Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 506, № 1, стр. 117-122

ВВЕДЕНИЕ

В 1959 г. в советской морской экспедиции на научно-исследовательском судне “Михаил Ломоносов” на экваторе в Атлантическом океане был впервые обнаружен подповерхностный поток, названный по имени этого судна течением Ломоносова [6, 10]. Впоследствии стало ясно, что течение Ломоносова [1, 3, 5] имеет аналогичную физическую природу с течением Кромвелла в Тихом океане [2, 13] и течением Тареева в Индийском океане [7, 8]. Не задаваясь здесь целью детального рассмотрения теоретических основ течения Ломоносова, мы полагаем, что к числу исходных причин его происхождения относится крупномасштабное взаимодействие океана с атмосферой. Вследствие этого взаимодействия в экваториальной области океана возникает зона восточных ветров, которые переносят теплую поверхностную воду на запад, где за счет испарения вода становится более соленой и опускается на глубину около 100 м. В результате образуется мощное возвратное подповерхностное течение, которое ориентировано почти строго вдоль экватора на восток, так как при отклонении от экватора сила Кориолиса удерживает это течение в узкой экваториальной зоне. Отметим, что эти конкретные признаки течения Ломоносова в Атлантическом океане, которое переносит вдоль экватора воды высокой солености от побережья Бразилии на восток до Гвинейского залива, описываются в качестве основных его черт во многих ключевых работах, посвященных этому крупномасштабному потоку. В работах [1, 2] даны обзоры экспериментальных измерений в экваториальной зоне, а в работах [5, 11] изложены теоретические основы динамики вод вблизи экватора. В работе [3] изложены результаты наших первых измерений профилографом скорости при пересечении экватора в 2014–2017 гг.

Поскольку экваториальные подповерхностные противотечения являются важной составной частью глобальной структуры общей циркуляции вод Мирового океана, определенный научный интерес представляет получение статистически обеспеченных данных об их пространственно-временной устойчивости. Сохраняя и укрепляя свой приоритет в открытии и исследовании течения Ломоносова, российские океанологи используют каждую представившуюся возможность для выполнения очередной серии измерения его скорости на более совершенном техническом уровне.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ДАННЫЕ

Данные измерений течений, обсуждаемые в  работе, получены авторами в 2021–2022 гг. при  помощи бортового профилографа течений SADCP Ocean Surveyor-75 фирмы TRDI 75 кГц. Во время 87-го рейса НИС “Академик Мстислав Келдыш” при переходе через экватор было выполнено два профилирования течения Ломоносова (иначе называемого экваториальным подповерхностным противотечением, ЭПП) судовым SADCP. Оба разреза проходили по 26° з.д., с 16‑метровым послойным осреднением и общей эффективной глубиной профилирования 700 м, глубина центра верхнего слоя измерений приходится на 22 м. Первый разрез выполнен с 28 по 31 декабря 2021 г., второй – с 13 по 15 марта 2022 г. Все скорости приведены для двухминутного осреднения, что соответствует разрешению по горизонтали около 500 м. Как показано в работе [4], такое осреднение по времени данных измерений бортовым профилографом позволяет корректно выявить реальную тонкую структуру исследуемых течений.

СТРУКТУРА ТЕЧЕНИЯ ЛОМОНОСОВА

На приведенных рисунках показано построенное по данным измерений распределение широтной компоненты скорости течений на обоих разрезах. На первом разрезе (рис. 1 а) отчетливо прослеживается несколько разнонаправленных потоков. На поверхности – направленное на запад Южное Пассатное течение (ЮПТ), нижняя его граница соответствует верхней границе ЭПП. ЮПТ распространено в широтной полосе от 4° ю.ш. до 3° с.ш., при этом отмечены два максимума западной компоненты скорости на 3.8° ю.ш. на глубине 48 м, где она составляла 67 см/с, и на 1.8° с.ш. на 32 м, где скорость достигала 91 см/с. В северной и южных частях разреза ЮПТ распространено до глубин 100–110 м, тогда как в средней части его нижняя граница расположена значительно выше в связи с влиянием ЭПП и наблюдается на 30 м.

Рис. 1.

Разрезы зональной компоненты скорости течений на 26° з.д. Разрез выполнен с севера на юг с 28 по 31 декабря 2021 г. (а); разрез выполнен с юга на север с 13 по 15 марта 2022 г. (б). Положительное направление (в чертеж) на восток. Глубина центра верхнего слоя измерений 22 м; вертикальный размер измерительной ячейки 16 м; осреднение по времени 2 мин эквивалентно пространственному осреднению по горизонтали 0.5 км.

Как показано на рис. 1 а, направленное на восток ЭПП располагалось между 1.5° ю.ш. и 1.5° с.ш. в слое от 30 до 230 м, при этом его следы прослеживались до 360 м в центральной части разреза. Скорость в стрежне течения Ломоносова достигала 111 см/с на 0.4° с.ш. на глубине 78 м. Стрежень течения был незначительно смещен к северу от экватора и находился на глубине от 50 до 100 м. Расход в струе течения Ломоносова по границам внутри изотахи 0.1 м/с составлял 21.1 Св.

Ниже ЭПП, на глубинах 400–700 м, выделяется Экваториальное Промежуточное течение (ЭПТ), западная компонента скорости в котором не превышала 20 см/с. Кроме того, были отмечены направленный на восток перенос в районе 4°  ю.ш. в слое 150–250 м со скоростями до 40 см/с, и два западных потока со скоростями до 20 см/с, граничащих с ЭПП с флангов на глубинах 100–300 м.

На втором разрезе (рис. 1 б) структура экваториальных течений значительно отличается. В крупномасштабной системе экваториальных течений явно вырисовывается признак главного изменения – выхода течения Ломоносова на поверхность океана. Некоторые признаки эпизодического существования такого “редкого поведения” этого экваториального потока были отмечены в некоторых упомянутых выше работах. Из-за ослабления пассатов практически исчезает экваториальное поверхностное течение на запад, остаются только незначительные западные потоки в крайних южной и северной частях разреза.

Скорости в их ядрах немногим превышают 35 см/с, составляя на основной части западного переноса 10–20 см/с. На этом фоне основной поток ЭПП, сохраняя свою привязанность к экватору, несколько увеличивается в поперечнике и перемещается вверх, по-видимому, выходя в северной части на поверхность океана. Границами течения являются широты 2° ю.ш. до 2° с.ш. Глубина распространения течения варьируется от поверхности до 250 м. Условное ядро течения Ломоносова со скоростями более 80 см/с растянуто от 0.6° ю.ш. на глубине 100 м до 1.5° с.ш. на глубине 40 м. Максимум скорости 114 см/с наблюдается на глубине 45 м на 0.82° с.ш. Расход течения Ломоносова внутри изотахи 0.1 м/с увеличился до 23.3 Св.

При этом ЭПТ становится более мощным – скорости в ядре, расположенным на 400 м на экваторе, превышают 30 см/с, верхняя граница потока смещается на 270 м. Потоки на запад, окружающие подповерхностное течение Ломоносова, смещаются по глубине и соединяются с ЭПТ, образуя объемный, но медленный перенос на запад. Поток в районе 4° ю.ш. на глубинах 150–250 м незначительно смещается к югу и развивает скорости до 50 см/с. Одновременно, по данным того же разреза, скорости западных компонент течений, окружающих течение Ломоносова с флангов на поверхности, существенно ослабевают.

Мы полагаем, что различия в структуре двух разрезов связаны с внутригодовой изменчивостью экваториальной циркуляции и хорошо согласуются с предыдущими наблюдениями, описанными в научной литературе [12, 14]. Первый разрез приходится на конец декабря, который является переходным периодом между максимумами заглубления ядра подповерхностного течения бореальной осенью и его подъема к поверхности весной. Выше было сказано, что ядро течения расположено на глубине 78 м, максимальная скорость 111 см/с. Влияние восточных ветров значительно, наблюдается широкое поверхностное течение на запад, средние скорости около 50 см/с. Второй разрез выполнен в середине марта, бореальной весной, когда зональная составляющая скорости ветра в экваториальной Атлантике изменяет свое направление на противоположное: компонента, направленная на запад, сменяется компонентой, направленной на восток. Соответственно перестраивается и структура экваториального течения: поверхностный западный поток, развитый значительную часть года, замедляется и временами полностью исчезает, а течение Ломоносова смещается ближе к поверхности, иногда выходя на нее и образуя обратный восточный перенос. Максимальная скорость в ядре составляет 114 см/с и находится на 45 м, что значительно выше расположения ядра течения в конце декабря (рис. 2).

Рис. 2.

Профили скорости восточной компоненты: 29 декабря 2021 г. на 0.4° с.ш. (сплошная линия), 14 марта 2022 г. на 0.81° с.ш. (штриховая линия).

Из литературных источников известно, что изменчивость структуры экваториальных течений безусловно связана с ветром [14]. В последнее десятилетие (2008–2018) отмечается интенсификация ЭПП [18], вызванная усилением пассатных ветров в северо-западной тропической Атлантике. На рис. 3 приведена зональная компонента скорости ветра над районом измерений. Данные получены из базы JMR55. В декабре 2021 г. скорость ветра была максимальна и направлена на запад (отрицательные скорости). К марту 2022 г. скорость восточного ветра стала уменьшаться и в середине марта его направление сменилось на западное.

Рис. 3.

Изменчивость зонального ветра над районом измерений на экваторе (26° з.д.). Отрицательные значения соответствуют восточному ветру. Серые столбики показывают время выполнения разрезов в конце декабря 2021 г. и в марте 2022 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сопоставление полученных нами результатов с данными предшествующих натурных исследований в том же регионе [4, 17] позволяет предположить, что отмеченные в настоящей работе различия в гидрофизической структуре двух разрезов в экваториальной Атлантике связаны с внутригодовой изменчивостью циркуляционных процессов в атмосфере [12]. В нашем случае первый разрез приходился на конец декабря. В данном регионе в это время наблюдается окончание периода восточных ветров, под воздействием которых на поверхности океана в экваториальной зоне формируется и поддерживается западное Пассатное течение со средней скоростью около 50 см/с [9, 16]. Далее, если продолжить сопоставление полученных в настоящей работе результатов с соответствующими материалами других исследований [1, 14], то нетрудно убедиться, что выполненный в середине марта 2022 г. второй наш разрез приходится на бореальную весну, когда зональная составляющая ветра в экваториальной Атлантике изменяет свое направление на противоположное. Соответственно перестраивается и структура экваториальных течений в верхнем слое океана. Западный поток, развитый здесь значительную часть года, ослабевает, вследствие чего течение Ломоносова иногда смещается ближе к поверхности, как показали наши измерения в 2022 г. и, в случае выхода на поверхность, образует обратный восточный перенос.

В работе рассмотрены результаты анализа данных профилирования зональных экваториальных течений Атлантики во время 87-го рейса НИС “Академик Мстислав Келдыш”. Наблюдения выполнялось дважды – на повторном разрезе по 26° з.д. через экватор в декабре 2021 г. и в марте 2022 г. Измерения с высокой степенью детализации проводились на ходу судна бортовым профилографом скорости SADCP при интервале осреднения данных 2 мин, что соответствует пространственному разрешению 500 м.

Измеренные течения характеризуются значительной фрагментарной расслоенностью с суб- и мезомасштабными размерами элементов динамической структуры поля скорости (рис. 1). В марте 2022 г. инструментально зафиксирован признак выхода на поверхность экваториального подповерхностного течения Ломоносова.

Изменения интенсификации течения Ломоносова связаны со временем года, т.е. с сезонной изменчивостью циркуляции атмосферы, и сопровождается вертикальной миграцией стрежня по глубине с одновременным изменением скорости потока. Наши измерения тонкой структуры течений подтвердили это. Максимальные скорости в ядре зарегистрированы в марте в период ослабления восточных ветров. Полученные вариации находятся в хорошем согласии с временной средней изменчивостью параметров течения Ломоносова, известной по литературным данным [2, 12].

Полноценное изучение эволюции основной бароклинной структуры океана, а также крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы в высоких и средних широтах, требует непрерывных многолетних рядов наблюдений. В спектре же колебаний скорости экваториальных течений существует статистически достоверный энергонесущий всплеск на периоде порядка недели [2]. Следовательно, экваториальный район предоставляет уникальную возможность реального изучения быстрой бароклинной динамической реакции океана на возмущения атмосферы и позволяет исследовать механизм энергопередачи в системе океан–атмосфера в соответствующем диапазоне пространственно-временных масштабов. Немаловажно, что для такого рода исследований требуются относительно короткие ряды наблюдений, что значительно упрощает и удешевляет экспериментальную часть работы.