Альберт Леонидович Бондаренко
Крупномасштабные течения
и долгопериодные волны
Мирового океана
Глава X
Формирование термохалинных аномалий в океанах и морях.
Вихри или волны Россби?
Показано формирование
волнами Россби термохалинного поля вод океанов и морей [Бондаренко, Жмур,
2007а, 2007б, 2007в, Бондаренко, 2009а, Бондаренко, 20011в, Бондаренко и др.
2011].
В термохалинном поле океанов и морей часто заметно выделяются аномалии овальной формы. Большинство исследователей считает, что эти аномалии образованы вихрями, или этим аномалиям соответствуют вихри [Каменкович, Кошляков, Монин, 1987]. Зачастую исследователи настолько уверены в этом, что аномалии называют просто вихрями. Некоторые исследователи придерживаются иной точки зрения и считает, что аномалии образованы волнами Россби [Гилл, 1986]. Где же истина? Далее будет дан ответ на этот вопрос.
Вихри в океанах и морях
Под морскими или океанскими вихрями следует понимать вращательные движения как единого целого, некоторой массы воды моря или океана в горизонтальной плоскости вокруг центра масс. Такие движения являются преимущественно собственными с большим временем жизни, потери энергии в вихрях происходят очень медленно. Были зафиксированы в океанах вихри, время жизни которых превышало три года [Richardson, 1991]. Можно допустить, что это вихри, хотя убедительных доказательств этому нет.
Частицы воды в вихрях движутся практически по круговым орбитам с постоянной угловой скоростью, модуль линейной скорости каждой отдельной частицы в вихре постоянен. Если вихрь перемещается в пространстве горизонтально, то частицы воды в вихре будут совершать движения, представляющие сумму движений собственно вихря и его горизонтального перемещения. Разделить эти движения по их измерениям не составляет большой сложности. Дрифтер, помещённый в вихрь, будет “отслеживать” движения частиц воды в вихре и совершать вращательные движения в течение длительного времени.
Примерами таких движений дрифтеров в вихрях, на наш взгляд, могут быть движения, зафиксированные в средине Атлантического океана [Richardson, 1991] и около Гольфстрима (см. рис. 41). Полной уверенности того, что это движения вихря у нас нет, поскольку не измерен модуль скорости и мы не можем убедиться он постоянный, как в вихрях или переменный, как в волнах.
Рис.41. Траектория движения запущенного в циклон Гольфстрима поверхностного буя с парашютом на глубине 200 м с 14 апреля (104-й день) по 26 октября (299-й день) 1977 г.[Richardson et al., 1979].
Совершать вращательные движения дрифтер может и в долгопериодной волне. Но в этом случае вращения будут отличны от вращений в вихрях. Во-первых, радиус этих вращений будет меняться во времени, поскольку амплитуда колебаний волн изменяется во времени, во-вторых, траектория таких движений имеет зачастую форму отличную круговой, в-третьих, угловая и линейная скорость таких вращений не постоянна.
Рис.42. Движение дрифтера в температурной аномалии, принимаемой за циклон Гольфстрима [Каменкович, Кошляков, Монин, 1982].
Примером таких движений, на взгляд автора данной работы, могут быть движения дрифтера в температурной аномалии, принимаемой за циклон Гольфстрима (рис. 42). Мы видим, что дрифтер совершает сложные движения, не похожие на движения в циклоне, и движется в основном не вдоль изотерм, а пересекает их под разными углами, часто близкими к углу 900. Всё это свидетельствует о том, что аномалии не соответствует циклон и течение в ней не геострофическое.
Из информации, приведенной на рис. 43 и 44, видим, что дрифтер в восточной части Чёрного моря совершает вращательные движения, похожие на движения в вихре, но модуль скорости меняется пульсационно во времени и даже иногда равен нулю, что не должно наблюдаться в вихрях. Не может же вихрь останавливаться, а затем набирать скорость. Так движется дрифтер в волне. Итак, по форме траектории движения дрифтера можно судить о том, движется он в вихре или в волне.
Рис. 43.Трасса дрифтера запущенного в воды Чёрного моря. Числа около точек: время движения дрифтера с момента его запуска, в сутках.
Рис. 44. Ход модуля скорости движения дрифтера, трасса которого изображена на предыдущем рисунке.
Принято выделять вихри, наблюдаемые около струйных течений (вихри Гольфстрима, Куросио и т. д.) открытого океана, вихри прибрежных зон океанов, вихри замкнутых морей и вихри над поднятиями дна, банками. Вихри Гольфстрима, Куросио и т. д. часто называют рингами. Вихри открытого океана обычно называют синоптическими вихрями.
О существовании вихрей в океанах или морях ученые обычно судят по термохалинным или температурным аномалиям, но не прямым измерениям движений воды, течений. В настоящее время почти общепринято, что течения в этих предполагаемых вихрях - аномалиях являются геострофическими и их поле плотности находится в режиме геострофического приспособления с полем течений.
Так ли это на самом деле? Являются ли течения в аномалиях геострофическими и соответствуют ли аномалиям вихри? На эти вопросы постараюсь ответить, рассмотрев один эпизод из истории исследований вихрей. В начале семидесятых годов в океанах начали выполняться площадные съёмки термохалинного поля вод. Иногда эти съёмки сопровождались и измерениями течений. В океанах были обнаружены термохалинные аномалии. Анализ термохалинного поля аномалий, а иногда и течений, позволил исследователям предположить, что этим аномалиям соответствуют вихри: циклоны или антициклоны [Каменкович, Кошляков, Монин, 1987]. В этом случае предполагалось, что течения в аномалиях геострофические. Складывалось представление, что аномалии образованы вихрями или как-то связаны с вихрями.
В последующих исследованиях было показано, что это всё же не вихри, а волны Россби [Каменкович, Кошляков, Монин, 1987]. По-прежнему эти образования часто называют синоптическими вихрями. Однако при этом оговариваются, что в отличие от настоящих вихрей они не переносят массы воды и их следует рассматривать с позиции волн Россби. Иногда их называют так: вихри – волны Россби. Давалось простое объяснение образованию этих вихрей - волн. В волнах Россби частицы воды совершают гармонические по форме колебательные движения воды вдоль линии перпендикулярной направлению распространения волны. Поскольку в реальных условиях океана волновое поле сформировано не одной, а несколькими системами волн, направленных под некоторым углом друг к другу, то такое поле волн создаёт суммарное движение воды, напоминающее движение воды в вихрях.
А как быть, если поле волн создано одной системой волн или волны распространяются в одном направлении, например, вдоль Экватора. В подобных ситуациях эти образования чаще называют просто волнами Россби. А как определить, сформировано поле одной системой волн или несколькими? Понятно, что термохалинные аномалии сформированы волнами, но не вихрями. Волны и вихри - это совершенно разные явления и хорошо бы их чётко различать и называть своими именами: волны – волнами, а вихри – вихрями.
Этот пример наводит на размышления: если синоптические вихри оказываются волнами Россби, то не могут ли и другие вихри, из перечисленных выше, оказаться так же долгопериодными волнами? Попытаемся в этом разобраться.
Позже будут приведены исследования, основанные на анализе натурных измерений различных параметров воды, свидетельствующие, что термохалинные аномалии образованы долгопериодными волнами, но не вихрями, вихрей как таковых в рассматриваемых эпизодах нет.
Динамика течений вихрей в свете существующих о них представлений
Легко показать, что термохалинным аномалиям не должны соответствовать вихри. Так, уже отмечалось, что если вода в аномалии более плотная и холодная, то считается, что аномалии соответствует холодный циклон, а если в аномалии вода тёплая и лёгкая – тёплый антициклон.
Тогда в центре циклона уровень воды будет ниже, чем по периферии. И тогда тёплая вода с периферии должна поступать в центр циклона. Учитывая такую динамику циклона невозможно объяснить, почему в циклоне оказывается холодная глубинная вода. Точно так же рассуждая, можно показать, что в антициклон должна поступать холодная вода и невозможно объяснить, почему там тёплая.
Если допустить, что такие аномалии были уже образованы каким-то образом в виде вихрей, то эти вихри будут неустойчивы и должны быстро разрушиться. Предположим что, мы имеем холодную аномалию. Тогда ей должен соответствовать циклон, и внутрь циклона должна поступать теплая вода, которая его уничтожит. Всё так же происходит и в антициклоне. Вместе с тем вихри могут существовать очень долго, как отмечалось, более трёх лет. Наверняка такой дестабилизирующий механизм в них отсутствует.
Всему этому можно дать только одно объяснение: течения в аномалиях не геострофические и им не должны соответствовать вихри.
Примерами таких ложных вихрей – аномалий могут служить холодные аномалии Гольфстрима, принимаемые за холодные циклоны, и теплые аномалии, принимаемые за теплые антициклоны (рис.30) [Каменкович, Кошляков, Монин, 1987]. Из рисунков видно, что в холодный циклон поступает холодная глубинная вода, а в теплый антициклон – тёплая вода с поверхности океана. Хотя, учитывая геострофическую динамику вихрей всё должно происходить наоборот: в циклон должна поступать тёплая вода с поверхности океана, а из антициклона должна выходить холодная глубинная вода.
Рассмотрим результаты исследований поведения течений в различных вихрях - аномалиях.
В одной из работ [Каменкович, Кошляков, Монин 1987] приводится описание вихрей Гольфстрима, а фактически термохалинных аномалий. Рассматривается эпизод, когда вода “протекала через вихрь”, т. е. через термохалинную аномалию. Такой вид движения воды явно не похож на движения воды в вихрях, на что обратили внимание и авторы работы. Они предлагают рассматривать этот вихрь - аномалию с позиции волновых движений, очевидно, что волн Россби. Немного странная трактовка событий: говорить о вихрях, а подразумевать волны, Но с подобным мы уже встречались.
Вместе с тем этот эпизод говорит о следующем очень важном: термохалинной аномалии не соответствует вихрь и течение в этой аномалии не геострофическое и не термохалинное.
На рис. 45а, б, 46а, б, 47а, б приведены трассы двух дрифтеров в Чёрном море, модули скорости течений и температура воды на поверхности. Считается, что прибрежная зона Чёрного моря изобилует вихрями. Но вот мы видим, что дрифтер движется вдоль берега и не совершает каких-либо вихреобразных движений. Можно было бы объяснить эту ситуацию так. Дрифтер всё время находился между вихрями. Хотя, зная реальное распределение плотности воды в море этому трудно поверить. Вместе с тем рассматривая графики хода температуры (рис 49а, б) легко заметить, что дрифтер пересекал температурные аномалии (например, аномалии 1,2,3 и т.д.), предполагаемые вихри. Все это свидетельствует о том, что аномалиям не соответствуют вихри и течения в аномалиях не геострофические.
Обращает на себя внимание пульсирующий характер скорости течения даже при почти прямолинейном движении потока вод, вдоль берега, то, на что в своё время обратил внимание В.Б. Штокман, утверждая не геострофический характер течений во внутренних морях. На рис 45а, б приведены типичные трассы движения дрифтеров в Чёрном море, вдоль берега. Вместе с тем модуль скорости движения дрифтера пульсирует от величин близких нулю до некоторых больших величин (рис.46а, б). Позже будет дано объяснение такого поведения скорости течения. Пульсирующие течения не могут быть геострофическими, поскольку при скоростях течений равных нулю градиент плотности воды в направлении берег – море также должен быть равен нулю. В реальности такого не бывает, всегда плотность воды у берега меньше, чем в удалении, в море. Ранее мы эту проблему обсуждали и показали, что эти течения волновые.
45а, б. Трассы дрифтеров, запущенных в воды Чёрного моря. Числа около точек: время движения дрифтера с момента его запуска, в сутках.
Рис. 46а, б. Ход модуля скорости движения дрифтеров, трассы которых изображены на предыдущем рисунке.
Рис. 47а, б. Температура поверхности моря, измеренная дрифтерами, трассы которых изображены на рис. 45а, б.
Согласно “теоретическим” исследованиям [Зырянов, 2000], над подводными поднятиями крупномасштабные течения могут сформировать вихри. Обычно над поднятиями образуются температурные аномалии: зимой аномалии тёплой воды, а летом – холодной. Эти аномалии рассматриваются исследователями, как теплый антициклон и холодный циклон. Правда, далеко не все так объясняют образование аномалий вихрями [Рогачёв, 2001].
Исследования течений над знаменитой банкой Кашеварова в Охотском море показывают, что течения всегда однонаправлены строго на юг и поэтому не содержат в вихре подобных движений воды, следовательно, и вихрей [Рогачёв, 2001]. Это свидетельствует о том, что вихри над возвышенностями не образуются и аномалиям не соответствуют вихри и, следовательно, течения в них не геострофические.
Мы довольно много привели примеров и обоснований, чтобы сделать вывод: течения в термохалинных аномалиях не геострофические и им, как правило, не соответствуют вихри. В этой ситуации справедливо задать вопрос, а существуют ли вообще в океанах и морях вихри? Скорее всего, да, существуют, с некоторой оговоркой примеры мы приводили ранее, но эти вихри не столь многочисленны, как аномалии, течения в них скорее всего геострофические, в том смысле, что уровень воды приспособлен под течения. Но термогалинное поле не приспособлено под течения в режиме геострофического приспособления, поскольку процесс очень быстрый и поле не успевает приспосабливаться под течения.
Далее мы покажем, что термохалинные аномалии, о которых шла речь, образуются орбитальными движениями частиц воды волн Россби в вертикальной плоскости. Частично это уже обсуждалось в Гл. VI.
Области дивергенции и конвергенции в волнах Россби,
формирующие
термогалинное поле вод океанов и морей и термогалинные аномалии
В Гл. VI, VII было рассмотрено поведение линий тока в волнах Россби. Показано, что наряду с циркуляцией воды в горизонтальной плоскости в них существуют и циркуляции в вертикальной плоскости, которые создают подъём и опускание вод, соответственно и температурные аномалии на поверхности. Это явления апвеллинга – даунвеллинга. Хорошо знакомы названные аномалии в Чёрном море. Они получены по измерениям температуры воды моря в районе от Новороссийска до Туапсе (рис. 48). Их величина имеет порядок ~ 3-6оС. Расстояние между аномалиями одинакового знака равно длине волны, которая для данного района моря составляет 100 км.
Такие температурные аномалии, как отмечалось, хорошо прослеживаются при дрифтерных измерениях температуры воды (рис.47а, б). Судя по всему, образуется циркуляция вод не только в вертикальной плоскости, ориентированной в направлении движения волны, но и движение вод за пределами струи на глубине в океане. В результате этого слева от Гольфстрима образуются аномалии теплой воды, принимаемые за циклоны, а справа аномалии холодной воды, принимаемые за антициклоны. Что мы уже обсуждали. Вполне очевидно, что появление аномалий обусловлено прохождением волн Россби. В пользу этого аргумента говорит следующее. Расстояние между этими аномалиями равно длине волны, равной для района Гольфстрима ~ 300 км, а скорость их распространения равна фазовой скорости волны, т. е. ~ 5 см/с.
Рис. 48. Распределение температуры поверхности Чёрного моря в северо-восточной его части. Выделяются аномалии температуры, ~ 3-50С [Архипкин и др., 2007] .
В водах Чёрного моря такие движения воды приводят к образованию холодных аномалий в центре моря и подъёму термоклина в прибрежных водах. Это будет изложено в главе XIII.
При прохождении волн через фиксированную точку океана или моря около неё происходит попеременный подъём и опускание воды. Горизонтальная скорость распространения аномалии равна фазовой скорости волны и она, аномалия распространяется вместе с волной. Но это не значит, что масса воды аномалии распространяется вместе с волной в горизонтальном направлении, а значит, что только процесс подъёма и опускания вод распространяется с фазовой скоростью волны. Такие движения воды не являются геострофическими.
По движению аномалий и положению их в пространстве и в целом по термохалинному полю воды можно определить все основные параметры волн: фазовую скорость, длину, период.
Попеременный подъём и опускание вод происходит практически по всему океану или морю. Однако особенно активно аномалии формируются в зонах, близких берегу, в которых термоклин находится ближе к поверхности воды, в экваториальной области океанов, в зонах западных пограничных течений.
Из изложенного понятно, что волны Россби активно участвуют в формировании термохалинного поля океанов и морей и, в частности, термохалинных аномалий. Эти термохалинные аномалии для многих исследователей ошибочно ассоциируются с вихрями. О некоторых закономерностях образования таких аномалий в прибрежных водах будет изложено в следующем разделе.
Сведения об авторе.
Альберт Леонидович Бондаренко, океанолог, доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Института водных проблем РАН. Область научных интересов: динамика вод Мирового океана, взаимодействие океана и атмосферы. Достижения: доказательство существенного влияния океанических волн Россби на формирование термодинамики океана и атмосферы, погоды и климата Земли.