Загадки океана - Николай Вершинский

За выдающиеся открытия в биологии и гидрофизике океана П. П. Ширшов был избран в 1939 г. в действительные члены Академии наук СССР.

Мы помним П. П. Ширшова не только как выдающегося ученого, полярника и директора Института океанологии. Пятнадцать лет он был министром морского флота Советского Союза, в том числе и в тяжелые годы Великой Отечественной войны. Одновременно он являлся заместителем Председателя Совета Министров СССР по транспорту. Он всегда отличался скромностью и простотой, был ровным в обращении с подчиненными. Его научные труды внесли большой вклад в мировую науку.

Как стать океанологом. Морских специалистов различных профилей, инженеров и научных работников готовят различные средние и высшие учебные заведения нашей страны. Географический и физический факультеты Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова выпускают океанологов широкого профиля и гидрофизиков.

В Московском физико — техническом институте, на кафедре термогидромеханики океана, также готовят высококвалифицированных специалистов. Институт океанологии им. П. П. Ширшова — база для студентов этой кафедры. Ученые института читают лекции по специальным предметам. Студенты получают хорошую подготовку по математике, физике, гидродинамике, технике физического эксперимента в океане. В одном из отделений Института океанологии студенты проходят первую практику после окончания III курса, а после V курса они отправляются в дальнее плавание на одном из научно — исследовательских судов института. На практике они знакомятся с методами и техникой физических исследований океана и собирают материалы для своих дипломных работ. Плавание в дальнем рейсе в течение 3,5–4 месяцев дает студентам очень много: удается не только собрать экспериментальный материал, но и обработать его на судовой ЭВМ, обобщить полученные данные.

Специалистов, необходимых стране для изучения и освоения океана, готовят вузы Ленинграда, Тбилиси, Одессы, Ростова. Непрерывно пополняется молодыми специалистами большой коллектив ученых, занятых изучением и освоением океана. От души желаю моим читателям присоединиться к ним.

Вихри открытого океана

Как трудно сделать открытие. К числу наиболее важных событий в океанологии за последние 20 лет относится открытие громадных вихрей. Никто не предполагал, что в открытом океане могут быть грандиозные вихри. Раньше знали только вихри, образующиеся в быстрых течениях вблизи морских берегов. Было известно также, что сильные вихри могут возникать в прибрежной полосе во время приливно — отливных течений. Первый вихрь в открытом море был зафиксирован экспедицией Института океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР.

В 1967 г. в Аравийском море советскими исследователями проводилась экспедиция под названием «Полигон-67». Мысль о пользе полигонных исследований была высказана известным советским ученым В. Б. Штокманом еще в 1935 г.: чтобы получить правильное представление о физических процессах в каком‑либо районе Мирового океана, необходимо достаточно долго наблюдать за происходящим в одном и том же районе. Не сразу это было принято океанологами. Полвека назад Мировой океан казался куда более стабильным. Установление его изменчивости — результат исследований океанологов за последние два десятилетия. Полигон требует длительного нахождения научно — исследовательского судна в ограниченном районе, а получение информации с больших районов Мирового океана — быстрого проведения длинных «разрезов» в меридиональном, широтном или любом другом направлении. Преодолеть это противоречие можно. Надо проводить различные рейсы. Во время полигонного рейса научно — исследовательские суда долго работают в ограниченном районе океана. А если необходима информация с больших районов океана, суда делают большие переходы по заданному маршруту. В экспедиции «Полигон-67» были составлены карты течений во время первой и второй гидрологических съемок одного и того же участка Аравийского моря на глубине 150 м. Теперь мы знаем, что замкнутые линии тока на картах показывают — перед нами подводные вихри. Но в 1967 г. никто не решился сделать такой категорический вывод. Карты «а» и «б» были получены с большим разрывом во времени: «а» — по данным измерений с 21 января по 7 февраля 1967 г., «б» — с 20 марта по 6 апреля 1967 г., что не позволило установить тесную связь развития вихрей на обеих картах.

Ученые ограничились выводом: имеются хорошо выраженные бароклинные возмущения течений с горизонтальным масштабом около 250 км. Вихри открытого океана еще не были открыты…

А теперь с уверенностью можно сказать: это был крупный вихрь Индийского океана, диаметром в подводной части (на глубине 150 м) около 250 км.

Синоптические вихри. В феврале — сентябре 1970 г. под руководством академика Л. М. Бреховских была проведена экспедиция «Полигон-70». Основной ее задачей было исследование течений в типичном районе открытого океана, т. е. вдали от берегов и фронтальных областей. Эксперимент проводился в южной части Северного пассатного течения Атлантического океана с глубинами от 5000 до 5500 м.

На этом полигоне использовались буквопечатающие гидрометрические измерители скорости течения типа БПВ-2 (конструкции ленинградского специалиста Ю. К. Алексеева), попросту называемые вертушками. На этот раз применили новую методику их использования: в исследуемом районе океана было поставлено одновременно около двухсот вертушек в точках, расположенных по лучам прямоугольного креста. Подобная расстановка измерителей скорости позволила охватить наиболее широкий спектр частот возможных колебаний скорости течения. Каждый луч имел длину 100 км. Центр располагался на 16°30′ с. ш. и 33°30′ з. д. В каждом луче по 4 буя с вертушками и один общий буй в центре, всего 17 буев. На рисунке на с. 21 дана схема расположения измерителей БПВ-2. На тросах, привязанных к каждому бую, размещалось по 10 вертушек на глубинах от 25 до 1500 м. Одновременно использовались и автономные регистраторы температуры воды.

Схема главного антициклона на «Полигоне-70». Эллипсы — линии тока в поле течений вихря, прямые линии — в поле волны, L — длина волны, а — расстояние от центра вихря до струи с максимальной скоростью, с — скорость поступательного движения вихря, сw — фазовая скорость волны; х, у — прямоугольные координаты/

Почти полгода работали научно — исследовательские суда Института океанологии на этом относительно небольшом квадрате в океане: следили за сохранностью буев, проверяли их расположение, перезаряжали или сменяли вертушки, выполняли общую гидрологическую съемку. Чтобы обнаружить вихри и проследить их перемещение по океану, необходимо было достаточно долго вести непрерывные измерения на выбранной акватории. Вертушки простояли на полигоне почти шесть месяцев. Потом их записи скорости и направления течений были обработаны на ЭВМ. В результате был надежно зафиксирован великолепно выраженный антициклонический вихрь (это вращение воды по часовой стрелке для северного полушария), проходивший через район полигона в направлении на запад — юго — запад с начала апреля по начало июля 1970 г. Этот вихрь был назван Главным вихрем.

Одновременно была зарегистрирована задняя часть еще одного антициклонического вихря, который двигался впереди Главного вихря. Вихри шли почти вплотную один за другим.

Главный вихрь имел форму эллипса с отношением осей примерно 1:2. Малая полуось вихря была размером около 100 км; она определялась как расстояние от центра вихря до точек с максимальной орбитальной скоростью на периферии вихря (расстояние «а» на рисунке на с. 21). Средняя скорость движения его центра за время апрель — июль 1970 г. была 5,5 см/с. А наибольшая орбитальная скорость движения воды на периферии вихря достигала 35 см/с на глубинах 400–600 м.

Подобные вихри получили название синоптических. Синоптическими в метеорологии называются изменения с периодом от нескольких суток до нескольких месяцев. С открытием вихрей в океане этот термин прочно вошел в океанологию.

Механизм образования вихрей. Самое интересное заключается в том, что океанский вихрь оказался волной Россби. К такому выводу пришел доктор физико — математических наук М. Н. Кошляков после тщательного изучения результатов работы на «Полигоне-70».

На рисунке на с. 21 приведена схема Главного вихря. Буквой L обозначена длина волны. Подсчет по известной формуле Россби дал значение размеров вихря, довольно близко совпавшее с экспериментальными данными.

Сегодня синоптические вихри открытого океана рассматриваются доктором физико — математических наук М. Н. Кошляковым и другими учеными как сложный синтез волн Россби и крупномасштабной турбулентности. Каждый вихрь — своеобразный комплекс из высокоорганизованного физического процесса (волна Россби) плюс чисто случайное турбулентное завихрение большого масштаба. Процент турбулентной "примеси" может сильно колебаться от вихря к вихрю. В этом заключается одна из трудностей изучения и прогнозирования вихрей открытого океана.