Открытие и исследование синоптических вихрей открытого океана

Открытие синоптических вихрей открытого океана, сделанное советскими океанологами в шестидесятых-семидесятых годах ХХ столетия, следует отнести к одному из важнейших событий в истории океанологии. В пятидесятых годах уже достаточно хорошо был известен весьма специфический вид океанских вихрей - так называемые «ринги» (кольца) Гольфстрима и Куросио, образующиеся в результате обострения и дальнейшего отрыва меандров этих интенсивных струйных течений. Что же касается всего остального океана, то предположение о существовании в нем очень крупных вихреобразных возмущений поля скорости течения, в чем-то, возможно, схожих с рингами Гольфстрима и Куросио, высказывалось наиболее выдающимися океанологами (В.Б. Штокманом в СССР, К. Г. Россби и Г. Стоммелом в США) преимущественно из общих физических соображений и по аналогии с атмосферой. Во второй половине пятидесятых – первой половине шестидесятых годов были выполнены, однако, первые наблюдения, зафиксировавшие в глубинах океана изменчивость основных физических характеристик океанской воды с периодами порядка 100 суток. Большой резонанс среди океанологов получили, в частности, результаты измерений глубинных течений поплавками нейтральной плавучести, выполненные Дж. Сваллоу (Великобритания) в 1959 – 1960 годах в районе Бермудских островов. Эти измерения зафиксировали относительно сильные и резко нестационарные течения на глубинах 2 и 4 км и позволили грубо оценить временной и пространственный масштабы (период и длину волны, деленные на четыре) возмущений поля скорости, оказавшиеся равными 20 суткам и 100 км. Объем и характер этих наблюдений были, однако, таковы, что определение по ним истинной структуры указанных возмущений оказалось невозможным.

Решающее значение в открытии синоптических вихрей открытого океана имела серия длительных «полигонных» наблюдений над морскими и океанскими течениями, выполненная советскими учеными, начало которым было положено В.Б. Штокманом в Каспийском море еще в 1935 году. Следующие полигоны были организованы под научным руководством В.Б. Штокмана в 1956 году в Черном море, в 1958 году в Северной Атлантике и в 1967 году в Аравийском море. Результатом этого последнего эксперимента (14), выполненного ИОАН СССР и ВМФ СССР на судах «Витязь» и «Фаддей Беллинсгаузен» и получившего название «Полигон –67», явились первые карты геострофических течений в поле синоптических вихрей открытого океана (7). Карты (Рис. 1. Линии тока геострофического течения на глубине 150 м по данным первой (а, 21.01-07.02.67) и второй (б, 20.03-06.04.67) гидрологических съемок района «Полигон-67» в Аравийском море (7). Числа в кружках – скорость течения в м/с. Точки – положения гидрологических станций) были рассчитаны динамическим методом относительно глубины 1500 м по данным двух последовательных гидрологических съемок района полигона. На картах очень хорошо видны вихри с горизонтальным масштабом около 100 км, что вполне согласуется с представлением о генерации вихрей вследствие бароклинной неустойчивости крупномасштабного течения. То есть такого рода неустойчивости, при которой источником энергии вихрей является доступная потенциальная энергия крупномасштабного течения, связанная с наклоном изопикнических поверхностей в поперечном к течению направлении. Специальный анализ энергообмена в поле течений «Полигона – 67» (13) подтвердил этот вывод. Карты на рис.1 показывают также сильную нестационарность поля течений, связанную с взаимодействием вихрей друг с другом и со струями крупномасштабного течения.

Результаты «Полигона –67» показывали необходимость выполнения экспедиции, которая ставила бы своей основной задачей прямые измерения течений в типичном районе открытого океана, причем измерения таких объемов, структуры и продолжительности, которые позволили бы надежно выявить истинное строение и характер временной изменчивости возмущений океанской циркуляции синоптического масштаба. Такой экспедицией стал «Полигон –70», выполненный ИО РАН и несколькими другими океанографическими учреждениями СССР под научным руководством Л.М. Бреховских в 1970 году на южной периферии Северного пассатного течения в Атлантике (1) (Рис. 2. Места экспериментов «Полигон-70» и ПОЛИМОДЕ на фоне схемы циркуляции вод в верхнем, толщиной порядка 1000 м, слое Северной Атлантики). Основу эксперимента составила выдержанная в течение полугода система из семнадцати расположенных «крестом» (Рис. 3. Векторы скорости течения на глубине 400 м на отдельные даты 1970 г. по данным эксперимента «Полигон-70» в тропической части Северной Атлантики (8). Кружки - положения АБС. Стрелки - векторы скорости, полученные интерполяцией по глубине) автономных буйковых станций (АБС) с измерителями течений на десяти горизонтах до глубины 1500 м на каждой станции.

Основным результатом «Полигона – 70» (8) явилась детальная съемка очень хорошо выраженного антициклонического вихря, проходившего через район полигона в апреле-июле 1970 года в направлении на запад с небольшим компонентом к югу со средней скоростью около 5 см/с. 20 –25 мая 1970 г. центр вихря совпал с центром полигона (рис. 3). Вихрь имел эллипсовидную форму (рис. 3) с большим и малым размерами (расстояниями от центра вихря до точек с максимальными скоростями течения) около 200 и 100 км. Скорость орбитального движения воды в вихре характеризовалась двумя максимумами по глубине - в верхнем слое океана и в слое 400 - 500 м, достигая в отдельные моменты времени 45 и 35 см/с соответственно в этих двух слоях, что более чем на порядок