Российские ученые открыли механизм образования в море маломасштабных вихрей

Механизм образования субмезомасштабных вихрей в центральной части Черного моря установили ученые Федерального исследовательского центра «Морской гидрофизический институт РАН» (МГИ), сообщает 6 июля Российский научный фонд со ссылкой на пресс-службу МГИ.

Субмезомасштабные (небольших размеров) морские вихри, которые в Черном море обычно имеют размер около 10 км в диаметре, обладают высокими орбитальными скоростями и приводят к интенсивному вертикальному и горизонтальному перемешиванию толщи воды.

Это явление в океане выполняет важную роль в процессах обмена солью, теплом и питательными веществами, однако на сегодняшний день оно еще мало изучено. Небольшие размеры субмезомасштабных вихрей затрудняют их измерение и, соответственно, воспроизведение их с помощью компьютерной модели.

Ученые МГИ РАН выполнили исследование, которое раскрыло механизм образования субмезомасштабных вихрей в центральной части Черного моря, и изучили их влияние на структуру мезомасштабных (более крупных) вихрей.

В исследовании были использованы численная модель NEMO (Nucleus for European Modelling of the Ocean) с высоким разрешением (1,6 км) и спутниковые данные, полученные над Черным морем.

Результаты исследования ученые представили в статье «Поперечно-склоновые потоки плавучести вызывают интенсивную асимметричную генерацию субмезомасштабных вихрей на периферии мезомасштабных антициклонов Черного моря», опубликованной в Journal of Geophysical Research: Oceans.

Ученые установили, что интенсивные потоки, вызываемые вовлечением шельфовых вод синоптическими вихрями, являются одной из важнейших причин образования субмезомасштабных циклонических вихрей в глубоководной части Черного моря.

Доказательство своих выводов они продемонстрировали на примере Севастопольского антициклонического вихря.

Руководитель гранта РНФ ведущий научный сотрудник отдела дистанционных методов исследований МГИ кандидат физико-математических наук Арсений Кубряко рассказал:

«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».

Расчеты на матмодели показали, что сильные различия в солености и плотности между двумя водными массами быстро увеличивают энергию течений, которые становятся неустойчивыми. Это вызывает интенсивное образование субмезомасштабных вихрей 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», — пояснил ученый.

Участник исследования, младший научный сотрудник отдела динамики океанических процессов МГИ Оксана Пузина дополнила: «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».

Ученые установили, что выявленный ими механизм генерации мелких вихревых образований приводит к резкой асимметрии в динамической структуре крупных вихрей. На той периферии большого вихря, где происходит вовлечение шельфовых вод, идет интенсивное образование субмезомасштабных вихрей из-за образованных в огромном количестве мелких неоднородностей, обладающих высокой турбулентностью.

Одновременно на другой окраине антициклона, наоборот, создаются более плавные и спокойные образования небольших размеров.

Описанный исследователями процесс очень важен для понимания временнóй изменчивости субмезомасштабной динамики в центральной части Черного моря.

«Благодаря выявленному механизму мы понимаем, как тратится и распределяется энергия, которую закачивает в океан ветер, как она переходит от масштаба к масштабу, а затем исчезает», — пояснил Арсений Кубряков.