Нелинейные внутренние волны на шельфе и вблизи поднятий дна океана

2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................................................4
Глава 1. ИНТЕНСИВНЫЕ ВНУТРЕННИЕ ВОЛНЫ В ОКЕАНЕ
(Обзор наблюдений вн>тренних волн максимальных амплитуд).. 12
Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА И СРЕДСТВА
ИССЛЕДОВАНИЯ ВНУТРЕННИХ ВОЛН............................22
2.1. Общая характеристика районов проведения экспериментов. Методы и приборы для исследований внутренних волн .... 22
2.2. Новые измерители внутренних волн на базе распределенных датчиков температуры: буксируемый измеритель температуры
и измеритель вертикальных смещений гермоклина.......35
2.3. Воздействие внутренних волн больших амплитуд на буксируемый гидродинамический заглубитель...............42
Глава 3. НАБЛЮДАЕМЫЕ СВОЙСТВА СОЛИТОНОВ И ДРУГИЕ ХАРАКТЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ НЕЛИНЕЙНОСТИ ВО ВНУТРЕННИХ ВОЛНАХ..............................................51
3.1. Расхождение параметров интенсивных внутренних волн с дисперсионной кривой линейных волн..................... 51
3.2. Асимметрия гребней и подошв внутренних волн.
(Вертикальная асимметрия внутренних волн)...........56
3.3. Асимметрия наклонов переднего и заднего фронтов внутренних волн. (Горизонтальная асимметрия
внутренних волн)....................................67
3.4. Эффект смены полярности амплитуд внутренних волн...84
3.5. Проявление свойств солитонов во внутренних волнах. Волны-предвестники......................................99
3.6. Разрушение нелинейных внутренних волн.............115
Глава 4. НЕЛИНЕЙНЫЕ ВНУТРЕННИЕ ВОЛНЫ НА ШЕЛЬФЕ 125
4.1. Внутренние волны на шельфе бесприливных морей: особенности и эффективные механизмы генерации......... 125
4.2. Сравнительный анализ спектров внутренних волн бесприливного и приливного морей.......................135
3
4.3. Воздействие внутренних волн на долгоживущую интрузию
(линзу) на шельфе...................................140
Глава 5. НЕЛИНЕЙНЫЕ ВНУТРЕННИЕ ВОЛНЫ У ПОДНЯТИЙ
ДНА ОТКРЫТОГО ОКЕАНА....................................153
5.1. Гидравлический скачок и генерация солитоноподобных внутренних волн вблизи подводного хребта................153
5.2. Генерация нелинейных внутренних волн на удалении от подводного хребта...................................... 165
5.3. Генерация внутренних волн у материкового склона (наблюдение внутренних волн, отраженных от материкового склона)................................... 179
5.4. Внутренние волны в горизонтально неоднородном море 187
5.5. Внутренние волны в топографическом вихре у подводной юры
и взаимодействие коротких внутренних волн с течениями.195
Глава 6. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ АКУСТИЧЕСКОЙ ОКЕАНОГРАФИИ
ВНУТРЕННИХ ВОЛН И ДИСТАНЦИОННЫЕ МЕТОДЫ В ИХ
ИССЛЕДОВАНИЯХ...........................................210
6.1. Новые данные о внутренних волнах по радарным наблюдениям морской поверхности.........................210
6.2. Исследование внутренних волн с помощью тональных акустических сигналов на экспериментальной стационарной трассе. Воздействие солитоноподобных внутренних волн на вариации амплитуды и фазы акустического сигнала на шельфе при различных гидрологических условиях (резкий
и слабый термоклин)...................................224
6.3. Исследование внутренних волн с помощью обратного поверхностного рассеяния звука морской поверхностью 240
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................249
ЛИТЕРАТУРА
252
4
ВВЕДЕНИЕ
Внутренние волны - главный фактор, ответственный за изменчивость поля скорости звука в океане во временных масштабах от нескольких минут до десятков часов и пространственных масштабах - от десятков метров до десятков километров, являются также основным источником вертикального перемешивания океана. Согласно современным представлениям (Munk, Wunsch, 1998; Polzin и др., 1997) сток приливной энергии в турбулентность происходит не по всей акватории Мирового океана, а в так называемых “горячих точках” (“hot spots”), районах, привязанных, как правило, к крупномасштабным поднятиям дна океана и материковому склону. В “горячих точках” происходит интенсивная передача энергии баротропного прилива во внутренние волны и турбулентность. Генерируемые в этих районах внутренние волны, отличаются большими высотами, достигающими величины 100 м и более. Как правило, эти волны оказываются нелинейными волнами, во многих случаях, давая повод, считать их солитонами. В связи с вышеуказанной особенной ролью этих волн интерес к их исследованиям повышенный.
Другой областью постоянного присутствия нелинейных внутренних волн является шельф. Специфические особенности шельфа (мелкая вода, близость термоклина к поверхности моря или ко дну, присутствие достаточно сильных сдвиговых течений и др.) делают эту область настоящим полигоном для разнообразных трансформаций нелинейных внутренних волн, которые могут служить, с одной стороны, хорошим иллюстративным приложением для теории нелинейных волн в диспергирующих средах, а с другой - быть стимулирующим фактором ее развития. Интенсификация поля внутренних волн на шельфе в основном связана с процессом распространения внутреннего прилива, генерирующего пакеты соли гоноподобных внутренних волн, кот орые в настоящее время оказались объектом пристального изучения акустической океанографии, вследствие их значительного (и до конца еще не изученного) воздействия на распространение звука в мелком морс.
Актуальность представляемой работы, основанной на натурных исследованиях внутренних волн, охватывающих почти двадцатилетний период, усиливается сегодняшним дефицитом данных о внутренних волнах, связанным с резким сокращением возможностей проведения исследований в океане.
5
Цель работы - изучение интенсивных внутренних волн в типичных областях
их генерации в океане, включающее:
исследование эффектов нелинейности во внутренних волнах шельфа; исследование внутренних волн на шельфе приливных и бесириливных морей и выявление основных механизмов их генерации;
- исследование внутренних волн и механизмов их генерации у поднятий дна океана - подводного хребта, материкового склона и подводной горы; исследование влияния внутренних волн на распространение звука на шельфе; методические исследования, касающиеся специфики измерений внутренних волн больших амплитуд, включающие разработку новых устройств и дистанционного (акустического) метода измерения внутренних волн.
В работе получены следующие новые результаты:
- разработаны и внедрены в практику морских исследований новые устройства для измерений внутренних волн на базе распределенных датчиков температуры - буксируемый измеритель температуры и измеритель вертикальных смещений термоклина - изобретения, защищенные авторскими свидетельствами;
по результатам анализа опубликованных в научной литературе достоверных данных о наблюдениях океанских внутренних волн определены случаи волн рекордных амплитуд и выделены характерные области присутствия внутренних волн больших амплитуд (перечислены в порядке убывания типичных наблюдаемых амплитуд): окрестности подводных океанских хребтов и областей резких поднятий дна океана, материковый склон, проливы, шельфовая зона;
- установлена связь вертикальных колебаний буксируемого заглуби геля гидродинамического типа, которые возникают при буксировке через большие внутренние волны, с амплитудами последних и дано объяснение этого эффекта;
обнаружена изменчивость горизонтальной асимметрии профиля внутренних волн-углублений (увеличение крутизны переднего или заднего фронтов) и установлена ее связь с приливными движениями;
- проведено тестирование свойств солитонов но данным наиболее точных измерений внутренних волн в натурных условиях, измеренных пространственной антенной распределенных датчиков, размещенных на
6
неподвижной платформе в море, и установлено приемлемое соответствие в совпадении свойств наблюдаемых внутренних волн со свойствами солитонов КдВ;
- получены экспериментальные доказательства обрушения солитоноподобной внутренней волны, движущейся по придонному термоклину в виде опрокидывания гребня волны вперед с образованием инверсии температуры, а также экспериментальные свидетельства обрушения внутренней волны на приповерхностном термоклине (волны-углубления) с опрокидыванием подошвы волны назад;
- в натурных наблюдениях зарегистрирован эффект смены полярности амплитуд внутренних воли;
- выявлены процессы, ответственные за генерацию интенсивных короткопериодных внутренних волн на шельфе бесприливного моря: подход фронтов сгонно-нагонного происхождения, длинные внутренние волны (внутренние инерционные колебания и сейши), движущиеся поверхностные интрузии распресненных прибрежных вод;
проведено сопоставление спектров внутренних волн, отражающих многообразие типичных режимов внутреннего волнения на шельфе бесприливного моря с аналогичными спектрами моря с приливами, в результате чего показана роль прилива как главного фактора формирующего внутриволновой климат в шельфовой зоне;
- проведены наблюдения прохождения цуга внутренних волн через интрузию теплых и соленых вод (предположительно линзу) в шельфовой зоне и выявлен кинематический эффект воздействия внутренних волн на интрузию, заключающийся в попеременных смещениях и сжатиях тела интрузии по вертикали;
- зарегистрировано распространение внутренних волн от материкового склона в открытый океан (измерения у материкового склона Камчатки);
получено экспериментальное подтверждение одновременного существования двух основных механизмов генерации интенсивных внутренних волн (солитонов внутренних волн), имеющих место у подводного океанского хребта;
7
- экспериментально показано, что при обтекании подводного препятствия (хребта) в открытом океане за ним образуется волновые возмущение в виде внутреннего г идравлического скачка второй моды;
- на основании измерений пространственных спектров коротких внутренних волн в океане и сопоставлении их с фоновым течением обнаружена специфическая черта фоновою поля внутренних волн, заключающаяся в подчёркивании встречной течению компоненты внутренних волн; получены уникальные свидетельства проявления на поверхности океана внутренних волн второй моды, а также радарные изображения поверхностных проявлений уединенных внутренних волн больших амплитуд при различных ветровых условиях (штиль, ветер умеренной силы);
- выявлены основные закономерности в вариациях амплитуды и фазы низкочастотного акустического сигнала при прохождении по трассе пакета солитонов внутренних волн при условиях резкого и слабого термоклина;
- в натурном эксперименте подтвержден новый акустический способ исследования внутренних воли с помощью обратного поверхностного рассеяние звука, позволяющий определять основные параметры внутренних волн, удаленных на расстоянии в несколько километров от точки наблюдения.
Положения и выводы диссертации основаны на обширном экспериментальном материале, собранном на протяжении более 20 лет в 15 экспедициях, тщательной обработке и анализе полученных данных. Достоверность полученных данных обусловлена применением адекватных и апробированных методов измерений, а также во многих случаях, одновременным применением нескольких независимых методик измерений. Многие из основных положений, изложенных в диссертации, как правило, были подтверждены многократными повторными натурными наблюдениями при различных условиях.
Практическая значимость работы подтверждается использованием ес результатов при выполнении ряда научно-исследовательских работ (обшим числом более десяти), проводившихся в Акустическом институте имени акад.
Н.Н.Андреева. Технические решения, отраженные в диссертации были внедрены и использовались в практике исследовании Акустического института. Некоторые результаты, представленные в диссертации включены в ряд монографий,
8
написанных различными авторами, и вышедших в центральных издательствах нашей страны.
Полученные данные могут быть использованы: в качестве экспериментального основания для дальнейшего развития теории нелинейных внутренних волн в диспергирующих средах; для построения модельного спектра внутренних волн на мелководье (аналога спектра Гарретта-Манка, но для шельфовой зоны); для решения проблемы воздействия внутренних волн на распространение звука в мелком море; при разработке программ акустической томографии океана; при проектировании и разработке гидроакустических систем и оптимизации их функционирования в условиях шельфовой зоны; для построения численных моделей бароклинных процессов в океане и интерпретации лабораторных экспериментов, а также,
- при проведении разведочных работ по поиску полезных ископаемых на шельфе;
- при планировании проведения подводных спасательных работ с помощью автономных обитаемых аппаратов.
Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 46 работах, включенных в список литературы, представленный в конце диссертации.
Изложенные в диссертации результаты докладывались на Третьем Съезде советских океанологов (Ленинград, 1987), на Всесоюзном совещании по проекту “Внутренние волны” (Севастополь, 1991), на 4-ой Международной школе “Методы гидрофизических исследований океана” (Светлогорск, 1992), на международной сессии “Мезо- и микроструктура океана измерения и модели процессов” (Санкт-Петербург, 1992), на 4- ом Международном симпозиуме по стратифицированным течениям (Гренобль, 1994), на 2-ой Международной конференции по взаимодействию океана и атмосферы, метеорологии и океанографии прибрежной зоны (Лиссабон, 1994), на Коллоквиуме КОСПАР “Космическое дистанционное зондирование субтропического океана” (Тайбей, 1995), на Международном симпозиуме “Океанские города 95” (Монако, 1995), на Соросовской международной конференции “Динамика атмосферы и океана” (Москва, 1995), на 21-ой Генеральной Ассамблее Международной ассоциации по физическим наукам об океане (Гонолулу, 1995), на 8-ом Международном симпозиуме но дистанционному акустическому зондированию атмосферы и океана (Москва. 1996), на Международной конференции “Гидрофизические процессы на шельфе”(Светлогорск, 1996), на Международной конференции
9
“Акустика мелкого моря” (Пекин, 1997), на Международном симпозиуме “ Бордомер 97” (Бордо, 1997), на 23-ей Генеральной Ассамблее Европейского Геофизического общества (Ницца, 1998), на 7-ой и 8-ой школе-семинаре академика Л.М. Брсхоьских “Акустика океана” (Москва, 1998, 2000), на Международной конференции “Океаны 98” (Ницца, 1998), на 22-ой Генеральной Ассамблее Международною союза по геодезии и геофизике (Бирмингем, 1999), на Американо-российском семинаре по экспериментальной акустике океана (Нижний Новгород, 1999), а также на Океанографическом семинаре в Универститетском Колледже Университета Нового Южного Уэльса (Канберра,
1994), на Семинаре по геофизической гидродинамике при комиссии РАН по проблемам Мирового океана (Москва, 1995), на семинаре научной школы проф. С.А. Рыбака “Нелинейные волны в неоднородных средах” я Акустическом институте (Москва, 1999).
Часть содержащихся в диссертации результатов получена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проекты 93-05-14010, 95-05-14857, 98-05-64804, 98-05- 64712.
Весь фактический материал на основании которого подг отовлена диссертация (кроме данных о внутренних волнах в Эгейском море) получен в результате многолетних натурных исследований автора, проведенных самостоятельно или в сотрудничестве с коллегами в экспедициях Акустического института и других организаций. При проведении внутриволновьгх экспериментов в океане (исследования в 37 рейсе нис “Дмитрий Менделеев” и 9 рейсе иис ’'Академик Николай Андреев”) автор участвовал в качестве начальника оэряда внутренних волн. Основные научные положения и выводы, вошедшие в диссертацию, получены автором. В работах, выполненных в соавторстве, имело место равноправное сотрудничество.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитированной литературы. В первой главе дается краткий обзор наблюдений внутренних волн больших амплитуд в океане. В обзор включены данные только тщательно документированных измерений. Глава заканчивается обобщающей таблицей, куда включены данные о случаях наблюдений волн наибольших амплитуд по всему Мировому океану и приведены измеренные параметры этих волн.
10
Вторая глава посвяшена описанию методических и инструментальных особенностей проведения натурных экспериментов по исследованию внутренних воли. Дается краткое описание методик измерений, применявшихся во внутриволновых экспериментах при измерениях на шельфе и в открытом океане. Описывается специфика измерений распределенными датчиками температуры (РДТ) и пространственными антеннами РДТ со стационарных платформ и с дрейфующего или буксирующего судна. Дастся сводка всех 15 экспериментов, в которых были получены данные, послужившие основой для написания диссертации. Приводятся описание двух новых измерителей внутренних волн, выполненных на базе распределенных датчиков температуры - буксируемого измерителя температуры и измерителя вертикальных смещений термоклина (ИВСТ). Рассмотрено воздействие больших внутренних волн на буксируемый заглубитель гидродинамического типа-эффект, возникающий при буксировке.
В третьей главе рассмотрены характерные эффекты нелинейности, наблюдаемые в интенсивных внутренних волнах, и связанные с ними явлениями. Сначала показывается, что часто отмечаемое отклонение измеренных параметров интенсивных внутренних воли от дисперсионной кривой вызвано нелинейностью внутренних волн. Рассматриваются нелинейные эффекты, проявляющиеся в характерных особенностях форм профилей внутренних волн: асимметрия гребней и подошв внутренних волн и асимметрия наклонов переднего и заднего фронтов волн. Приводятся данные о наблюдении эффекта смены полярности амплитуд у внутренних волн на шельфе. Анализируются свойства наблюдаемых волн и проводится их сопоставление с солитонам КдВ. Приводятся данные об обрушении внутренних волн.
Четвертая глава посвящена особенностям внутренних волн шельфовой зоны с точки зрения эффективно действующих механизмов генерации нелинейных внутренних волн, взаимодействия распространяющихся над шельфом внутренних волн с находящимися на их пути образованиями типа линз, а также сопоставления обобщенной информации о внутренних волнах, представленной в спектральной форме.
Пятая глава посвящена исследованиям механизмов генерации интенсивных внутренних волн у поднятий дна океана.
11
15 шестой главе представлены вопросы, касающиеся акустической океанографии внутренних волн, а также результаты исследований интенсивных внутренних с помощью судового радара по их поверхностным проявлениям.
В заключении диссертации приводятся сформулированные в краткой форме основные результаты диссертации.
Автор считает своим долгом поблагодарить всех, кто способствовал выполнению работ, обобщение которых представлено в данной диссертации. Диссертационная работа была выполнена в отделе N 3 (отдел акустики океана) Акустического института. Общее направление исследований, связанное с изучением внутренних волн экспериментальными методами, для автора, поступившею молодым специалистом на работу' в отдел N 3, было определено руководителем отдела акад. Л.М.Ьреховских и проф. К.Д. Сабининым.
К.Д. Сабинин и К.В. Коняев оказали определяющее влияние на формирование океанологического мировоззрения автора. В.А. Иванов оказывал всестороннюю поддержку в освоении экспериментальных исследований в море и в организации натурных наблюдений. Совместно с ним было проведено большое количество натурных экспериментов со стационарных платформ в шельфовых зонах морей. Сотрудники океанологического сектора Акустического института А.И. Рафаенко
A.И. Клевков | , [В.В. Сысоев) , О.Г. Крысанов , А.А. Назаров, B.C. Разуваев,
B.Я.Толкачев, М.Г.Смирнов, Е.Н. Одинцов, В.И. Овчинников помогали автору
при подготовке и проведении морских и океанских измерений, !Г.И. Меринова1 -при обработке данных на компьютере.
Автор благодарен за плодотворное сотрудничество всем своим соавторам: К.Д. Сабинину, К.В. Коняеву, В.А. Иванову, A.A. Назарову, В.А. Журавлеву, А.И.Белову, Н.Н.Галыбину, Е.А. Леонтьевой, A.B. Фурдуеву, Г.И. Шапиро, А.П.Лисицыну, В.] I. Шевченко, ГОолитовой Н.В., Акивнс Т.М.
12
Глава 1. ИНТЕНСИВНЫЕ ВНУТРЕННИЕ ВОЛНЫ В ОКЕАНЕ (Обзор наблюдений внутренних волн максимальных амплитуд).
Журнал “Physics Today” (1998), отмечая свое пятидесятилетие, представил ретроспективу собственных публикаций, среди которых выделил сообщения о наиболее интересных явлениях в физике за последние полвека. Среди отмеченных журналом событий десятилетия с 1978 по 1988 г.г.- сообщение о снимках поверхности Андаманского моря, сделанных из космоса, на которых были хорошо видны специфические системы полос протяженностью более 100 километров, и которые, как писал журнал, “интересны с точки зрения связи океанографии с квантовой теорией поля". Действительно, анализ подспутниковых измерений флуктуаций температуры и течений, проведенный Осборном и Берчем (Osborne, Burch, 1980) и их сопоставление с параметрами солитоиов, описываемых решением уравнения Кортевега - де Вриза, привело авторов к заключению о том, что наблюдавшиеся внутренние волны и проявившиеся столь ярко на поверхности Андаманского моря - есть солитоны внутренних волн. Эта работа привлекла внимание многих океанологов и дала дополнительный голчок волновым исследованиям в океане.
В 1981 году экспедиция АН СССР на судне “Дмитрии Менделеев” направилась для изучения внугренних волн в Андаманское море, однако из-за запрета работать в экономической зоне Индии, была вынуждена изменить свой план и последовала в другой район Индийского океана - к Маскаренскому хребту. Там были встречены огромные (почти 100-метровой высоты) внутренние волны, нс менее впечатляющие, чем волны Андаманского моря. Таким образом, экспедиция “Дмитрия Менделеева” открыла еще один район больших внутренних волн в океане. В этой экспедиции был проведен многосторонний комплекс исследований внутренних волн больших амплитуд, в том числе с применением различных методик дистанционного зондирования. Данную экспедицию можно считать первым опытом в отечественной океанологии изучения внутренних солигонов в океане. Несколько лет спустя волны, аналогичные волнам, обнаруженным в Андаманском морс и у Маскарснского хребта были открыты и детально исследованы американскими учеными в море Сулу (Apel et al, 1985).
Вышеназванные работы положили начало новому этапу в исследовании внутренних волн в океане, когда экспериментаторы-океанологи стали понимать,
13
что к внутренним волнам надо подходить не как к ансамблю случайных колебаний, а как к детерминированным образованиям, связанным с определенными источниками генерации и обладающими хорошо выраженными свойствами направленности распространения, способностью сохранять свою форму в течение длительного времени и др.
К настоящему времени накоплен большой материал о наблюдениях внутренних волн больших амплитуд в различных точках Мирового океана и опубликованы интересные и весьма содержательные обзоры по внутренним волнам в океане (Островский, Степанянц, 1989; Huthnance. 1989; Apel и др. 1998, Baines, 1985). Мы в данной главе постараемся сделать краткий обзор внутренних волн больших амплитуд со специальной точки зрения, которая не ставилась авторами вышеуказанных обзоров. Мы ставим задачу выделить случаи наблюдения волн рекордных амплитуд в океане, а также районы, где таковые волны наблюдаются.
Хорошо известно, что поверхностные (ветровые) волны рекордных амплитуд наблюдаются в Агульясовом течении, у юго-восточного побережья Африки. Эти впечатляющие явления природы, возникающие из-за особых условий, когда ветровые волны распространяются навстречу мощному течению, приобретают большую крутизну фронта и повышенную высоту, получили название “воли-убийц” из-за опасности, которую они представляют для находящихся в этом районе судов. Что касается аналогичного вопроса о внутренних волнах, где же район волн наибольших амплитуд и какие для внутренних волн рекордные амплитуды- то здесь мы не имеем определенного ответа. Автором была предпринята попытка собрать реальные данные о внутренних волнах больших амплитуд, наблюдавшихся в различных регионах Мирового океана (Serebryany,
1995) и провести их сравнительный анализ. Здесь, мы кратко изложим результаты этой работы, дополнив ее данными, опубликованными за последние несколько лет. Для анализа нами использовались данные только тщательно документированных наблюдений внутренних волн, опубликованных в литературе.
Внутренние волны больших амплитуд (к таковым мы относим волны высотой от нескольких десятков метров и более) встречаются на шельфе, в проливах, вблизи подводных поднятий и хребтов в открытом океане, у материкового склона. Известно, что баротропное течение, сталкивающееся с материковым склоном, генерирует внутренние приливные волны, движущиеся над шельфом в сторону
14
берега, а также волны, отраженные от склона и распространяющиеся в противоположном направлении - в открытое море. В результате нелинейных трансформаций длинных внутренних волн (приливных) происходит генерация интенсивных солитоноподобных внутренних волн.
Волны больших амплитуд регистрировались на шельфе І Іовой Шотландии, Канада (Sandstrom, Elliott, 1984), в Кельтском морс (Pigree ct al., 1985), на шельфе Малин в северо -западной Атлантике (Small et al., 1999), на шельфе Португалии (Da Silva ct al., 1998), на северо-западном шельфе Австралии (Holloway, 1987).
Впечатляющие процессы наката огромных внутренних волн происходят на северо-западном шельфе Австралии (Holloway, 1987). На рис. 1.1 приведен 1.5-суточный фрагмент записи скорости гечения в придонном слое (нормальной составляющей по отношению к береговой черте), измеренной на северо-западном шельфе Австралии. Отчетливо видны гри полусуточные волны внутренних приливов, движущихся со стороны открытого океана к берегу. Все три волны похожи друг на друга и имеют характерную ступенеобразную форму передних фронтов. Практически, внутренние приливные волны выродились в боры с высотой ступени до 45 м. Размах величин скорости орбитальных течений в данном примере достигает 1.1 м/с. Интересная особенность связана с образованием на переднем фронте бора солитоноподобных внутренних волн высотой до 40 метров. Приводя данный пример мы хотим подчеркнуть, что волны столь значительных высот распространяются в относительно мелком океане (глубина в месте измерений около 100 м). Детальные исследования внутренних волн на с-з шельфе Австралии выявляют большое разнообразие трансформаций. которым подвержены внутренние приливы, выходящие на шельф, а также регулярность появления волн значительных амплитуд (Holloway et al, 1996, 1999; Serebryany, Holloway, 1995).
К другой категории волн больших амплитуд можно отнести волны, возникающие у подводных возвышенностей в океане, а также у материковою склона. Механизм образования этих волн связан с отражением энергии баротропного прилива, натыкающегося на подводный хребет или материковый склон. Отраженные от материкового склона волны наблюдались r Бискайском заливе (New, Pingree. 1990), а также в Тихом океане у Камчатки (Серебряный, 2000).
15
Рис. 1.1. Огромные внутренние волны на северо-западном шельфе Австралии, движущиеся на берег с полусуточной периодичностью, подвержены сильной нелинейности (данные П. Холловея). Размах колебаний горизонтальных течений превышает 1 м/с. Высоты этих волн достигают 45 м при глубине места 120 м.
16
Наибольшие амплитуды волн ( до 80 - 100 м) отмечены у внутренних волн, обнаруженных у подводных хребтов в открытом океане и у резких подводных поднятий. Такого типа волны наблюдались в море Суду (Apel et al., 1985), в Андаманском море (Osborne, Burch, 1980), в Гвианском бассейне тропической Атлантики (Кузнецов и др., 1985), в Индийском океане у Сейшелл (Сабинин и др., 1987) и у Маскаренского хребта (Коняев и др., 1995).
На рис.1.2 показана эхолотная запись на которой видно смещение звукорассеивающих слоев, вызванное гигантской внутренней волной 113-метровой высоты, зарегистрированной в Индийском океане вблизи Сейшельских островов (Сабинин и др., 1987). Это одна из самых больших внутренних воли, зарегистрированных в океане.
Друг ой пример гигантской внутренней волны, также измеренной в Индийском океане, но уже у Маскаренского хребта показан на рис. 5.2.5 в главе 5 диссертации (Konyacv ct al., 1995). Наблюдение этой 90-метровой волны производилось во время штилевой погоды, что позволило отметить интересную особенность в траектории дрейфа судна, связанную с воздействием на него орбитальных течений этой большой внутренней волны. За 2.5 часа до подхода волны судно дрейфовало на север с очень небольшой скоростью. Затем судно стало сносить в северо-западном направлении со скоростью 0.5 м/с (как потом выяснилось, прямо навстречу подходящей волне). Около 17 ч волна прошла под судном, и направление дрейфа резко изменилось - судно стало сносить в противоположном направлении, а именно судно стало двигаться вдогонку за волной. Это движение сохранялось на протяжении почти 2 часов, после чего направление дрейфа снова восстановилось на северное. Таким образом, орбитальные течения огромной уединенной внутренней волны воздействовали на судно в течение 4 часов и “вынудили" его совершить траекторию в виде незамкнутой сплющенной петли размером в 3.5 км, вытянутую в направлении распространения волны. Прохождение этой внутренней волны сопровождалось движущейся по поверхности океана широкой полосой хаотичного поверхностного волнения (принятого называть поморским термином “сулой”), которая отображалась на судовом локаторе (см. рис.1.3).
Внутренние волны больших амплитуд также отмечаются в проливах. Наибольшее число сообщений о больших волнах имеется по Гибралтарскому и Мессинскому проливам (Zigcnbcin, 1969; Anni, Farmer, 1988; Watson, 1994,
22 00 Я OQ 00 00
0804.S5 09.04.85
Рис. 1.2. Одна из самых больших внутренних волн (высотой 113 м), зарегистрированных в океане (измерения Сабинина К.Д., Назарова A.A. и Серикова Л.Н. в Индийском океане, вблизи Сейшелл (Сабинин и др., 1987)). Запись сделана судовым эхолотом.
18
Richez,1994; Bryden, King, 1999; Nicolo et al, 1991, и др.). В проливах приливное течение возбуждает внутренние волны, причем их усиление происходит в сизигию. В целом, Мессинский пролив отличается менее интенсивными внутренними волнами но сравнению с Гибралтарским, что можно объяснить их развитием в замкнутом Средиземном море, где приливы не столь сильны как на побережье Атлантики. Недавние измерения с океанской стороны Гибралтарского пролива (Bryden, King, 1999) выявили волну рекордной высоты в 120 м, которую наряду с волной, зарегистрированной у Сейшелл (Сабинин и др., 1987), можно считать абсолютным рекордсменом.
Данные о высотах внутренних волн больших амплитуд, примеры которых мы рассмотрели, а также о других измеренных в различных регионах Мирового океана и опубликованных в научной литературе собраны в таблицу, а также нанесены на карту Мирового океана (рис. 1.3). Из таблицы следует, что внутренние волны больших амплитуд встречаются во всех океанах, кроме Северного Ледовитого. Волны наибольших высот встречаются чаще у подводных поднятий открытого океана в тропической зоне. Наиболее богат большими внутренними волнами Индийский океан. Высоты волн для случаев, отображенных в таблице лежат в пределах 25-120 м. Орбитальные скорости на поверхности - 1.1-1.6 м/с, фазовые скорости - 1.1 -3.0 м/с (в таблице не показаны). По результатам проведенного анализа обнаружены три самые высокие внутренние волны, измеренные в океане: это уединенные волны - у Гибралтара (высота 120 м,Bryden, King, 1999), у Сейшелл (высота 113 м, Сабииим и др. 1987) и у Маскаренского хребта (Коняев и др., 1995).
Что касается внутренних волн полярных широт - информация о них недостаточна и только в последние годы произошла активизация их исследований. Кроме того, распространение внутренних волн в Арктике имеет свои особенности в связи с наличием ледовою покрова и тем, что здесь большие акватории расположены за так называемой “критической” широтой, где невозможно существование свободных приливных внутренних волн. Наши собственные измерения, проведенные в прибрежной зоне Баренцева моря, выявили пакеты интенсивных солитоноподобных внутренних волн с максимальными высотами до 15 м (Belov et al, 1996).
В целом точки наблюдения волн максимальных амплитуд, как и следовало ожидать, оказались лежащими в районах океана, называемых “горячими точками”
19
Таблица. Районы Мирового океана, где наблюдались внутренние волны больших амплитуд, и зарегистрированные высоты наибольших волн.
N Район Авторы, год публикации Высота, M
1 Бискайский залив New, Pingrec 1990.1992 80
2 Гибралтар Bryden, King. 1999 120
3 Атлантический океан, Г вианский бассейн Кузнецов, Парамонов. Степанянц, 1984 85
4 Шельф Малин, Атлантический океан Small et al, 1999 49
5 Мессинский пролив. Средиземное море Nicolo, Salusti, 1991 38
6 Шельф Португалии, Атлантический океан Da Silva et al, 199 40
7 11 Іедьф Новой 11 Іотландии, Атлантический океан Sandstrom, Eliott, 1985 40
8 Шельф Гвинеи. Атлантический океан Горячкин, Иванов. Пелиновский, 1992 30
9 Андаманское море Osborne, Burch, 1980 60
10 С-3 шельф Австралии, Индийский океан Holloway, 1987 45
11 Маскаренский хребет, Индийский океан Konyaev, Sabinin, Serebryany, 1995 90
12 Сейшельский архипелаг, Индийский океан Сабинин, Сериков, Назаров. 1987 113
13 Калифорнийский шельф, Тихий океан Howell, Brown 1985 29
14 Шельф Орегона,Тихий океан Stanton, Ostrovsky 1998 25
15 Море Сулу Apel et al, 1985 85
16 Экваториальная часть Тихого океана Pinkel et al, 1997 60
20
Рис. 1.3. Местоположения точек наблюдений внутренних волн максимальных
амплитуд в океане.
21
(hot spots) (Munk, Wunsch, 1998, Polzin et al., 1997), а также совпали с местами, где бароклинные приливы испытывают значительную интенсификацию (Morozov, 1995).
22
Глава 2. МЕТОДИКА И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ ВНУТРЕННИХ ВОЛН
2.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОВЕДЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ: РАЙОНЫ, ПРИМЕНЯВШИЕСЯ МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
ВНУТРЕННИХ ВОЛН
Диссертация написана на основании данных, полученных в 15 натурных экспериментах, посвященных исследованиям внутренних волн, в 14 из которых, автор или проводил самостоятельные измерения или принимал участие в совместных измерениях с коллегами. В основе всех проведенных натурных наблюдений была единая методика измерений внутренних волн, основанная на применении распределенных датчиков температуры (Коняев, Сабинин. 1973, Коняев, 1981, Сабинин , 1978), что позволяет сопоставлять данные полученные в различных морях и районах океана, в различных гидрометеорологических режимах, при разной топографии дна и т.д. Это обстоятельство позволяет рассматривать серию из экспериментов, проведенных на протяжении почти двадцати лет как один длительный уникальный эксперимент в течение которою удалось исследовать внутренние волны в большом многообразии их проявлений, охватить различные источники их генерации, проследить за распространением волн в разных фоновых условиях, наблюдать разнообразие разрушения волн и др.
Информация о проведенных экспериментах и использовавшихся в них средствах измерения приведена в таблице 2.1. Все эксперименты можно условно разбить на две части в соответствии с применявшимся носителем средств измерений. Большая часть измерений проводилась с исследовательских судов различного тоннажа (от малых 250 т до крупных 7500 т и 10 ООО т). В этих экспериментах были реализованы измерения буксируемым распределенным датчиком температуры (РДТ) или измерителем на базе РДТ, измерения в дрейфе пространственной антенной или одиночным датчиком РДТ. Также проводились измерения с заякоренного судна. К этой категории экспериментов относятся все измерения в океанических рейсах, исследования на тихоокеанском шельфе Камчатки, в Баренцевом море, большая часть исследований в Японском море.
23
Таблица 1.1. Данные об экспериментах по исследованию внутренних волн, и применявшихся в них измерительных средствах.
№ п/п Дата (год,месяц), продолжите льность наблюдении Место измерений Средства измерений
1 1977, июль-август Каспийское море, платформа на шельфе. Глубина 40 м. На удалении 20 км от берега Пространственная антенна из 7 РДТ, батитермограф, измерители течений на 2 горизонтах
2 1978, июнь-июль Каспийское морс, платформа на шельфе. То же, что в 1977 г Пространственная антенна из 6 РДТ, батитермограф
3 1979, июль Черное море. 1. Платформа на с-з шельфе (Голицина). Глубина 30 м. На удалении 60 км от берега. 2. НИС “Айтодор”. Глубоководная часть моря, Основной черноморский поток. Пространственная антенна из 12 РДТ, батитермограф, стандартные станции (батометры), измерители течений на 2 горизонтах
4 1981, июнь-июль июль-сентябрь Черное море, платформа МГИ Кацивели, Южный берег Крыма. Глубина 30 м. На удалении 600 м от берега. Пространственная антенна из 4 РДТ, Батитермограф, зонд ИСТОК-4, измерители течений ДИСК.
5 1982, сентябрь Японское море, м. 1 Цульца, прибрежная зона. Глубина 30 м. На удалении 200 м от крутого берега. Пространственная ан генна из 3 РДТ на заякоренных притопленных буях, разовое измерение зондом ИСТОК, 11а одном из буев -измеритель вертикальных смещений термоклина (ИВСТ).
6 1983, июль-август Японское море, шельф (от прибрежной зоны до материкового склона) около п-ва Гамова и м. Шульца, прибрежная зона НИС “Борей” Буксировки РДТ по разрезу поперек шельфа, 2 РДТ на заякоренных притопленных буях в прибрежной зоне, батитермограф
24
№ п/п Дата (гол,месяц), продолжите ль-ность наблюдений Место измерений Средства измерений
7 1984, август-сентябрь Японское море, шельф. НИС “Борей” Буксировки ИВСТ и РДТ по разрезам поперек шельфа в 2 районах,измерения с заякоренного судна. CTD-зонд (зонд ВНИИФТРИ ЗКС-З). Г идрологические съемки по разрезам с помощью зонда.
8 1986, март-апрель Тихий океан. Калифорнийское течение, 37 рейс НИС “Дмитрий Менделеев” Пространственная антенна из 3 РДТ с дрейфующего судна, измерения повторными вертикальными зондированиями (CTD-зонд), буксировка РДТ по разрезу, Измерения в дрейфе ступенчатым РД Г.
9 1988 август Тихий океан, шельф Камчатки, нис “Плутон” Измерения с заякоренного судна с помощью ИВСТ, зонд ЗКС-З, гирлянда из трех измерителей течений (АЦИИТ) на разных горизонтах; буксировка РДТ по разрезу.
10 1989 сентябрь Тихий океан, шельф Камчатки, нис “Плутон” Измерения ИВСТ и зондом ЗКС-З на горизонте, вертикальные зондирования.
11 1990, июль-август Тихий океан, шельф Камчатки, нис “Импульс” Измерения буксируемым РДТ, измерения пространственной антенной РДТ в дрейфе, а также с заякоренного судна. Зондирования ЗКС-З и зондом Катран. “Уо-уо”зондирования.
12 1990 ноябрь- декабрь Индийский океан, Маскаренский хребет, нис “Академик Николай Андреев”, 9-рейс Буксируемые РДТ, градиентно-распределенный датчик температуры, измерение РДТ и ступенчатым РДТ в дрейфе, “уо-уо” зондирования минизондом МГИ и зондом ИСТОК-6, использование судового локатора, лага.
13 1992 сентябрь Баренцево море. оис “Борис Давыдов”, прибрежная зона. Измерения с заякоренного судна пространственной антенной из 3 РДТ, гидрологические станции