научная статья по теме О СТРУКТУРНЫХ ОСОБЕННОСТЯХ ИНТРУЗИЙ НА ОКЕАНСКИХ ФРОНТАХ Геофизика

Текст научной статьи на тему «О СТРУКТУРНЫХ ОСОБЕННОСТЯХ ИНТРУЗИЙ НА ОКЕАНСКИХ ФРОНТАХ»

УДК 551,465.41

О структурных особенностях интрузий на океанских фронтах

Н. П. Кузьмина*

Представлены разные формы интрузионного расслоения, наблюдающегося на океанских фронтах. Описаны особенности вертикальной структуры интрузий, типичные механизмы их генерации и структурообразующие процессы. На основе компиляции натурных данных и теоретических результатов построена схема форм интрузий и механизмов генерации, охватывающая достаточно широкий спектр океанских движений в масштабах тонкоструктурного расслоения.

Из наблюдений известно [14, 15], что океанские фронты характеризуются интенсивно развитой термохалинной интрузионной структурой, причем толщина интрузионных слоев чаще всего колеблется от 10 до 40 м, а в крупномасштабных климатических фронтальных зонах интрузионные слои могут достигать толщины 100—250 м. Вертикальные профили температуры, солености и плотности, полученные с помощью прецизионных зондирующих приборов (например, зондов Нила — Брауна), позволяют идентифицировать и мелкие интрузии толщиной 1—5 м, которые могут развиваться на фоне более крупномасштабного вертикального расслоения. Однако не только вертикальные масштабы интрузий испытывают столь значительные вариации, формы вертикальной структуры интрузионных слоев также могут иметь значительные различия. Естественно это связывать не только с изменчивостью средних термохалинных полей, но и с многообразием механизмов генерации интрузионной структуры на океанских фронтах.

Поиск и выявление определенного соответствия между механизмами генерации интрузий и особенностями вертикальной структуры расслоения представляются полезными не только для понимания физики явления — тонкая структура, — но и для получения адекватных оценок обмена и перемешивания в зонах фронтов.

Здесь предпринята попытка проанализировать особенности вертикальной структуры интрузий и ее связь с механизмами генерации, опираясь на теоретические и экспериментальные результаты, полученные в последнее время. Для этого описаны типичные механизмы расслоения, причем особое внимание уделяется термохалинной неустойчивости или так называемому интерливингу (interleaving — переслоенность), обусловленному двойной диффузией [21, 24, 26—28]. Несмотря на то, что данная неустой-

* Институт океанологии им. П. П. Ширшова Российской академии наук.

чивость является одним из основных механизмов тонкоструктурного расслоения в океане, она, к сожалению, должным образом не освещается ни в одной отечественной монографии о фронтах и тонкой структуре.

Продемонстрируем прежде всего характерные примеры зондирования температуры и солености в зонах океанских фронтов и дадим краткую интерпретацию.

На рис. 1 приведен меридиональный разрез полей температуры и солености через южную периферию теплого кольца Гольфстрима по данным вертикальных зондирований термосолезондом АИСТ (27-й рейс НИС "Академик Курчатов" [3]). Наличие в приповерхностном слое (0—150 м) фронтальной зоны теплого кольца инверсионно-интрузионных особенностей с локальными понижениями температуры на несколько градусов и солености на несколько промилле свидетельствует о шельфовом происхождении вод, которые затянуты в основную струю Гольфстрима. Возможны две причины адвекции шельфовых вод в зону Гольфстрима: перенос их от мыса Хаттерас вдоль северной границы основной струи течения; перенос шельфовых вод по восточной периферии теплых колец с севера на юг. В данном случае выявить основную причину адвекции помог выполненный авторами работы [3] FS-анализ, согласно которому более вероятно считать, что адвекция шельфовых вод обусловлена переносом по восточной периферии теплого кольца.

Вообще перенос шельфовых вод в зону климатических и склоновых фронтов достаточно типичен [19, 20]. Так, в частности, согласно спутниковым данным, с северной стороны Гольфстрима практически всегда наблюдается узкая область шельфовых вод, которая получила название "полоса Форда", по имени исследователя, впервые описавшего данное

й) Станция g) Станции

2 т 2744 Z7h5 Z7kZ ПЧЪ 2Vtb 27*5 ZTtB

Рис. 1. Меридиональный разрез полей температуры (°С, а) и солености (%о. б) через южную периферию теплого кольца Гольфстрима [3].

явление [19]. Впоследствии на основе более детальных измерений современными зондами термохалинная структура шельфовой воды и ее трансформация по мере продвижения вдоль фронта Гольфстрима подробно описывались в ряде работ [16, 18, 20].

Крупные интрузии, обусловленные затоком шельфовых вод, как правило, наблюдаются в верхнем деятельном слое океана, что объясняется большими значениями коэффициентов трения — вовлечения в этой области. Распространяясь вдоль основного фронта течения, они могут усиливать горизонтальные поперечные градиенты температуры и солености, вследствие чего на границах крупных интрузий, так же как и на границах внутри-термоклинных вихрей, может развиваться интрузионное расслоение более мелкого масштаба по вертикали и с совершенно иными особенностями. Ниже представлены четыре примера зондирований, взятые из каталога форм тонкой структуры океана [15].

На рис. 2а, б показана интрузионная структура, имеющая квазипериодический характер по вертикали. Она была зарегистрирована в севсро-вос-точной части Норвежского моря во фронтальной зоне между североатлантическими и арктическими водами (рис. 2а) и в районе Тропической Атлантики (рис. 26). В первом случае на профилях наблюдаются значительные инверсии как в поле температуры, так и в поле солености, в то время как для второго случая характерно практически идеальное ступенчатое расслоение.

На рис. 2в показаны интрузии, которые имеют когерентный или регулярный характер по вертикали. Строго говоря, они не являются квазипериодическими — амплитуда аномалий сильно меняется с глубиной. В данном случае измерения были выполнены в районе Ньюфаундлендской котловины во фронтальной зоне Северо-Атлантического течения.

Во всех трех представленных примерах наблюдений средняя стратификация (соленость и температура убывают с глубиной) типична для работы конвекции в режиме "солевых пальцев", и, следовательно, вполне обоснованной может быть гипотеза о том, что механизм движения интрузий обусловлен двойной диффузией.

И наконец, на рис. 2г дана комбинированная тонкая структура, демонстрирующая разные вертикальные масштабы неоднородностей. Крупная интрузия более теплых и соленых вод в слое 800—1400 м "изрезана" ступеньками. Данные профили температуры, солености и плотности были получены в северной части Тропической Атлантики в линзе вод средиземноморского происхождения.

Приведенные выше случаи наблюдений естественно не исчерпывают всего многообразия форм интрузий, встречающихся в зонах фронтов, однако их достаточно, чтобы продемонстрировать существенное различие в их вертикальной структуре: есть интрузии, которые проявляются на профилях температуры и солености в виде одиночных аномалий, и интрузии, имеющие квазипериодическую или регулярную структуру по вертикали. И если первые обусловлены, в частности, затоком в зону фронтов водных масс с иными ^-свойствами (причины и механизмы генерации внутритер-моклинных вихрей будут обсуждаться ниже), то вторые следует связывать прежде всего с неустойчивостью движения во фронтальной зоне.

цтоттгт гт гт гщб±

125' 1Л5 155 1,65 175%"С

26.0 Щ 26,8 т 27,8 28,0 61.

Рис. 2. Примеры различных форм ин-трузионного расслоения на океанских фронтах [15].

а) инверсионная, кваэипериодическая по вертикали структура; 6) ступенчата*, квазипериодическая по вертикали структура; в) регулярная по вертикали структура; г) комбинированная ннтрузионная структура. а, — условная плотность.

15,6 26,0 26Л 26,8 211 27.6 6+

|—I_1_1—1_I_1_1—1_1_I_¿_1

Типичной неустойчивостью, которая может приводить к расслоению десятиметрового масштаба и более по вертикали, является термохалинная неустойчивость (обсуждение терминологии см. в работе [21]), развивающаяся на океанских фронтах, перепад плотности через которые мал, а средняя стратификация такова (например, соленость и температура уменьшаются с глубиной), что создаются предпочтительные условия для возникновения конвекции типа "солевых пальцев". Впервые термохалинная неустойчивость была рассмотрена в работе Стерна [28]. Впоследствии ее описанию и обнаружению в океане был посвящен ряд как теоретических, так и экспериментальных исследований [21, 24, 26, 27]. Физический смысл возникновения этой неустойчивости легко понять на основе следующих рассуждений: инерционные колебания, проявляясь в виде вращения жидких частиц вдоль изопикнических поверхностей, создают начальные возмущения на вертикальных профилях температуры и солености; в верхних и нижних частях этих неоднородностей реализуется дифференциаль-52

но-диффузионная конвекция, которая, увеличивая или, наоборот, уменьшая плавучесть в области возмущений, приводит к их росту вследствие возникновения горизонтальных градиентов давления.

Теоретические исследования интрузионного расслоения [12, 21—23] показали, что на океанских фронтах с существенной термоклинностью и бароклинностью [10] кроме термохалинной неустойчивости может развиваться и особый вид двухмерной бароклинной неустойчивости, приводящей к расслоению (или интерливингу, обусловленному двойной диффузией и бароклинностью), которая близка по физическому смыслу к неустойчивости Макинтайра [25], но из-за существующих различий (например, двухмерная бароклинная неустойчивость может развиваться при неограниченно больших геострофических числах Ричардсона и при числе Прандтля, равном единице [22]) ее следует выделять в особый вид неустойчивости. Данные вопросы подробно изложены в работах [21—23]. Эмпирический анализ с целью выяснения механизмов образования интрузий [10, 21] дал возможность получить свидетельства важной роли двухмерной бароклинной неустойчивости в процессах генерации интрузий на океанских фронтах.

Таким образом, мы выделили три вида неустойчивости, которые могут приводить к образованию интрузий с вертикальным масштабом порядка десяти метров. Это — термохалинная неустойчивость, возникающая в условиях средней стратификации, характерной для дифференциал

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.

Показать целиком