтвердили существование синоптических вихрей.
Эти два выдающихся полигонных океанологических исследования позволили ответить на ряд вопросов, но в результате возникло еще больше новых. Было неясно, как возникают эти вихри, как они взаимодействуют друг с другом и со средним течением. Для решения этих и многих других вопросов в 1977–1978 гг. был проведен большой совместный советско-американский эксперимент Полимоде, название которого сложили из начальных слогов «Полигон-70» и обозначения американского эксперимента МОДЕ.
Советские участники исследований проводили работы в течение года на полигоне размером 310x310 миль в юго-западной части Саргассова моря. Советские ученые создали и поддерживали с конца июня 1977 г. до октября 1978 г. систему из 19 буйковых станций. В работах на полигоне участвовало 9 НИС: «Академик Курчатов», «Академик Вернадский», «Витязь», «Михаил Ломоносов», «Петр Лебедев», «Сергей Вавилов» – из академического флота, от Гидрометеослужбы – «Виктор Бугаев», а также гидрографические суда «Академик Крылов» и «Молдавия».
Советские автономные буйковые станции непрерывно фиксировали с интервалом от 12 до 60 мин на нескольких горизонтах направление и скорость течений и значения температуры воды. Параллельно с этим советские НИС осуществили множество гидрологических съемок, в ходе которых замерялись параметры водных масс на различных горизонтах в других районах полигона.
Американцы в этот раз широко использовали дрейфующие буи нейтральной плавучести. Такой буй опускается на заданную глубину и дрейфует вместе с водной массой. На буе устанавливается излучатель звука типа органной трубы, излучающий по программе череч заранее заданное время звуковой сигнал определенной частоты.
Звуковой сигнал регистрировался на нескольких (не менее трех) приемных акустических станциях, расположенных на островах, на побережье или на судах в открытом океане. Затем по разнице времени пробега звукового сигнала до различных станций определяли с точностью до километра местоположение буя в каждый данный момент времени. Следовательно, определив линию дрейфа буя, ученые выясняли характер перемещения водных масс, которые несли этот буй.
Во время эксперимента ПОЛИМОДЕ было установлено, что буи, выпущенные в одном и том же месте на отличающихся между собой всего на несколько десятков метров глубинах, могут потом перемещаться по совершенно различным траекториям – еще одно доказательство изменчивости и многослойности динамических характеристик водных масс.
В период эксперимента советскими учеными был выполнен впечатляющий объем работ: 17 крупномасштабных (по всему полигону) гидрологических съемок, 14 среднемасштабных и наблюдения на нескольких микрополигонах. Все буйковые океанографические станции почти непрерывно проработали по 12–13 месяцев. Зарегистрировано около 3 млн. компонент вектора скорости течения и получено около 2 млн. значений температуры воды. Проведены наблюдения на нескольких тысячах гидрологических станций и станциях температурного зондирования.
В результате всей этой, не побоимся сказать, титанической работы за время эксперимента удалось зарегистрировать прохождение через полигон в течение года более 20 синоптических вихрей диаметром 200–300 км и нескольких десятков более мелких вихрей. Ученые установили, что поступательное движение вихрей неравномерно и криволинейно. Вихри сталкиваются друг с другом, взаимодействуют друг с другом и, видимо, при этом обмениваются энергией.
Получается, что океан вопреки всем ожиданиям весьма схож с атмосферой, где такие вихревые образования, как циклоны и антициклоны, обладают большей энергией, чем результирующий средний воздушный поток, определяющий общее направление перемещения воздушных масс. Поэтому в дальнейшем, по предложению члена-корреспондента АН СССР А. С. Монина, эти водные вихри открытого океана стали называть синоптическими.
Анализ данных, полученных на советской системе буйковых станций и на американской системе дрейфующих буев, еще раз убедительно доказал большую роль, которую играют обнаруженные вихри в жизни океана. Подтвердилось, что не менее 90 % кинетической энергии океана заключено в вихрях.
После этих опытов вихри стали обнаруживать в самых различных местах. Хорошо выраженные вихри были обнаружены в Арктике и Антарктике. Они были найдены и в Тихом океане.
Ученым удалось определить объемную структуру синоптических вихрей. Такие вихри имеют приближенно форму несколько скрученного по часовой стрелке (для Северного полушария) усеченного конуса с вершиной, обращенной кверху для циклонических вихрей (вращение против часовой стрелки) и вниз для антициклонических (вращение по часовой стрелке).
Интересно, что циклонические вихри характеризуются сгоном поверхностных вод и подъемом из глубины холодных вод. Это явление важно для биологии океана, так как глубинные воды выносят на поверхность питательные соли, приводящие к бурному развитию жизни. В свою очередь, антициклонические вихри приводят к нагону поверхностных вод и их опусканию на глубину, то есть эти вихри являются «теплыми», так как температура поверхностных вод повышается. Контрасты температуры в различных зонах вихрей могут быть значительными и достигать 10 °C.
Ясно, что теплые и холодные вихри в океане создают особые условия для тепло-и влагообмена с атмосферой и поэтому оказывают самое существенное влияние на изменение параметров воздушных масс, то есть изменяют погоду. Отсюда следует, что постижение тайн океанских вихрей, помимо раскрытия фундаментальных законов жизни океана, позволит создать научную основу для краткосрочных и долгосрочных океанологических прогнозов, для построения прогностической модели системы атмосфера – океан, что усовершенствует методы прогноза погоды.
Какова же причина возникновения синоптических вихрей? Здесь еще много неясного. Но уже сейчас можно утверждать, что основной причиной их возникновения является неустойчивость постоянных течений, связанная с наличием в них горизонтальных и вертикальных перепадов скорости. Как видно, вихревая форма движения в данном случае является более динамически устойчивой, способствующей сохранению равновесия глобальной динамической системы океанских течений и противотечений.
Но оказывается, что вихри открытого океана не единственные в нем. Существует в океане другой вид вихрей, вызванный неустойчивостью таких крупных и мощных течений, как Гольфстрим и Куросио. Такие течения все время меандрируют, то есть отклоняются из стороны в сторону. Иногда основной поток течения так быстро и сильно изменяется, что образуется совершенно самостоятельный, ответвившийся от основного течения вихрь.
Один Гольфстрим за год рождает несколько подобных вихрей, которые существуют в океане самостоятельно по нескольку лет, перемещаясь в юго-западном направлении, а затем вновь вливаясь в Гольфстрим. Эти вихри отличаются от синоптических не только происхождением, но и заметно большей скоростью вращения. Их назвали рингами (от английского слова «ринг» – кольцо). Интересно, что эти ринги хорошо просматриваются с ИСЗ с помощью радиометров по контрасту температуры поверхностных вод.
Именно поэтому на НИС «Академик Курчатов» во время работ по советско-американской программе ПОЛИМОДЕ принимали спутниковые данные для оперативного планирования и корректировки маршрута судна, изучавшего ринги Гольфстрима и связанные с ними гидрологические фронты.