Водные ресурсы, 2022, T. 49, № 2, стр. 154-162

ВВЕДЕНИЕ

История изучения оз. Байкал началась с посещения его первыми европейскими путешественниками в XVII в. В 1928 г. основана Байкальская Лимнологическая станция, которая в 1961 г. была преобразована в Лимнологический институт. Кольцевые структуры на льду оз. Байкал впервые были обнаружены в 2003 г. у м. Крестовского. Ретроспективный анализ спутниковых данных показал их наличие у м. Крестовского в 1999 г. [7, 8]. Гипотезы причин их появления описаны многими авторами [2, 4, 7, 8, 10, 11, 33–35]. Рост интереса к кольцевым структурам на льду озера связан с их регистрацией с борта МКС в 2009 г. Полевые исследования и моделирование свидетельствуют о том, что возникновение кольцевых структур на льду обусловлено генерацией круговых течений.

Изучение течений на оз. Байкал началось в 1960-х гг. Основное внимание при исследованиях уделялось навигационному периоду, так как скорости течений в период открытой воды больше и возможности регистрации и расчета течений шире [1, 5, 14–17, 36]. Зимой скорости в большей части озера оказывались ниже порога чувствительности (2 см/с) существовавших в то время регистраторов течений. На основе расчетов геострофических течений [17] и их измерений регистраторами БПВ-2 и БПВ-2р [5] в навигационный период установлено, что оз. Байкал, как и другие озера северного полушария, охвачено общей циклонической циркуляцией, которая распадается на ряд ячеек. Исследования подтвердили понижение температуры в центрах циркуляционных ячеек, связанных с апвеллингом [37]. Показано, что понижение температуры в центрах циркуляций может способствовать развитию холодолюбивого диатомового фитопланктона [30].

После формирования устойчивого ледового покрова течения достаточно быстро затухают. В прибрежной области на небольших (до 7 м) глубинах течения после становления ледового покрова затухают в течение суток [13]. В придонной зоне пелагической части озера после ледостава постоянная времени затухания достигает 1.5 мес. [38]. Это означает, что к апрелю (когда образуются кольцевые структуры на льду озера) осенние ветровые течения затухают и не могут быть причиной уменьшения толщины льда. Вероятность генерации зимних подледных течений за счет стока рек невелика, так как в зимний период сток рек минимален. В навигационный период постоянная времени затухания ветровых течений близка к 1 сут [6]. Это примерно равно времени затухания прибрежных течений после ледостава [16]. Несмотря на затухание ветровых течений, общая (геострофическая) циклоническая циркуляция подо льдом сохраняется [5].

В данной статье приведены спутниковые и полевые данные исследований кольцевых структур на льду и локальных понижений температуры поверхности в безледный период. Проведен анализ информации о локальных понижениях температуры поверхности озера в навигационный период и о кольцевых структурах на поверхности ледового покрова озера, возникающих в апреле на стадии уменьшения толщины льда. Показана возможная общность механизмов формирования круговых течений летом и кольцевых структур на поверхности ледового покрова.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для обнаружения и мониторинга кольцевых структур на льду озера использованы спутниковые данные в видимом диапазоне с пространственным разрешением 250 м. Температура поверхности озера рассчитывалась по данным AVHRR c использованием алгоритмов из работы [19]. Температуру и электропроводность водной толщи измеряли зимой зондом SBE-19, летом – SBE-25. В подледный период измерения проводили со льда, в навигационный период – с научно-исследовательских судов Лимнологического института. Пересчет электропроводности in situ в ионную составляющую минерализации проводился по методике в [3]. Для измерения концентрации растворенного кремния использовалась стандартная методика [12]. Учет концентрации кремния при расчете плотности воды проводился согласно [28]. При расчете плотности воды и частоты Вяйсяля использовалось уравнение состояния TEOS-2010 [29]. Бароклинный радиус деформации Россби Ro для двухслойной стратификации определялся по формуле [21].

Измерения течений при работах на кольцевой структуре в 2009 г. проводились с использованием трассеров в виде смоченной бумаги, которая медленно погружалась в подледную воду, что давало возможность отслеживать скорость и направление подледных течений, позже для измерений течений использовались электромагнитные регистраторы Infinity.

МЕТОДИКА И ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ДАННЫЕ

До получения экспедиционных данных в 2009 г., имея только спутниковую информацию, авторы статьи предполагали, что возникновение кольцевых структур связано с генерацией циклонических течений. Это подтверждалось спутниковыми данными о температуре поверхности озера в летний период. В 1996–1999 гг. было зарегистрировано 11 случаев локальных понижений температуры поверхности в Южном и Среднем Байкале, в 2000–2020 гг. было 16 случаев (табл. 1).

Понижение температуры поверхности летом могло быть связано с подъемом глубинных вод, и в случае геострофического равновесия оно соответствует циклоническому течению (против часовой стрелки). При анализе температуры поверхности были использованы спутниковые данные AVHRR, обработанные сотрудниками Института солнечно-земной физики (ИСЗФ) СО РАН в 1996–1999 гг., позднее эпизодически использовались данные MODIS.

Анализ данных позволил установить, что иногда проявляются небольшие, до 6 км, участки неоднородностей полей температуры в Южном и Среднем Байкале (рис. 1). Некоторые данные ввиду отсутствия облачности позволяют оценить время существования локальных понижений температуры в летний период.

Рис. 1.

Спутниковые снимки температурных неоднородностей поверхности воды в разных районах озера: Кукуйский каньон (Средний Байкал), 17.08.1998 (а); м. Ижимей (Средний Байкал), 14.06.1999 (б); м. Толстый (Южный Байкал), 29.06.2012 (в) и 13.06.2020 (г). Локальные понижения температуры поверхности обозначены стрелками.

На рис. 2 показано понижение температуры поверхности у м. Ухан, которое существовало ~4 сут – с 9 по 13 августа. Кроме этого, видно локальное понижение температуры у прол. Ольхонские Ворота (рис. 2в, 2г). Некоторое понижение температуры (рис. 2д) обусловлены облачностью. Радиусы “кольцевых” структур меняются от 3 до 6 км (табл. 1; рис. 1, 2). Различие температуры достигаeт 6°С.

Рис. 2.

Спутниковые снимки температуры поверхности озера в районе м. Ухан (а–д) и прол. Ольхонские Ворота (в, г) в июле 1999 г. (день – время): 9 июля – 15:50 (а); 10 июля – 16:43 (б); 10 июля – 18:29 (в); 12 июля – 05:24 (г); 13 июля – 07:35 (д). Локальные понижения температуры поверхности обозначены стрелками, облачность – пунктирными стрелками.

При отсутствии профилей температуры во время апвеллинга в указанных районах (табл. 1) можно использовать фоновые данные о вертикальном распределении температуры для других районов поверхности озера. На рис. 3 приведено вертикальное распределение температуры на разрезе м. Елохин – р. Давша (3, 7 и 27 км от м. Елохин). Минимальная температура (~6°С) была на станции в 7 км, а максимальная – в 28 км от м. Елохин. Различие температуры (~10°С) немного превышает приведенные в табл. 1 величины. Анализ данных о вертикальных распределениях температуры [36] (с 1934 г.) и электропроводности воды [3] (с 1995 г.), показывает, что вертикальные распределения температуры и минерализации (рис. 3) достаточно типичны для летнего периода. Показателем подъема вод, кроме понижения температуры, может служить вертикальное распределение минерализации (рис. 3). В районе апвеллинга профиль минерализации однородный, что подтверждает усиление вертикального обмена.

Рис. 3.

Вертикальное распределение температуры и минерализации в фоновых районах и районах апвеллинга в летний период (июль 2019 г.).

С 2003 г., когда была обнаружена первая кольцевая структура на льду озера у м. Крестовского, по 2009 г. было несколько поездок для проведения наблюдений в районах появлявшихся колец на льду. Все они не были удачны, так как использовались автомобили, на которых запрещено передвигаться по разрушающемуся льду. И только в 2009 г., когда кольцевые структуры появились в Западной части Южного Байкала и у м. Нижнее изголовье, их удалось исследовать с помощью катера на воздушной подушке “Хивус” [7, 10, 19].

При исследовании района кольцевой структуры на льду в западной части Южного Байкала лед в центре кольцевой структуры, на ее периферии и в районе “темного” кольца выглядел одинаково. В районе “темного” кольца наблюдалось большее количество пропарин. На разрезах, пересекающих кольцевую структуру с С на Ю и с В на З, проводились измерения с применением зонда SBE-25 до глубины 95 м. На разрезе с С на Ю станции располагались в центре кольцевой структуры и на расстоянии 1, 2, 3 и 4 км от нее. На разрезе с В на З были дополнительно проведены измерения на станциях в ~7 км от центра (рис. 4) [11].

Рис. 4.

Космический снимок кольцевой структуры в видимой части спектра и схема станций, 7 апреля 2009 г. Расстояние между станциями основных разрезов – 1 км. На разрезе З–В две дополнительные станции в 7 км от центра. Станция в 5 км от п. Маритуй (5кMa2009) – фоновая.

На разрезах наблюдается увеличение температуры и уменьшение минерализации в центральной части кольцевой структуры (рис. 5). Скорее всего, это связано с подъемом глубинных вод, так как в глубинной зоне наблюдаются те же тенденции изменений характеристик воды.

Рис. 5.

Вертикальное распределение температуры и минерализации в районе кольцевой структуры у п. Култук в апреле 2009 г.: в центре кольцевой структуры (mp), в 4 км на З (4кW) и на В (4кЕ), на фоновой станции (background) в 5 км от п. Маритуй (5кМа2009). Схема станций показана на рис. 4.

Схема расположения кольцевых структур, обнаруженных перед разрушением льда, на поверхности льда оз. Байкал представлена на рис. 6. С 2003 по 2021 г., по данным авторов статьи, они появлялись 23 раза в восьми районах. Наиболее часто кольцевые структуры появляются у мысов Крестовского (6 раз) и Нижнее Изголовье (5 раз). Несколько раз кольцевые структуры появлялись в Западной части Южного Байкала (4 раза), в северной части прол. Малое Море, на Академическом хребте и у Посольской банки (2 раза). Один раз они были зарегистрированы у п. Турка (рис. 6). В последние годы (2017–2020 гг.) кольцевые структуры появлялись в основном на Южном Байкале.

Рис. 6.

Схема расположения и спутниковые снимки кольцевых структур, проявлявшихся на льду оз. Байкал перед разрушением ледового покрова в 2003–2020 гг. Районы: 1 – п. Култук, 2 – м. Нижнее Изголовье, 3 – м. Арал – м. Хобой (Малое Море), 4 – п. Турка, 5 – Академический хребет, 6 – Посольская банка, 7 – м. Крестовский, 8 – прол. Ольхонские ворота.

Многолетние наблюдения за глубоководными факелами [18, 25, 26] позволили установить, что кольцевые структуры на льду расположены в основном достаточно далеко от газовых факелов. Только в одном случае – на Академическом хребте – газовый факел близок к положению кольцевой структуры на льду.

ОБСУЖДЕНИЕ

Спутниковые данные свидетельствуют о том, что круговые образования в пелагической части оз. Байкал наблюдаются как летом, так и зимой. Летом они проявляются как локальные участки понижения температуры диаметром до 6 км. Весной, когда озеро покрыто льдом, кольцевые структуры видны на космических снимках ледового покрова озера. Их радиусы близки к Ro [10, 11]. Зимой и летом круговые структуры связаны с генерацией течений. Различие состоит лишь в том, что вследствие вертикальной изменчивости температуры при обратной температурной стратификации генерируются антициклонические, а при прямой температурной стратификации (летом) – циклонические течения. При этом зимой происходит заглубление изотермических поверхностей в центре кольцевой структуры (рис. 5). Летом при апвеллинге глубина изотермических поверхностей в центре должна уменьшаться (рис. 3).

До 2009 г. имелась только спутниковая информация о кольцевых структурах на льду оз. Байкал. Первые экспериментальные исследования толщины льда, течений и вертикального распределения температуры выполнены в апреле 2009 г. на кольцевой структуре в западной части Южного Байкала. В результате экспедиционных исследований установлено, что возникновение структур связано с генерацией антициклонического кругового течения [7]. Это подтверждено исследованиями кольцевых структур у мысов Крестовского [10, 11] и Нижнее изголовье [34, 35] и в западной части Южного Байкала [39]. В зоне усиления течений происходит ускорение разрушения ледового покрова [20]. Экспериментальные данные и моделирование [10, 11] свидетельствуют о том, что генерация антициклонического течения может быть обусловлена локальным подъемом глубинных вод и проникновением их в приповерхностную зону озера [11].

Вопрос о происхождении этих структур достаточно активно обсуждается. Существуют разные объяснения формирования кольцевых структур [2, 4, 33–35, 39]. Обсуждение разных гипотез образования кольцевых структур приведено работе [11]. Кольцевые структуры на льду оз. Байкал с 2003 по 2020 г. появлялись 23 раза в восьми районах (рис. 6). Положение глубоководных газовых факелов [26] в основном не совпадает с кольцевыми структурами на льду. Летние локальные участки неоднородности поля температуры поверхности не всегда близки к кольцевым структурам на льду озера. Вихревые образования часто наблюдаются в морях [21, 22] и озерах [23, 32]. Их размеры иногда сопоставимы с Ro. Согласно данным, размеры кольцевых структур на льду Байкала близки к Ro [11].

В работах [10, 11] о кольцевых структурах на льду оз. Байкал авторы настоящей статьи рассматривают только структуры, появляющиеся на стадии разрушения ледового покрова (конец марта–апрель), когда последствия осенних ветровых течений незначительны [38]. В работах А.В. Кураева [34, 35] рассматриваются, кроме этого, кольцевые структуры, появляющиеся на льду при становлении ледового покрова. Эти структуры – динамического происхождения, но причиной их образования могут быть ветровые течения.

Подледные течения после затухания ветровых представляют собой классический случай реализации геострофического равновесия (“geostrophic adjustment”). При этом не всегда можно определить, что есть причина, а что – следствие приспособления: течение или апвеллинг/даунвеллинг. На стадии нарастания льда минерализация верхнего подледного слоя воды увеличивается вследствие вымораживания солей и остается повышенной до разрушения льда [9]. Если бы причиной образования кольцевых структур были течения, то не отмечалось бы понижения минерализации и повышения температуры в центре кольцевой структуры (рис. 5), как это следует из измерений [11]. В подледный период источником более теплой воды с пониженной минерализацией может быть только глубинная зона (>300 м). Поэтому авторы настоящей статьи считают, что первопричиной формирования ледовых колец в апреле служит подъем глубинных вод, приводящий к повышению температуры и заглублению изотерм в центральной части структуры [11], что способствует возникновению и поддержанию кругового течения. При этом повышение температуры поверхностного слоя подледной воды во внутренней части кольца не сказывается на толщине льда. Понижение температуры в центре в летний период свидетельствует о подъеме “холодных” глубинных вод.

Зимой в результате локального подъема происходит проникновение глубинных вод в приповерхностную зону. В результате имеет место заглубление термоклина и генерируется антициклоническое течение [11]. Летом в результате подъема глубинных вод температура поверхности понижается, наблюдается уменьшение температуры поверхности в центре и генерируется циклоническая циркуляция (рис. 1, 2). Образование кольцевых структур на поверхности льда и возникновение локальных понижений температуры поверхности в навигационный период связаны с апвеллингами – причиной изменений температуры поверхности. Причиной локальных апвеллингов в подледный и навигационный периоды могут быть уменьшение плотности придонной воды [27] или всплывание газовых гидратов, которое наблюдалось и зимой, и летом [24].

Согласно модели, в которой использованы измеренные в апреле скорости, время существования течений, необходимых для формирования неоднородностей толщины ледового покрова, составляет 25–35 сут [11]. Время уменьшается при увеличении начальной скорости течений. Для летних локальных неоднородностей температуры поверхности время их существования несколько суток. Это согласуется с различием времени затухания течений подо льдом – ~45 сут [38] и 36 ч летом [6] соответственно. Различие затухания течений связано также с тем, что скорость диссипации турбулентной энергии летом ((1–5) × 10^–8 м²/с³ [6]) значительно больше, чем зимой ((0.6–0.8) × × 10^–10 м²/с³), в глубинной зоне [38]. В подледной зоне скорость диссипации может снижаться до <10^–9 м²/с³ [31]. Аномальное время существования неоднородностей вертикального распределения температуры (>2 мес.) было отмечено в 2009 г. при полевых исследованиях кольцевой структуры в Западной части Южного Байкала [11]. Длительное существование антициклонической циркуляции можно объяснить неоднократной генерацией апвеллингов.

ВЫВОДЫ

Спутниковая информация свидетельствует о появлении кольцевых структур на льду оз. Байкал, а также локальных участков понижений температуры поверхности воды в навигационный период. Исследования подтверждают, что причина их появления – апвеллинги. Локальные апвеллинги вследствие извержений метана, распреснения или повышения температуры придонной воды, а также всплывания газовых гидратов могут быть причиной генерации круговых течений, способствующих уменьшению толщины ледового покрова в подледный и понижениям температуры поверхности в навигационный периоды.

Регистрация изменений температуры поверхности летом позволила предположить, что течения – следствие подъема вод. Зимние работы показали, что в районе кольцевых структур развивается антициклоническая циркуляция. Авторами установлено, что ее развитие связано с проникновением глубинных вод в приповерхностную зону. Это вызывает повышение температуры и понижение ионной составляющей минерализации верхнего слоя в центральной части кольцевой структуры. Кольцевые структуры на льду и круговые течения в навигационный период обусловлены локальными апвеллингами, которые могут быть следствием всплывания газовых гидратов или конвекции, обусловленной понижением плотности воды в придонной зоне. Все эти явления связаны с существованием газовых гидратов в толще донных отложений оз. Байкал.

Авторы благодарят Н.Ю. Могилёва и других сотрудников ИСЗФ СО РАН за подготовку и предоставление спутниковых данных.