ОКЕАНОЛОГИЯ, 2004, том 44, № 6, с. 805-810
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465
ИНТЕНСИВНЫЕ ВНУТРЕННИЕ ВОЛНЫ В МИРОВОМ ОКЕАНЕ
© 2004 г. К. Д. Сабинин, Ä. Н. Серебряный, Ä. Ä. Назаров
Государственный научный центр Российской Федерации "Акустический институт им. академика Н.Н. Андреева", Москва Поступила в редакцию 17.12.2003 г., после доработки 22.03.2004 г.
Интенсивные внутренние волны (ИВВ), т.е. волны с большой высотой (более 10 м) и значительной нелинейностью (с отношением орбитальной скорости к фазовой более 0.1) играют важную роль в изменчивости океанографических полей и перемешивании вод устойчиво стратифицированного океана. Рассматриваются основные причины появления ИВВ в океане и районы, где они наблюдаются. Показывается, что помимо хорошо изученных цугов внутренних солитоноподобных волн, образующихся вблизи крупных неоднородностей подводного рельефа (на материковых окраинах океанов и у подводных хребтов) вследствие нелинейной эволюции внутренних приливов и гидравлических прыжков, значительной амплитудой и нелинейностью обладают и волны открытого океана, встречающиеся во фронтальных зонах. Приводится таблица, содержащая сведения об имеющихся наблюдениях ИВВ в Мировом океане.
В главном термоклине океана практически всегда и везде существуют внутренние волны, спектр которых удовлетворительно описывается моделью Гарретта-Манка [25]. Эти постоянно присутствующие в толще вод океана волны, обязанные своим происхождением множеству факторов (атмосферные процессы, течения, поверхностные волны и т.п.), естественно называть фоновыми. Поле ВВ в верхнем термоклине и вблизи крупных неровностей дна океана отличается от фонового по многим причинам, главной из которых является близость к таким мощным источникам волн, как взаимодействующие с неровностями дна приливы, нестабильные океанские фронты и атмосферные воздействия. В отличие от абиссали, ВВ здесь находятся в "ближнем поле" и отличаются большими амплитудами, нелинейностью, нестационарностью, неоднородностью и анизотропией.
Волны с большими амплитудами сильно искажают океанографические поля, а нелинейность волн приводит к их быстрому разрушению, что способствует перемешиванию устойчиво стратифицированных вод. Будем называть волны с большими амплитудами (высотой более 10 м) и значительной нелинейностью (с отношением орбитальной скорости к фазовой более 0.1) интенсивными внутренними волнами (ИВВ), имея в виду их одинаково важную роль, как в пространственно-временной изменчивости морской среды, так и в ее перемешивании. (Отметим, что волны большой высоты необязательно являются нелинейными, и наоборот.)
ИВВ часто встречаются на материковых окраинах океанов, где над материковыми склонами и краем шельфа генерируются внутренние прили-
вы, подверженные нелинейному распаду на цуги солитоноподобных волн. Подобные волны и даже с большими амплитудами, однако, встречаются и в открытом океане, причем существует некоторая локализация возникновения ИВВ - они появляются регулярно или спорадически и не только в местах крупных неоднородностей донного рельефа. Характерной особенностью ИВВ являются сопровождающие их поверхностные проявления в виде перемежающихся полос усиленного, хаотичного (сулои) и ослабленного (сли-ки) поверхностного волнения. Сликовые и сулой-ные полосы создаются в областях дивергенции и конвергенции, сопровождающих внутренние волны сильных орбитальных течений. Эти поверхностные проявления ИВВ дают возможность наблюдать внутренние волны из космоса с помощью дистанционных методов [28].
Остановимся вкратце на наиболее распространенных причинах и районах появления ИВВ. Особую роль в их генерации играет нелинейная эволюция внутренних приливов и запрепятственных гидравлических прыжков, распадающихся на пакеты солитоноподобных внутренних волн. Эти пакеты в зависимости от начальных условий принимают форму цугов солитонов (наиболее часто наблюдаемый случай, представляющий собой совокупность ранжированных по высоте солитонов, замыкающуюся более или менее длинным "хвостом" из линейных волн), или солиборов (цуг волн, высота и длина которых уменьшается с удалением от головного "бороподобного" скачка [20]). Эти волны относительно хорошо изучены на океанских шельфах, где их амплитуда, в первом приближении, пропорциональна амплитуде генерируемых над краем шельфа внутренних
Глубина, м
22.00 23.00 00.00 Время, ч
08.04.85 09.04.85
Рис. 1. Колебания звукорассеивающих слоев под воздействием огромных внутренних солитонов вблизи Сейшельских островов (эхолотная запись, полученная с дрейфующего НИС "Академик Виноградов" 89 апреля 1985 г.).
Время 11.02.1981 г. Маскаренский район 0220 0230 0240 0250 0300 0310 0320 0330 0340
Рис. 2. Колебания изолиний скорости звука (м/с) при прохождении цуга ИВВ вблизи Маскаренского хребта (изолинии построены по данным частых СГО-зон-дирований термоклина с дрейфующего НИС "Дмитрий Менделеев" 11 февраля 1981 г.).
приливов и поэтому может быть оценена по результатам моделирования последних [21, 31].
Менее известны ИВВ открытого океана, происхождение которых может быть связано не только с внутренними приливами. Наиболее очевидными причинами появления ИВВ над большими глубинами вблизи материковых окраин океанов является нелинейная эволюция внутренних приливов, излученных от края шельфа в открытый океан. Ярким примером нелинейного распада внутреннего прилива на цуги солитоноподобных волн над большими глубинами являются гигантские (с высотами более 80 м) волны, неоднократно наблюдавшиеся на значительных расстояниях к северо-востоку от края амазонского шельфа [9]. Нелинейная эволюция внутреннего прилива усиливается здесь из-за уменьшающейся по мере удаления от шельфа глубины пикноклина, наклон которого вызван Гвианским течением.
Иной механизм появления ИВВ над большими глубинами наблюдался в Бискайском заливе [33] и вблизи Маскаренского хребта [29], где цуги солитоноподобных волн появлялись и в зоне вторичного выхода лучей внутреннего прилива после их отражения от дна океана. Если при этом в
месте отражения глубина уменьшается в направлении распространения внутреннего прилива, то вертикальное волновое число и амплитуда волн после отражения увеличиваются [8], т.е. увеличивается степень нелинейности и вероятность распада волн на цуг солитонов. Именно этим, по-видимому, объясняется широкое распространение солитоноподобных волн над большими глубинами у тихоокеанского материкового склона Камчатки [17, 30], где возникающие на крутых склонах Курило-Камчатской впадины внутренние приливы усиливаются при отражении над наклонным дном.
Вблизи поднятий дна открытого океана возможно и образование запрепятственных внутренних гидравлических прыжков, эволюционирующих в цуги волн огромной высоты. Такие процессы наблюдались, в частности, над Маскаренским хребтом [13, 29] и вблизи Сейшельских островов, где были зарегистрированы волны рекордных для открытого океана амплитуд [12]. На рис. 1 показана эхолотная запись колебаний звукорассеивающих слоев в акватории Сейшельских островов при прохождении "рекордного" солитона с амплитудой до 113 м.
В окрестностях Маскарено-Сейшельского поднятия встречаются и цуги высоких (более 10 м) квазипериодических волн, параметры которых близки к дисперсионному соотношению линейных волн низшей моды, но происхождение которых, по-видимому, также связано с нелинейной эволюцией внутренних гидравлических прыжков. (Измерения пространственно-временных параметров волн производились с помощью дрейфующей антенны из 3-х распределенных датчиков температуры. Два распределенных датчика опускались в термоклин с носа и кормы дрейфующего судна, а третий отводился на ветер с помощью буя, соединенного с судном кабель-тросом. Движение образованной таким образом системы разнесенных на 100-300 м в горизонтальной плоскости датчиков относительно воды контролировалось гирляндой из нескольких измерителей течений БПВ-2.) Возможно, что эти цуги относятся к линейным "хвостам" цугов солитонов или солиборов. Запись одного из таких цугов большой высоты приведена на рис. 2.
Помимо рассмотренных случаев, так или иначе связанных с приливными течениями, в океане встречаются ИВВ другого, пока еще не совсем ясного происхождения. Ярким примером таких волн являются волны, встречающиеся в зоне конвергенции Канарского и Северо-Пассатного течений. Остановимся на этом примере ИВВ открытого океана подробнее. На рис. 3 показан фрагмент записи колебаний изотерм на галсе буксировки термотрала, выполненной НИС "Сергей Вавилов" в 1967 г. в котловине Зеленого мыса в районе с координатами около 10° с.ш. и 31° з.д. Отчетливо выделяются несколько уединенных провалов термоклина с амплитудами до 20 м, напоминающих внутренние солитоны. В 1984 г. в этом же районе с помощью дрейфующей антенны из 4-х распределенных датчиков температуры были выполнены измерения пространственно-временных параметров волн, результаты которых показаны на рис. 4. На этом рисунке в виде точек на плоскости волновое
число к-частота f приведены измеренные таким образом параметры волн в цугах, зарегистрированных в течение двухсуточного эксперимента. Направление волн в цугах показано стрелками, ориентированными таким образом, что ось ординат указывает на север, а ось абсцисс - на восток. Заметно преобладание волн одного направления - на северо-восток. Большинство к, f-точек волн было расположено выше дисперсионной кривой низшей моды, которая, как и кривые других мод, была рассчитана по профилю частоты плавучести, измеренному в ходе эксперимента. Более того, точки группировались вокруг прямой, соответствующей фазовой скорости низкочастотных волн. Такое необъяснимое в рамках теории линейных волн отклонение параметров наблюдавшихся волн от расчетных становится понятным, если предположить солитонный характер зарегистрированных колебаний. В самом деле, скорость солитонов определяется, главным образом, скоростью породивших их длинноволновых образований и поэтому не зависит от частоты следования солитонов в цугах. (Последняя, собственно, и не является частотой волн в строгом значении этого понятия, а характеризует лишь "возраст" цу
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.