Влияние мезомасштабных форм рельефа дна на физику течений вод Мирового океана

А знали ли Вы, что именно рыба привела к открытию такого удивительного явления, как топографические вихри? Исследователи Гавайского хребта в 1967 году зафиксировали одну аномалию: стаи рыб были там, где их не должно было бы быть. Жизнь существовала вдалеке от шельфа, посреди практически безжизненного океана. В дальнейшем обнаружилось, что в том месте находилась подводная гора, а над ней мощные вихревые образования. Таким образом, промысловые скопления кабан-рыбы опровергли укоренившиеся в прошлом представления о неподвижности водных масс в глубинных слоях океана!

И сейчас большой интерес в физике Мирового океана представляют мезомасштабные формы рельефа дна (подводные горы, гайоты, хребты, желоба и проч.), характерный масштаб которых составляет примерно 50-100 км, и, в частности, процессы обтекания подобных объектов в стратифицированном океане. Открытие топографических вихрей (обусловленных рельефом дна) над подводными горами является важным этапом в развитии последующих многочисленных теорий об изменениях вихревой структуры течений в океанах и морях (Зырянов, 1985; Sokolovskiy, 2014). Масштабы такого вихревого движения в океане носят название синоптических. К ним относятся следующие известные образования: синоптические вихри, ринги Гольфстрима, вихри Тейлора и другие. Этими и другими интересными физическими явлениями мы занимаемся в лаборатории гидродинамики ИВП РАН, которая сотрудничает с кафедрой физики моря и вод суши физического факультета МГУ.

Актуальность развития теории топографических вихрей в океанах и морях заключается в теоретическом аспекте заинтересованности в физике явления. При этом существует и практическая необходимость выявления механизма связи структуры течения над неровным дном с биопродуктивностью вод (Зырянов, 1995). Потребности человечества, как известно, безграничны, а численность населения продолжает расти. Уже сейчас мы столкнулись с глобальным дисбалансом распределения ресурсов. Более 18 тысяч детей на земном шаре умирают каждый день от голода и недоедания. А всего в мире 925 млн!!! людей страдают от хронического голода. С другой же стороны, во многих странах процент потребления превышает во много раз допустимые показатели и значительно увеличился за последние десятилетия. Истощение природных ресурсов – одна из глобальных экологических проблем человечества. Для ее решения мы обязаны обратиться к Мировому океану, который на сегодняшний момент изучен всего лишь на 2-3%. При этом на долю Мирового океана приходится 70% всей поверхности нашей планеты. Повышенная биопродуктивность вод над подводными горами приводит к большим скоплениям рыбы в регионе. Обнаружение и исследование подобных регионов (в особенности, в северных морях, насыщенных кислородом) может значительно улучшить экологическую и экономическую ситуацию не только в России, но и в мире.

Аналитическому описанию и моделированию процессов обтекания подводных объектов посвящено множество работ. У нас в лаборатории в случае моделирования однородного океана изолинии приняли вид концентрических окружностей над областью подводных возмущений (см. Рис 1-4). Это свидетельствует о наличии антициклонической циркуляции, что верно по закону сохранения потенциальной завихренности:

где ζ — вертикальная составляющая ротора векторного поля скорости или просто завихренность, Ω — планетарная угловая скорость, а H — глубина. При этом рассмотренные случаи западного (скорость потока U<0) и восточного потоков (U>0) кардинально отличались. При набегании восточного потока на возмущение за возмущением наблюдаются волны Россби.

Рис 1. Обтекание подводной горы конусовидной формы западным потоком

Рис 2. Изолинии: Обтекание подводной горы конусовидной формы западным потоком

Рис 3. Изолинии: Обтекание подводного вулкана с кратером западным потоком

Рис 4. Поверхность океана при обтекании подводной горы восточным потоком. Формирование спутного россбиевского следа за горой

Течения в океане принято рассматривать геострофическими, говоря об очень малых вертикальных перемещениях. Но в случае стратифицированного океана нельзя пренебрегать вертикальной компонентой скорости. Было выявлено одно интересное несоответствие теории и наблюдений, связанное с вертикальными перемещениями. Работы (Boehlert, 1987), посвященные анализу причин резкого повышения биопродуктивности вод над подводными горами, привели к выводам, что вода должна подниматься в центре подводной горы и опускаться по ее краям — то есть из наблюдений следует, что вихрь ведет себя как циклон. И это в корне противоречит теории, так как по теории топографический вихрь — это всегда антициклон (Huppert, 1976).

Объяснение данного несогласования непосредственно вытекает из новой теории — теории вторичных тороидальных вихрей, разработанной в лаборатории гидродинамики ИВП РАН (Зырянов, 2009; Зырянов, 2012, Koshel, 2014). По теории в процессе потери устойчивости вихря должно происходить его разбиение на несколько торов, характеризующихся попеременным направлением вращения — должны образовываться диссипативные периодические структуры; аналогия берётся с вихрями Тейлора в зазоре двух коаксиальных цилиндров, вращающихся с разными скоростями (см. Рис 5). Именно эти тороидальные вихри и могут осуществлять тот необходимый интенсивный подъем вод в центре антициклонического топографического вихря и опускание по его краям. Нарушения теории не происходит. Тем самым следует, что вертикальное перемешивание слоя жидкости над подводной возвышенностью может быть вызвано образованием вторичных тороидальных вихрей и должно, несомненно, учитываться.

Рис 5. Вихри Тейлора в зазоре между двумя коаксиальными цилиндрами

В лаборатории были проведены эксперименты (см. Рис 6) на основе теории вторичных тороидальных вихрей. В качестве исследуемых жидкостей брались растворы глицерина для достижения требуемых из расчетов значений вязкости. В эксперименте с 30%-ым раствором глицерина хорошо наблюдался цилиндрический столбик Тейлора — вихрь Тейлора (см. Рис 7) (Под вихрями Тейлора также понимаются топографические вихри над подводными объектами в случае однородной жидкости). Вихрь не покидал кольцевую область возмущения. В эксперименте с 45%-ым раствором глицерина удалось зафиксировать купольную поверхность формирующегося верхнего вихревого тора (см. Рис 8). Это удивительно!
Очень часто и в атмосфере наблюдаются подобные явления: атмосферный вихрь, стационарный по отношению к горе, разбивается на несколько торов (см. Рис 9).

Рис 6. Экспериментальная установка: в основе установки лежит вращающаяся платформа с установленной ёмкостью для жидкости. Сама ёмкость представляет собой цилиндрическую стеклянную банку. В фальшьдно внутри ёмкости встроено возмущение, представленное в виде двух соосных цилиндров разных радиусов (r1 = 1.6см, r2 = 4.3см) и высот

Рис 7. Наблюдаемый цилиндрический столбик Тейлора в эксперименте с 30%-ым раствором глицерина

Рис 8. Купольная поверхность формирующегося верхнего вихревого тора в эксперименте с 45%-ым раствором глицерина

Рис 9. Пример явления в природе

Помимо уединенных возвышенностей, таких как подводные горы или каньонные области, интересно изучать всевозможные, не являющиеся осесимметричными, возмущения рельефа дна. Одним из таких объектов исследования предстает кипрский вихрь. Он образуется при набегании восточного потока на подводную гору, расположившуюся вблизи границы большой морской впадины (см. Рис 10).

Рис 10. Подводная гора, расположившаяся в глубокой впадине к югу от Кипра

Учет вертикальной компоненты скорости нельзя не производить и в попытках объяснить такое удивительное явление, как ледовые кольца Байкала. В 2009 году на спутниковых снимках были впервые зафиксированы гигантские кольца в ледовом покрытии озера Байкал. И в последующие годы такие кольца регулярно фиксировались со спутника. Это совершенно новое и на данный момент не объясненное явление в науке. Кольца имеют практически круглую форму в диаметре, в среднем, 5-7 км, с шириной самого кольца (более темного и более тонкого (подтаявшего) льда) порядка 1 км (см. Рис 11). Кольца таких размеров не представляется возможным обнаружить с суши. Этим загадочным и опасным природным явлением мы занялись в лаборатории гидродинамики. Можно отметить, что кольца практически не меняют своего местоположения из года в год, располагаясь в местах над каньонными углублениями рельефа дна озера. Снова подмечается влияние мезомасштабных форм рельефа на физику течений. Заметим, что влияние ветра невозможно в силу ледяного покрова.

Рис 11. Снимки со спутника ледовых колец Байкала. Батиметрическая карта озера Байкал с отмеченными на ней (красные точки) центрами наблюдаемых колец

Подледные измерения течений и термической структуры вод в районе колец показали, что в геострофической области озера под кольцом сидит антициклонический вихрь, который и доставляет более теплую глубинную воду к нижней поверхности льда. Это приводит к таянью льда снизу. Необъясненными остаются вопросы, почему формируется вихрь подо льдом, связанно ли такое вихреобразование с каньонным углублением рельефа дна и почему же таяние льда происходит именно по кольцу?

Существует еще много неизведанного в Мировом океане. Ждем Вас на кафедре физики моря и вод суши физического факультета и в лаборатории гидродинамики ИВП РАН для совместных поисков ответов на многочисленные загадки Мировых вод!

Литература:

Зырянов В.Н., Рыжов Е.А., Кошель К.В. Вихревые торы над возмущениями дна во вращающейся жидкости // ДАН. – 2012. – том 450. – №2. – С. 171-175.

Зырянов В.Н. Вторичные тороидальные вихри Тейлора над возмущениями дна во вращающейся жидкости // ДАН. – 2009. – том 427. – №2. – С. 192-198.

Зырянов В.Н. Теория установившихся океанических течений / В.Н. Зырянов. – Л.: Гидрометеоиздат, 1985. – 248 с.

Зырянов В.Н. Топографические вихри в динамике морских течений / В.Н. Зырянов. – М.: ИВП РАН, 1995. – 240 с.

Boehlert G. W., Genin A. A review of the effect of seamounts on biological processes // Seamounts, Islands and Atolls. – 1987. – vol 43. – P. 319-334.

Huppert H.E., Bryan K. Topographically generated eddies / Deep Sea Res., 1976. – 655-679 p.

Koshel K.V., Ryzhov E.A., Zyryanov V.N. Toroidal vortices over isolated topography in geophysical flows // J. Fluid Dyn. Res. – 2014. – vol 46. – №3. – P. 031405-031417.

Sokolovskiy M.A. Dynamics of vortex structures in a stratified rotating fluid / M.A. Sokolovskiy, J. Verron. – Springer: Switzerland, 2014. – 382 p.

Виктория Егорова