Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 508, № 1, стр. 115-121

ВВЕДЕНИЕ

В середине лета–начале осени (июле–сентябре) в последнее десятилетие в Баренцевом море происходит резкое возрастание показателя рассеяния света назад взвешенными частицами, что объясняется активным цветением кокколитофорид [1–3]. Этот фитопланктон увеличивает мутность морской воды, окрашивая ее в серые тона. Благодаря этому эффекту на спутниковых оптических многоспектральных изображениях становятся отчетливо видны различные проявления приповерхностной динамики моря – шлейфы течений, вихреобразные структуры, фронты и внутренние волны [4, 5]. Наше внимание было привлечено к оптическим изображениям одного из самых динамически активных районов Баренцева моря – акватории м. Святой Нос. Этот район известен с давних времен так называемым святоносским сулоем, представляющим опасность мореплавателям из-за своей интенсивности и частоты повторения. В этом месте полуостров Святой Нос далеко вдается вглубь акватории, разделяя более теплые воды Баренцева моря с холодными водами Белого моря. На границе этих водных масс, подгоняемых приливно-отливными течениями, происходит образование сулоя – поверхностного волнения в виде хаотичной толчеи с высотами в несколько метров. В данной работе мы концентрируем свое внимание на еще одном представляющим интерес динамически активном явлении – генерации интенсивных внутренних волн на шельфе, которая как будет показано, тоже имеет место в этом районе.

ВИХРЕОБРАЗНЫЕ СТРУКТУРЫ У МЫСА

В ходе исследования анализировался временной ряд спутниковых изображений района интереса, полученных c космических аппаратов Sentinel-2 и Landsat-8 на протяжении всего периода цветения кокколитофорид в 2021 г. (июль–сентябрь). Анализ осуществлялся с целью обнаружения и исследования особенностей поверхностных проявлений внутренних волн. В результате анализа изображений, полученных 8 и 9 августа со спутника Sentinel-2, были выявлены высококонтрастные проявления внутренних волн, расположенные вблизи вихря. В другие даты анализируемого временного интервала не наблюдалось интенсивных поверхностных проявлений внутренних волн.

Как видно на изображении от 8 августа (рис. 1), к северу от м. Святой Нос образован вихревой кластер, в состав которого входили два грибовидных вихря, заворачивающие своими западными границами по часовой стрелке, и в целом обозначающие перенос воды течениями в прибрежную зону из более глубоких районов моря. Обращает на себя внимание более мелкий по масштабам (субмезомасштабный) антициклонический вихрь, расположенный на расстоянии около 3 км к северу от оконечности мыса, образованный течением северо-западного направления с западной стороны мыса. Подворот течения по часовой стрелке севернее мыса указывает на антициклонический характер вихря. Этот вихрь сохранялся и на следующие сутки, что хорошо видно на спутниковом изображении, полученном 9 августа (рис. 1). Сердцевина вихря характеризуется относительно малыми значениями спектральной отражательной способности, что свидетельствует о присутствии свободной от микроводорослей воды в центре вихря. Сравнение разновременных изображений вихря (рис. 1) явно показывает, что размер центральной части вихря и его оптический контраст уменьшаются. Последнее подтверждает действие антициклонического механизма по увеличению концентрации поверхностных более теплых вод в центральной части вихря.

ВНУТРЕННИЕ ВОЛНЫ, ГЕНЕРИРУЕМЫЕ СУБМЕЗОМАСШТАБНЫМ ВИХРЕМ

Обнаруженные интенсивные поверхностные проявления внутренних волн были детально исследованы, для чего были дополнительно привлечены результаты спутниковой радиолокационной съемки. В ходе обработки спутниковых изображений, полученных как в оптическом (Sentinel-2 MSI, 8 и 9 августа), так и в радиолокационном (Sentinel-1 SAR, 9 августа) диапазонах спектра электромагнитных волн, выполнялось определение местоположения и геометрических параметров поверхностных проявлений гребней внутренних волн [4, 8]. Результаты обработки спутниковых изображений приведены на рис. 2. Ниже будет показано, что все обстоятельства указывают на то, что рассматриваемые внутренние волны генерируются вихрем, находившемся у м. Святой Нос.

Анализ рис. 2 показывает, что основная часть цугов внутренних волн распространяется на запад, юго-запад от м. Святой Нос. Фронты внутренних волн имеют выпуклую дугообразную форму, что подчеркивает юго-западную направленность их движения и связь с находящимся у оконечности мыса субмезомасштабным вихрем.

Цуги внутренних волн условно обозначены цветами: желтый, синий, оранжевый, зеленый (рис. 2). Насчитывается 6 цугов на многоспектральном изображении от 8 августа (рис. 2 б, г) и 3 цуга на многоспектральном изображении от 9 августа (рис. 2 а). Спутниковое радиолокационное изображение от 9 августа (рис. 2 в) позволяет выделить цуг внутренних волн, движущийся в другом направлении – на восток (рис. 2 д). Фронты волн этого цуга (в отличие от других цугов) находятся на значительном расстоянии друг от друга, что говорит о большей длине волн. Это отличие объясняется тем, что волны этого цуга сгенерированы в фазе прилива (дата и время съемки – 9 августа, 3:57 UTC) и вместе с приливным и вдольбереговым течением движутся на восток. Как следствие, длина волн на попутном течении увеличивается. Обращает на себя внимание цуг, расположенный к югу от вихря, ориентация фронтов в котором указывает на южное распространение волн (рис. 2 г). Этот цуг находится уже в более мелководном районе акватории (в Святоносском заливе) и, по всей вероятности, испытывает рефракцию, на что указывает береговая направленность цуга.

ПРИВЯЗКА ЦУГОВ ВОЛН К ФАЗЕ ОТЛИВА БАРОТРОПНОГО ПРИЛИВА

Спутниковые оптические изображения были получены 8 августа 2021 г. в 09: 11: 16 UTC и 9 августа 2021 г. в 09: 31: 12 UTC. В глобальной модели приливов TPXO9.0 [10] был проведен расчет прилива для точки, расположенной на расстоянии ~3 км от м. Святой Нос. Приблизительно на этом расстоянии от полуострова Святой Нос начинается район, в котором регистрировались поверхностные проявления внутренних волн, распространяющихся в юго-западном направлении. 8 августа максимум баротропного прилива наблюдался в 6 ч UTC и составлял 1.62 м, а минимум составил –1.60 м около 13 ч UTC. На следующий день 9 августа максимум был 1.77 м в 7 ч UTC, а минимум – 1.80 м в 13 ч UTC. Исходя из этой информации, цуги внутренних волн, зарегистрированные на спутниковых оптических изображениях, оказались привязаны к фазе отлива. Подобная интенсификация короткопериодных внутренних волн во время отлива отмечалась в наблюдениях в других морях, в частности в Японском море, а также неоднократно в Баренцевом море [10, 11]. Цуг внутренних волн, выявленных по радиолокационному изображению, как уже указывалось выше, относится к фазе прилива.

РАСЧЕТ ДИСПЕРСИОННЫХ КРИВЫХ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВНУТРЕННИХ ВОЛН

Расчет дисперсионных кривых велся по программе В.В. Гончарова [12], в которой численно решается уравнение внутренних волн (краевая задача Штурма-Лиувилля)

с граничными условиями w(0) = 0, w(н) = 0, где w – амплитуда вертикальной скорости, k_h – горизонтальный волновой вектор, N – частота плавучести, f – инерционная частота, ω – текущая частота, н – глубина моря, w и N зависят от z.

В качестве гидрологических параметров для расчета использовались данные, измеренные в Баренцевом море в августе в акватории, близкой к исследуемой в настоящей работе [13]. Для распределения температуры по вертикали характерно ее постепенное уменьшение от 8.2°C на поверхности моря до 4.4 на глубине 40 м у дна. Начиная с глубины 10 м и до глубины 30 м наблюдается увеличение вертикального градиента температуры. Распределение солености увеличивается с глубиной от 34 до 36 единиц практической солености. По данным температуры и солености были рассчитаны распределения условной плотности и частоты плавучести по глубине. Максимум частоты плавучести лежал на глубинах 15–20 м, достигая 8.5 цикл/час.

На рис. 3 а приведена гистограмма распределения количества случаев наблюдения внутренних волн различных длин, построенная с шагом 10 м. Рамкой показан диапазон от 50 до 140 м, выбранный по элементам гистограммы со значениями >1, охватывающий более 90% случаев регистрации внутренних волн. На рис. 3 б приведены рассчитанные дисперсионные кривые 1-й и 2-й моды, рамкой выделен диапазон пространственных периодов (от 20 до 7.14 циклов на км), соответствующий диапазону длин волн, приведенному на рис. 3 а.

Анализ рис. 3 показывает, что ожидаемый диапазон частот внутренних волн в нашем эксперименте (1-я мода) составляет от ~4.2 цикл/ч до ~7.1 цикл/ч (от 14.3 мин до 8.5 мин). С учетом этого скорости распространения внутренних волн лежали в пределах от ~0.16 м/с (волны с длинами ~140 м, один цикл за 14.3 мин) до ~0.10 м/с (волны с длинами ~50 м, один цикл за 8.5 мин).

ОБСУЖДЕНИЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Внутренние приливные волны в Баренцевом море были обнаружены давно еще при несовершенном океанографическом оборудовании [12]. Наиболее детальные измерения были проведены много лет спустя [9] с применением пространственной антенны из трех распределенных датчиков температуры, что позволило выделить цуги короткопериодных (солитоноподобных) внутренних волн, определить их амплитуды и направления распространения. Особенностью внутренних волн арктических морей является их распространение в среде с пикноклином с небольшим перепадом плотности, что ведет к относительно небольшим скоростям их распространения. Если принять в рассмотрение большие величины существующих там приливов, то становится ясно, что внутренние волны часто испытывают блокировку и другие эффекты рефракции на фоновых течениях, что было показано в [9]. В последние годы стало больше информации о внутренних волнах Баренцева моря в основном за счет публикаций, использующих данные спутникового дистанционного зондирования [13, 14]. Благодаря близкому положению термоклина к поверхности моря в летний период внутренние волны хорошо проявляются на спутниковых снимках, что дает возможность собирать большую статистику о длине волн и их фронтов, количестве волн в цугах и направлении их распространения [7, 8]. Надежные данные о периодах внутренних волн и их амплитудах можно получить лишь контактными методами. Продолжительные измерения, проведенные в прибрежной зоне Баренцева моря с помощью непрерывных CTD – зондирований [14] выявили средний период волн в цугах – 15 мин, среднее число волн в цуге – 4, а диапазон амплитуд волн – в пределах 1–8 м. Сопоставляя длины наблюдаемых нами внутренних волн цугов у м. Святой Нос, с измеренными ранее длинами волн в прибрежной зоне этого региона, можно сделать вывод, что они близки к среднестатистическим параметрам внутренних волн Баренцева моря 1-й моды. То же самое можно сказать о периодах этих внутренних волн. Особенностью этих волн оказываются малые скорости движения цугов, что объясняется тем, что они распространяются в условиях слабой стратификации и на встречном (отливном) течении. Что касается амплитуд интенсивных внутренних волн у м. Святой Нос, изученных в настоящей работе, то, в отсутствие данных контактных измерений, принимая во внимание большие оптические контрасты (рис. 1), можно предполагать, что они достигают величин порядка 10–12 м (это значения максимальных высот, наблюдавшихся в Баренцевом море).

Происхождение цугов внутренних волн в Баренцевом море обычно связывают с взаимодействием баротропного прилива с особенностями рельефа дна – механизмом, широко распространенным на шельфах Мирового океана. Менее распространенный механизм генерации цугов внутренних волн, но также заслуживающий внимания, связан с воздействием вихрей. Впервые было обращено внимание на близкое расположение цугов внутренних волн и субмезомасштабных вихрей при анализе комических снимков Черного моря [15]. Позднее в измерениях на геленджикском шельфе Черного моря [16] был зарегистрирован выход на шельф прибрежного антициклонического вихря с генерацией пакета интенсивных внутренних волн, движущихся на берег. Недавно опубликована работа о наблюдении генерации внутренних волн антициклоническим вихрем в Гренландском море [17]. В научной литературе есть теоретические работы, предсказывающие вихри как источник генерации внутренних волн в море [18, 19], но доказательства этого в натурных наблюдениях чрезвычайно редки и ограничиваются вышеприведенными ссылками. В этом смысле приводимые в настоящей статье данные о пакетах интенсивных внутренних волн, исходящих от мезомасштабного антициклонического вихря у м. Святой Нос, заслуживают пристального внимания.

В последнее время генерация внутренних волн вихрями рассматривается как один из возможных реальных механизмов генерации внутренних волн в море. Сообщения об этом в морях с приливами единичны, при этом для бесприливного Черного моря подобное наблюдалось чаще, но ненамного. Замкнутое Черное море практически лишено приливов и это позволяет видеть другие, кроме приливного, возможные механизмы генерации внутренних волн. В работе [20] высказывалось предположение, что эти внутренние волны имеют фронтальный механизм генерации, когда волны излучаются нестационарным фронтом (движущимся и/или подверженным инерционным колебаниям), связанным с прохождением вихря. По аналогии мы можем предположить, что в нашем случае внутренние волны сгенерированы нестационарным фронтом, подверженным приливно-отливным движениям, связанным с прохождением вихря.

Таким образом, с помощью данных дистанционного зондирования в Баренцевом море севернее м. Святой Нос был обнаружен антициклонический субмезомасштабный вихрь, излучающий пакеты интенсивных короткопериодных внутренних волн. Анализ данных показал, что в основном цуги волн генерируются в фазе отлива и двигаются на запад, юго-запад на встречном течении. Менее интенсивная генерация происходит в фазе прилива – здесь волны движутся на восток и имеют бо́льшие длины. Волны в пакетах относятся к 1-й моде и достаточно интенсивны, имеют поверхностные проявления, регистрируемые спутниковыми оптическими и радиолокационными методами. В целом акватория у м. Святой Нос подтверждает свою репутацию динамически активного региона, где существует не только поверхностный сулой, но и интенсивные внутренние волны.