Вихори відкритого океану
Як важко зробити відкриття. До найважливіших подій в океанології за останні 20 років належить відкриття величезних вихорів. Ніхто не припускав, що у відкритому океані можуть бути грандіозні вихори. Раніше знали лише вихори, що утворюються у швидких течіях поблизу морських берегів. Було відомо також, що сильні вихори можуть виникати у прибережній смузі під час припливно-відливних течій. Перший вихор у відкритому морі було зафіксовано експедицією Інституту океанології ім. Ширшова АН СРСР.
Вчені обмежилися висновком: є добре виражені бароклінні збурення течій з горизонтальним масштабом близько 250 км. Вихори відкритого океану ще були відкриті.
А тепер із упевненістю можна сказати: це був великий вихор Індійського океану, діаметром у підводній частині (на глибині 150 м) близько 250 км.
На цьому полігоні використовувалися літературні гідрометричні вимірювачі швидкості течії типу БПВ-2 (конструкції ленінградського фахівця Ю. К. Алексєєва), які просто називають вертушками. Цього разу застосували нову методику їх використання: у районі океану, що досліджується, було поставлено одночасно близько двохсот вертушок у точках, розташованих по променях прямокутного хреста. Подібне розташування вимірювачів швидкості дозволило охопити найбільш широкий спектр частот можливих коливань швидкості течії. Кожен промінь мав довжину 100 км. Центр розташовувався на 16 30 с. ш. та 33°30 з. д. У кожному промені по 4 буї з вертушками і один загальний буй у центрі, всього 17 буїв. На малюнку на с. 21 дана схема розташування вимірювачів БПВ-2. На тросах, прив'язаних до кожного буя, розміщувалося по 10 вертушок на глибинах від 25 до 1500 м. Одночасно використовувалися й автономні реєстратори температури води.
Одночасно була зареєстрована заднячастина ще одного антициклонічного вихору, що рухався попереду Головного вихору. Вихори йшли майже впритул один за одним.
Подібні вихори одержали назву синоптичних. Синоптичними у метеорології називаються зміни з періодом від кількох діб до кількох місяців. З відкриттям вихорів у океані цей термін міцно увійшов до океанології.
Найцікавіше полягає в тому, що океанський вихор виявився хвилею Россбі. Такого висновку дійшов доктор фізико-математичних наук М. Н. Кошляков після ретельного вивчення результатів роботи на «Полігоні-70».
На малюнку наведено схему Головного вихору. Літерою L позначено довжину хвилі. Підрахунок за відомою формулою Россбі дав значення розмірів вихору, що досить близько збіглося з експериментальними даними.
Схема головного антициклону на "Полігоні-70". Еліпси - лінії струму в полі течій вихору, прямі лінії - в полі хвилі, L - довжина хвилі, а - відстань від центру вихора до струменя з максимальною швидкістю, з - швидкість поступального руху вихора, с. - фазова швидкість хвилі; х, у - прямокутні координати.
Сьогодні синоптичні вихори відкритого океану розглядаються доктором фізико-математичних наук М. М. Кошляковим та іншими вченими як складний синтез хвиль Россбі та великомасштабної турбулентності. Кожен вихор – своєрідний комплекс із високоорганізованого фізичного процесу (хвиля Россбі) плюс суто випадкове турбулентне завихрення великого масштабу. Відсоток турбулентної «домішки» може сильно коливатися від вихору до вихору. У цьому полягає одна із труднощів вивчення та прогнозування вихорів відкритого океану.
Вихори синоптичного масштабу раніше були відомі лише в атмосфері. Океанологи не одразу визнали фактутворення їх у океані. Нині це більше не викликає сумнівів. Вихори утворюються завдяки бароклінній нестійкості великомасштабних течій.
Повідомлення радянських вчених про величезні вихори, що переміщуються в океані, викликало інтерес у вчених-океанологів у всьому світі. У 1973 р. американські вчені на своєму полігоні в Саргасовому морі в розширеному масштабі повторили виміри та підтвердили результати радянських дослідників. Американський експеримент отримав назву «Моді-1».
У 1974 р. на новому полігоні в районі Субарктичного фронту у північно-західній частині Тихого океану радянські вчені, які працювали на науково-дослідних судах «Витязь» та «Дмитро Менделєєв», відкрили ще один вихор. Він - найбільший, овальної форми, розмір його по великій осі близько 150 миль (1 морська миля = 1852 км), швидкість течії на його периферії досягла 100 см/с. Вихор проникав на глибину до 3000 м-коду.
Вихори – енергоємні утворення. Вони можуть впливати зміну погоди. У зв'язку з цим необхідно враховувати різницю температур води у вихорі та в навколишньому океані.
Щоб оцінити величезну величину останньої цифри, пригадаємо, що сонячна стала дорівнює 136Р Вт/м 2 . Виходить, що вихор віддавав енергію з такою ж інтенсивністю, яку дає випромінювання Сонця в космосі і який ніколи не буває на рівні поверхні океану через поглинання випромінювання в атмосфері.
Зазначимо, до речі, що в наш час сонячна стала, одна зі світових констант, перестала бути постійною. Як нещодавно повідомила група американських дослідників під керівництвом Р. Вілсона, загальна інтенсивність сонячного випромінювання за 1980-1985 рр. знизився на 0,1%. Зменшення сонячної радіації відбувалося зі швидкістю приблизно 0,019% на рік. Якщо процес: зменшення радіації Сонцяпродовжиться і далі з тією ж швидкістю, то до 1990 сумарне згасання складе 0,2%. У цьому випадку сонячна "постійна" стане рівною 1357,4 Вт/м 2 , тобто буде близька до величини віддачі потужності вихором. Вілсон пов'язує зменшення інтенсивності випромінювання із звичайним одинадцятирічним циклом сонячної активності. На користь цього припущення свідчить зменшення магнітної активності, що одночасно спостерігалося його групою.
У теплообміні вод вихору з повітрям особливу роль відіграють потоки прихованого та відчутного тепла (випаровування з поверхні води вихору). Воно залежить від швидкості вітру, питомої вологості повітря в приводному шарі та різниці температури між повітрям та водою. При різниці порядку 10-11 ° С випаровування може бути дуже великим. Тому великий теплий вихор за певних умов може натворити багато бід, сприяючи утворенню смерчів (торнадо, ураганів). Факт поглиблення циклонів при виході на теплу поверхню океану добре відомий.
За даними радянських учених, вихор віддає тепло атмосфері інтенсивніше, ніж поверхня незбуреного океану за тих самих умов. Інший і режим теплообміну над вихором.
Вихори бувають і холодні.Підхід до берегів великого вихору може спричинити похолодання. Особливо якщо вихорів буде багато, якщо вони підуть один за одним. Наприклад, біля східного узбережжя Камчатки були виявлені цілі ланцюжки великих холодних вихорів, температура води в яких була на 5 ° С нижче температури навколишніх вод. Загалом питання впливу вихорів на атмосферні процеси ще недостатньо вивчений. Метеорологи оцінюють такий вплив як потенційно суттєвий.
Після обробки фотографічних знімків, зроблених з борту американського штучного супутника Землі «Лендсат-2» з висоти 915 км, було виявлено вихоридіаметром близько 30 км. На одному з фотографій зафіксовано відразу не менше восьми вихроподібних утворень на поверхні океану, у тому числі три добре розвинені подвійні кільцеподібні вихори.
А 1985 р. експедиція Інституту океанології ім. П. П. Ширшова АН СРСР зареєструвала в тропічній зоні Атлантики вихори розміром близько 50 км.
Отже, в океанах трапляються вихори великого діаметру — близько 100—300 км, середнього — близько 50 км і малого — близько 30 км. Чи це типовим всім океанів? Чи такий набір випадковий, пов'язаний із недостатньо великою кількістю вимірювань? А може, є безперервний просторовий спектр вихорів із максимумами на окремих розмірах?
Деякі вчені вважають, що немає в океанах безперервного ансамблю вихорів усіх розмірів. А є три основних типи вихорів, розміри яких приблизно відповідають знайденим.
Дослідження океанських вихорів важливе як з погляду взаємодії океану і атмосфери, але й вивчення процесів передачі забруднення в океанах, впливу біологічну продуктивність, для навігації. Доведеться, певне, періодично видавати чи передавати по радіо синоптичні карти течій. Так, як це робиться з погодними картами. Адже кожному судну, що йде в океані, необхідно знати напрямок та швидкість течії, інакше штурман не зможе точно розрахувати шлях судна.
Але періодично отримувати точні карти течій в океані за допомогою буйкових постановок з вертушками не так просто. На допомогу морякам у наші дні прийшла супутникова навігація. Положення судна у морі визначається з високою точністю за допомогою штучних супутників Землі. І тому кожному судні встановлюється особлива апаратура. Похибка у визначенні місця не перевищує ±0,1 милі, а у випадкунеобхідності може бути зменшена. Створено спрощені зразки супутникової навігаційної апаратури навіть для невеликих кораблів.
Супутники можуть допомогти й у швидкому складанні точних карт течій. Для цього в районі океану, що вивчається, на воду спускають особливі буйки, за якими стежить супутник. Перебуваючи в режимі вільного дрейфу, буйки відстежують течії, а супутник контролює зміни їх положення і повідомляє координати буйків до Центру обробки, де швидко отримують інформацію про швидкість і напрямок течій та їх зміни в різних районах Світового океану.
Є й інші радіотехнічні методи визначення місцезнаходження судів у морі, які пов'язані з супутниками. Деякі їх відрізняються надзвичайно високою точністю визначення. Наприклад, радянські фазові радіогеодезичні системи для проведення різних морських досліджень дають «прив'язку» з помилкою в межах від 2—3 до 30 м на відстанях від станцій до 200 км. вночі і до 300 км. вдень. Вказується місце судна в умовних координатах, які легко перерахувати у звичайні географічні координати, тобто широту та довготу. Настільки точне визначення місцезнаходження судна потрібно при проведенні різних геофізичних досліджень на морському дні. Наприклад, при пошуках нафти та інших корисних копалин, при бурінні, при аварійно-рятувальних роботах та інших цілей.