Введение к работе
Диссертация посвящена разработке теории трехмерных океанских мезомасштабных вихрей и сопутствующих явлений во вращающемся стратифицированном океане.
Актуальность проблемы.
Роль, которую играют вихри разных масштабов в динамике океана, трудно переоценить. Это перенос тепла, соли, других веществ. Это один из главных механизмов горизонтального перемешивания. Наличие теплых или холодных вихрей океана определяет локальную погоду побережья и влияет на климат. Сами вихри изменяют гидрофизические шля океана, его оптические, акустические, гидрохимические характеристики. Пространственно-временная изменчивость океана, связанная с вихрями, влияет на внутренние волны, на поведение живых организмов. Интенсивные вихри индуцируют заметные вторичные электромагнитные поля океана. Неустойчивость интенсивных струйных течений в океане, таких как Гольфстрим, Куросио и др., приводит к рождению вихрей разных масштабов. Список, явлений далеко не полный. Морские эксперименты П0ЛИГ0Н-70 (Северная Атлантика, 6 месяцев, 1970 г.), МОДЕ (Са-ргассово море, 3 месяца, 1973 г), ПОЛИМОДЕ (Северная Атлантика, 13 месяцев, I977-IS78 г.), МЕЗОПОЖГОН ( Северная Атлантика -Северное Пассатное течение, 3 месяца, 1985 г.), МЕГАЛОЛИГОН (Тихий океан, 4 месяца, 1987 г.) вскрыли особенности поведения океанских вихрей и инициировали целую серию теоретических исследований. Ряд исследований был проведен в Арктике, например, четырехлетний ледовый эксперимент (Arctic Ice Dynamic joint Experiment)і прояснивший многие аспекты физики вихревых структур. В монографии "Синоптические вихри в океане" (Каменкович, Кошляков, Ыонин, 1982, второе издание 1987 г.) подводятся ито-
ги изучения синоптических и близких к ним вихрей мирового океана. Изложены теории, отвечающие современным представлениям о физике явления и дана классификация вихрей. Нас будут интересовать в основном мезомасштабные вихревые структуры, которые определяются как образования с характерным горизонтальным размером превышанцим глубину океана Н, но меньше, чем радиус деформации Россби 1_ . К таким образованиям относятся практически все внутритерюкдинные вихри, наблюдаемые в Атлантике, Индийском океане, Антарктических морях и т.д. Всего около тысячи зарегистрированных наблюдений. Мы также будем претендовать на описание сравнительно небольших приповерхностных вихрей океана.
К характерным особенностям интересующих нас вихрей следует отнести: ( частую встречаемость этих явлений в океане; 2) долгую продолжительность жизни; 3) трехмерность вихревого ядра; 4) его деформируемость и нестащюнерность, т.е. мелящуюся ориентацию в пространстве ядра шесте с изменением характерных горизонтальных и вертикальных размеров; 5) устойчивость наблюдаемых вихрей в океане к слабым вариациям форлы ядра и к воздействиям слабонеоднородных течений и т.д.
Несмотря на большое количество теоретических работ, посвященных динамике вихревых образований в океане, многие аспекты этих явлений либо освещены в литературе слабо, либо вообще не затронуты. К таким проблемам прежде всего относятся задачи об эволюции трехмерных неосесишетричных завихренных объемов во вращающемся непрерывно стратифицированном океане, влиянии неоднородных течений на такие объекты, их взаимодействие мезду собой и воздействие друг на друга. Не ясен вопрос о выживаемости вихрей к растягивающему воздействию на них фоновых неоднородных течений океана и о временах жизни вихрей в таких течениях. Эти задачи трудны с математической точки зрения, поскольку они трзхмер-
ны, нелинейны и нестационарны. Тем не менее проблема существует и продиктована необходимостью осмысления натурного материала многочисленных наблюдений вихревых явлений океана.
Различного рода мезомасштабные неоднородности океана,в том числе и вихри,влияют на глобальные свойства волнового поля внутренних волн, такие как изотропизапдя или авизотропизация углового спектра волн при их множественном взаимодействии с ансамблем таких неоднородпостей. Вопрос в том, почему в одних случаях происходит изотропизапдя, а в других анизотропизация поля волн по направлениям распространения и с какой скоростью, в научной литературе не освещался. Натурные де эксперименты типа gate (Тропическая часть Атлантического океана), продиктовали эти проблемы.
К интересным явлениям океана можно отнести вторичные электромагнитные поля, іщдуцированнне течениями синоптического масштаба и мезомасштаба. Эти движения создают измеримые вариации электромагнитных полей, которые несут в себе информацию о характеристиках течений. Возникают ряд проблем, связанный с этими полями и интересный для геофизических приложений. Прежде всего это вопрос о величинах этих полей в условиях открытого океана прибрежной и береговых зонах, о возможности расчета отдельных характеристик течений по индуцированным полям, о причинах выхода магнитного поля от течений в атмосферу и о величинах этих полей и т.д. Все эти проблемы находятся на стыке различных разделов геофизики и в литературе не существует достаточной освещенности данных вопросов.
Де» pafoffl.
Построение теории трехмерных вихревых образований непрерывного стратифицированного океана и описание сопутствующих явлений, таких как рассеяние внутренних волн на ансамбле локализованных ыезоыасштабных неоднородкостей океана и свойств электромагнитных полей, индуцированных синоптическими и мезомасштаб-шши движениями морской воды.
-
Построение теории монопольных трехмерных ыезоыасштабных вихревых рцразийаний во вращающемся непрерывно стратифицированном океане в отсутствие фоновых течений.
-
Построение теории монопольных трехмерных мезомасштабных вихревых образований во вращающемся непрерывно стратифицированном океане на фонь неоднородных течений.
-
Построение 'теории взаимодействия монопольных трехмерных мезомасштабных вихрей, взаимодействия ансамбля вихрей, воздействия вихрей друг на друга, взаимодействие вихрей с поверхностью моря и вертикальными берегами.
-
Описание трехмерных дипольнш. и трипольных вихревых образований на фоне однородных потоков и потоков со сдвигом во вращающемся стратифицированном океане.
-
Изучение рассеяния внутренних волн на ансамбле локализованных неоднородкостей гидрофизических полей океана, проблемы изо-трошзацш и анизотропизации углового спектра.
-
Изучение электромагнитных полей, индуцированных синоптическими и мезомасштабными движениями морской воды в условиях открытого океана, прибрежной и шельфовой зонах и возможность их использования о океанологии. Изучение проблем, связанных с выходом магнитного поля от течений из слоя воды в атмосфе-
- 5 -РУ.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые предложены теории вихревых образований океана, отражапцие свойства реально наблюдаемых вихрей и объясняющие поведение и эволюцию отдельных характеристик вихрей океана. Предложены новые подхода к теории множественного рассеяния внутренних волн на ансамблі неоднородностей. Выявлены свойства индуцированных электромагнитных полей от течений синоптического
В частности:
1. Предложена нелинейная теория зводхцш однородно гавихренной
эллипсоидальной области во вращающемся стратифицированном
океане. Описано поведение всех параметров при произвольной
начальной ориентации такого вихря в присутствии или отсутствии фонового неоднородного течения.
-
Предложена модель стационарного эллипсоидального вихря с неоднородно завихренным ядром в отсутствии или присутствии фонового неоднородного потока.
-
Предложена теория дальнего вваимодействия ансамбля эллипсоидальных вихрей. Изучено взаимодействие пары таких вихрей и воздействие большого вихря на малый. Рассмотрено взаимодействие вихрей с поверхностью моря и вертикальными твердыми стенкамиі
4. Предложены модели дипольних и трипольных вихревых образова
ний вращающегося стратифицированного океана на фоне однород
ного потока и течения с горизонтальным сдвигом.
5. Предложена теория рассеяния внутренних волн на ансамбле ло
кализованных неоднородностей поля плотности и скорости и изу
чены тенденции глобальных свойств волновых полей рассеянных
волн к изотропизапии или анизотропизации углового спектра.
6. Изучены основные свойства электромагнитных полей, индуцированных мезомасштабными и синоптическими движениями морской воды в условиях открытого океана и в прибрежной и шельфовой зонах. Изучены возмоаности расчета различных характеристик течений с использованием индуцированных шли магнитных полей. Рассмотрены причины выхода магнитного поля течений из слоя воды в атмосферу и сделаны теоретические оценки этих полей. Ряд рассмотренных задач вихревой динамики имеет аналоги в
двумерной классической гидродинамике, другие подосЗных аналогов
не имеют.
1. Нелинейная теория динамики эллипсоидальных вихрей во вращаю
щемся стратифицированном океане
а) в отсутствие фоновых течений
б) на фоне баротропных пространственно неоднородных течений
в) на фоне горизонтального течения с вертикальным сдвигом
-
Модель стационарного эллипсоидального вихря с неоднородно завихренным ядром в виде ступенчатого или гладкого распределения потенциальной завихренности в отсутствие или при наличии неоднородного баротролного фонового потока.
-
Дисковая, модель вихря в неоднородном баротропном течении.
-
Теория взаимодействия эллипсоидальных вихрей во вращающемся стратифицированном океане
а) Дальнее взаимодействие ансамбля эллипсоидальных вихрей
б) Взаимодействие пары вихрей, тенденция к сближению и
слиянию.
в) Воздействие большого вихря на малый
г) Взаимодействие вихрей с поверхностью моря и вертикальными
берегами.
-
Модели эллипсоидальных дипольних и тридольних вихревых структур на фоне однородного потока и течения с горизонтальным сдвигом.
-
Теория рассеяния внутренних волн на ансамбле локализованных неоднородностей гидрофизических полей. Проблема изотропиза-ции и анизотропизации углового спектра.
7. Ряд результатов по теоретическим оценкам вторичных электро
магнитных эффектов от мезомасштабных и синоптических течений
в открытом океане, прибрежной и шельфовой зонах и возможность
использования этих полей в океанологии. Проблема выхода маг
нитного поля от течений из слоя вода в атмосферу.
I) Построенные в работе модели описывают целый ряд явлений океана, связанных с эволюцией мезомасштабных вихрей и сопутствунцих явлений. При проектировании морских спецализированных экспериментов следует учитывать полученные критерии и оценки, такие как времена жизни вихрей в неоднородных потоках, возможность их существования в фоновых течениях, характер эволюции различных параметров вихрей. 2) При планировании морских экспедиций, связанных с изучением внутренних волн, целесообразно заранее иметь представление об эффектах рассеяния волн на неоднородностях океанских характеристик морской воды, скоростях изотропизации углового спектра или эффекте анизотропизации. 3) Полученные оценки электромагнитных эффектов особенно в прибрежных и шельфових зонах следует учитывать при проведении поисковых работ, ма-гннтотеллурическом зондировании дна, поскольку электромагнитные поля морского источника могут оказаться сильнее'или же составлять существенную долю от аналогичных эффектов ионосферного про-
похождения. Теоретические оценки магнитного поля в атмосфере от морских течений могут оказаться весьма полезными при практических работах с самолетов или надводных носителей. 4) Полученные в ряде случаев точные решения трехмерных нестационарных нелинейных задач геофизической гидродинамики интересны сами по себе, поскольку являются обобщением классических результатов двумерной гидродинамики, таких как эволюции вихря Кирхгофа.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы докладывались и обсуждались:
на П съезде советских океанологов (г. Севастополь, 1982 г.),
на Ш съезде советских океанологов (г, Ленинград, 1987 г.),
на П Всесоюзном симпозиуме "Тонкая структура и синоптическая изменчивость морей и океанов" (г. Таллинн, 1984 г.),
на Ш Всесоюзном симпозиуме "Тонкая структура и синоптическая изменчивость морей и океанов" (г. Таллинн, IS90 г.),
на Ш Республиканской конференции по прикладной гидромеханике (г. Киев, 1984 г.),
на IX Всесоюзном симпозиуме по дифракции и распространению волн (г. Тбилиси, 1985 г.),
на Ш научной сессии Совета по нелинейной динамике (г. Черноголовка, 1990 г.),
на Ш Всесоюзной конференции "Вихри и турбулентность в океане" (г. Светлогорск, 1990 г.),
на международной конференции "Дни нелинейной динамики" (ФРГ, г.Дюссердорф, 1989 г.),
на 5-ом международном коллоквиуме "Моделирование океанских вихрей" (США, Гановер, 1990 г.),
на международном Симпозиуме по гидромеханике перемешивания T'JTAK (США, Калифорния, Лахойя, 1990 г.),
на XX Генеральной Ассамблее HJGa (Вена, 1991 г.),
па Международном Симпозиуме іамаї (г. Вена, 1991 г.).
По отдельным темам сделаны доклады: Институт океанологии им. П.П. Ширшова (г.Москва, 1982-1993 г.), Институт физики атмосферы (г. Москва, 1990 г.), Морской гидрофизический институт (г. Севастополь, 1990 г.), Акустический институт (г. Москва, 1990 г.), Скриппсовский океанографический институт (США, Калифорния,
Лахойя, 1990 г.), Вудсхоллский океанографический институт (США, Массачусетс,
Вудс Холл, 1990 г, 1992 г.), Массачусетский технологический институт (США, Массачусетс,
Кембридж, 1990 г, 1992 г.), Институт геофизики и планетарной физики (США, Калифорния, Ла
Хойя, 1990 г.), Университет штата Флорида (США, Флорида, Таллахассе, 1992 г.).
По тема диссертации в отечественной и зарубежной печати опубликовано 35 научных работ. Из них 7 самостоятельных трудов автора, остальные в соавторстве. Научные идеи большинства опубликованных в соавторстве работ принадлежат автору. Ряд результатов работ изложены в научных отчетах экспедиций судов ИО РАН.
