Морские вихри небольших размеров в науке называют субмезомасштабными. В Черном море их характерный размер составляет около 10 км. Обладая высокими орбитальными скоростями, такие вихри вызывают интенсивное вертикальное и горизонтальное перемешивание в толще воды и выполняют важную роль в процессах обмена солью, теплом и питательными веществами в океане. Субмезомасштабные вихри на сегодняшний день еще мало изучены – из-за небольших размеров их очень сложно измерить и воспроизвести с помощью компьютерной модели.
Ученые Морского гидрофизического РАН провели исследование, раскрывающее механизм образования субмезомасштабных вихрей в центральной части моря, а также изучили их влияние на структуру более крупных (мезомасшабных) вихрей. Для этого они использовали численную модель NEMO с высоким разрешением (1,6 км) и спутниковые данные, полученные над Черным морем.
Работы проводились при поддержке Российского научного фонда. Результаты исследования опубликованы в международном журнале «Journal of Geophysical Research: Oceans», сообщается на сайте Российского научного фонда.
Совместив спутниковые данные и результаты численного моделирования, ученые на примере Севастопольского антициклонического вихря демонстрируют, что интенсивные потоки, вызываемые вовлечением шельфовых вод синоптическими вихрями, являются одной из важнейших причин образования субмезомасштабных циклонических вихрей в глубоководной части Черного моря.
«В нашем исследовании мы впервые показали один из важных механизмов генерации малых (субмезомасшатабных) вихрей. Оказалось, что в глубоководной части Черного моря, как и в других районах океана, такие вихри усиливаются в тот момент, когда более крупные синоптические вихри начинают захватывать прибрежные воды, разбавленные речным стоком, и переносить их в центральную часть моря, где соленость значительно выше. Сильные различия в солености и плотности между двумя водными массами быстро увеличивают энергию течений. Они становятся неустойчивыми, что вызывает интенсивную генерацию субмезомасштабных вихрей, которые образуются на потоке захваченных шельфовых вод. Шельфовые воды несут с собой огромное количество биогенов, а возникающие малые вихри значительно усиливают вертикальный и горизонтальный обмен, в результате чего биогены, вовлеченные в крупные вихри, очень быстро перемешиваются и проникают в глубинные слои. Происходит быстрая дисперсия различных химических веществ за счет механизма, связанного с генерацией субмезомасштабных вихрей», – рассказывает руководитель гранта РНФ ведущий научный сотрудник отдела дистанционных методов исследований МГИ кандидат физико-математических наук Арсений Кубряков.
«Мы провели расчеты и анализ баротропной и бароклинной неустойчивости западной и восточной частей Севастопольского антициклонического вихря, в результате чего нам удалось определить, что источником вихревой энергии в западной части антициклона выступает сдвиг скорости течения, а в восточной части причиной образования вихревой энергии выступает неоднородность плотности морской воды. Это также подтверждается анализом вертикальной структуры исследуемого вихря», – пояснила участник исследования младший научный сотрудник отдела динамики океанических процессов МГИ Оксана Пузина.
В ходе исследования ученым удалось установить, что выявленный ими механизм генерации мелких вихревых образований, вызывает резкую асимметрию в динамической структуре крупных вихрей. Интенсивное образование субмезомасштабных вихрей наблюдается только на одной периферии большого вихря, где происходит вовлечение шельфовых вод. Там образуется огромное количество мелких неоднородностей, обладающих высокой турбулентностью. На другой же окраине антициклона, наоборот, наблюдаются более плавные и спокойные образования небольших размеров. Описанный процесс очень важен для понимания временнóй изменчивости субмезомасштабной динамики в центральной части Черного моря.
«Субмезомасштабные вихри чаще всего образуются в прибрежных зонах за мысами (при обтекании потока морской воды вокруг извилистого берега) или в зимний период (при неоднородном перемешивании вод с разными температурами). В центральной части Черного моря их не так много, они образуются в тот момент, когда происходит резкое смешение вод различной плотности и солености – в результате захвата крупными вихрями шельфовых вод и переноса их на сотни километров. Это оказывает важное влияние не только на турбулентность, но и на передачу энергии от крупных движений к более мелким. Благодаря этому механизму мы понимаем, как тратится и распределяется энергия, которую закачивает в океан ветер, как она переходит от масштаба к масштабу, а затем исчезает», – добавил Арсений Кубряков.
