Страница 8 из 35
Каскадные процессы дробления турбулентных вихрей относились к вихрям, чьи горизонтальные и вертикальные размеры близки. Однако можно ли считать таковыми циклоны и антициклоны в океане? Если они достигают дна во внутренних районах Саргассова моря, то их высота, например, будет почти в сорок раз меньше диаметра. Это означает, что их можно считать двухмерными образованиями. Отсюда возникает вопрос, вправе ли мы законы трехмерной турбулентности применять к двухмерным движениям?
Изучение двухмерной турбулентности, сначала представлявшее чисто теоретический интерес, имеет огромное практическое значение. Оно связано с попыткой разгадать принципы функционирования гигантской термодинамической машины океан — атмосфера, объяснить основные закономерности формирования климата и синоптической изменчивости нашей планеты.
Теорию двухмерной турбулентности трудно изложить популярно. Упомянем лишь об ее основном выводе. Он интересен своей парадоксальностью. Дело в том, что в определенных случаях движения более мелких размеров передают энергию движениям планетарных масштабов, т. е. речь идет об отрицательной вязкости. Если не объяснить это явление, то может сложиться впечатление, что «хаос создает порядок». В действительности это не так. Из‑за двухмерного характера крупных атмосферных и океанических вихрей движения в них более или менее упорядочены. При слиянии двух образований с упорядоченным движением может возникнуть новый элемент циркуляции океана, намного больший, чем вихри, — Сомалийское течение, например. Возможно и то, что какое‑либо оторвавшееся от Гольфстрима кольцо вновь вернется к течению, тем самым отдав ему свою энергию.
А сейчас можно перейти к основному вопросу, который волнует океанографов: как атмосфера передает механическую энергию океану и как она распределяется в нем. Ответ дать нетрудно. Чтобы преодолеть пассивность и инертность океана и повлиять на крупномасштабные процессы в нем, необходимо периодическое воздействие определенного фактора в течение длительного времени. Подобное воздействие, например, может оказать смена муссонов. Они возбуждают колебания (волны Россби), которые в дальнейшем, вследствие взаимодействия, усиливаются и генерируют вихри в океане, которые, в свою очередь, распространяются к его западным берегам. Там они сливаются друг с другом и поглощаются главным потоком (в данном случае Сомалийским течением), отдавая ему свою энергию.
Это постоянно протекающий процесс во всех океанах. Он в значительной степени аналогичен процессу зарождения и эволюции циклонов и антициклонов в атмосфере. Как известно, циклоны и антициклоны определяют погоду, поэтому выражение «погода в океане» можно считать вполне закономерным. Хотя и медленно, эта погода изменяется, океан «живет» по своим правилам и законам. Это подтверждается и рядом экспериментальных данных.
Итак, океан меняется, но как? Ныне существует много теорий изменения океана. Необходимы сложные практические измерения, подтверждающие или отрицающие теоретические данные, чтобы проверить и изучить законы, управляющие «погодой в океане».
ПОЛИМОДЕ
Полигон — 70
Период шестидесятых — семидесятых. годов стал переломным для океанографических исследований. В начале этого периода крупный американский океанограф X. Стомелл в своем обращении к океанографам «Почему наши идеи циркуляции океана имеют столь странное, нереальное качество?» говорит о необходимости проведения экспериментов с целью проверки теоретических идей. В 1972 году академик Л. М. Бреховских пишет: «…накопление наблюдений не может заменить целенаправленного эксперимента».
Океанографы уже давно пришли к мысли, что необходимо объединить свои усилия для проведения подобных экспериментов. Так постепенно с 1969 по 1976 год зрела идея создания программы ПОЛИМОДЕ. С 1974 года начались планомерные работы по ее детальной разработке и частичной реализации. Что же означает слово ПОЛИМОДЕ? Оно является символом преемственности в океанографической практике, символом общностни усилий СССР и США в исследовании океана. Оно возникло из слияния слов Полигон и МОДЕ
— названий советского и американского экспериментов по изучению изменчивости движений в океане, осуществленных в семидесятых годах нашего века. После завершения Аравийского эксперимента в 1967 году появились новые концепции проведения современных измерительных работ по исследованию структуры течений в океане. Его результаты показали, что двух месяцев абсолютно недостаточно для подобных исследований. Оказалось, что необходимо также увеличить количество и плотность автономных буйковых станций (АБС). И лишь спустя три года был осуществлен эксперимент Полигон—70. Научное руководство им было возложено на директора Акустического института АН СССР академика JI. М. Бреховских и заведующего лабораторией гидрологических процессов Института океанологии АН СССР профессора В. Г. Корта. Согласно предварительно разработанной программе, районом эксперимента была избрана обширная область севернее Островов Зеленого Мыса, расположенная в тропической зоне Атлантического океана. На этом полигоне, имеющем форму креста размером 240 х 240 километров, было установлено семнадцать АБС. Шесть научно — исследовательских судов работали в течение семи месяцев на полигоне, обслуживая АБС и выполняя и другие задачи по программе эксперимента.
Флагманом программы «Полигон—70» был определен корабль «Дмитрий Менделеев», который вместе с другим судном «Академик Курчатов» обеспечивал работу четырнадцати автономных буйковых станций. Остальные три обслуживало судно морской гидрографической службы «Андрей Вилитский». Каждые двадцать пять дней буи заменялись другими, а раз в три дня проводился визуальный контроль буев.
В выполнении программы «Полигон—70» участвовали и научно — исследовательское судно Морского гидрографического института АН УССР «Академик Вернадский», а также суда Акустического института АН СССР «Сергей Вавилов» и «Петр Лебедев». Этим экспедиционным судам было поручено исследование микроструктуры океанических течений, а также специальные акустические эксперименты.
Во время советского океанографического эксперимента «Полигон-70» был открыт антициклонический вихрь, в котором вращение вод осуществлялось по часовой стрелке. Цифрами 1—17 обозначены места, где были расположены АБС, а длина стрелок пропорциональна скорости течений, измеренной 24 мая 1970 г.
В результате столь длительной напряженной работы был накоплен богатый экспериментальный материал, обработка которого требовала большой затраты времени и усилий. Но полученные результаты превзошли все ожидания и вознаградили ученых за их самоотверженный труд. Главным было то, что удалось открыть вихревое образование (антициклон), который присутствовал на полигоне большую часть времени эксперимента. Он представлял собой эллипс, вытянутый в направлении северо — запад — юго — восток. Длина его большой оси составляла 400 километров, а малой — 200 километров. Антициклон медленно перемещался на запад со скоростью 5 сантиметров в секунду. Вихревое возмущение было ярко выражено до глубины 1500 метров, а скорость кругового движения на этом уровне достигала 10 сантиметров в секунду. При подобном рассмотрении оказалось, что этот вихрь не единственный. Тогда было высказано предположение, что над полигоном двигался целый «пакет вихрей», расположенных в шахматном порядке. А это означало, что за каждым циклоном следует антициклон, и наоборот.
Эксперимент «Полигон—70» дал окончательный ответ на вопрос, есть ли вихри в океане. Но этот ответ повлек за собой возникновение множества новых вопросов; был ли открытый вихрь случайным явлением или он закономерен? Какова природа вихрей в океане? Какова связь между ними и колебаниями в атмосфере? Происхождение энергии вихревого движения и т. д. Эти вопросы волновали и американских ученых. К тому времени они уже запланировали проведение эксперимента МОДЕ (по первым буквам английского названия