Шельфовые вихри — основной механизм самоочищения прибрежных зон моря. Условия образования вихрей в северо-восточной части Черного моря, а также их физические и динамические характеристики были изучены научным коллективом Института океанологии РАН и МФТИ. Результаты исследования представлены в цикле работ [1, 2], опубликованных в журнале Remote Sensing.
Черное море. Фото со спутника
Черное море весьма специфично по многим своим параметрам. В частности, оно практически полностью замкнуто, его водообмен с остальной частью Мирового океана происходит через узкие проливы. Поэтому Черное море часто можно рассматривать как естественную лабораторию для исследования гидрофизических процессов в изолированном морском бассейне. Особый интерес для ученых представляют вихри, которые в большом количестве образуются и в Черном море, и в Мировом океане. Эти вихри могут существенно влиять на перенос планктона, терригенной взвеси, загрязнений и плавучего мусора в море.
Главное течение, наблюдаемое в Черном море, называется Основным черноморским течением, оно огибает весь бассейн по периметру. При подходе этого течения близко к берегу оно в результате гидродинамической неустойчивости может способствовать генерации мезомасштабных вихрей в прибрежной зоне моря. Одним из механизмов генерации таких вихрей является обтекание подводных возвышенностей и мысов. При этом могут образовываться антициклонические вихри, которые можно разделить на два основных типа: крупные одиночные вихри и цепочки небольших вихрей. Оба типа вихрей часто наблюдаются в районах с особенностями рельефа дна и береговой линии, такими как подводные хребты и горы, мысы и полуострова. Это природное явление влияет на динамику прибрежной зоны и играет важную роль в самоочищении моря, поскольку перемещает в центральную часть загрязненные выносы многочисленных рек, впадающих в Черное море.
Группа ученых из Института океанологии РАН и МФТИ на основе спутниковых данных и численного моделирования установила, что характеристики вихревых структур в российском секторе Черного моря существенно зависят от сезона. Крупные одиночные вихри возникают в основном в холодный осенне-зимний период года, когда Основное черноморское течение наиболее интенсивное. В весенне-летний сезон, напротив, преобладают цепочки небольших вихрей из-за ослабления и меандрирования течения. При формировании цепочек вихрей и их последующем движении вдоль берега происходит периодическое слияние вихрей, что приводит к увеличению их размеров.
Пример вихревых структур (цепочки Кармана) в районе мысов Искурия (р. Кодори) и Пицунда. Источник: Remote Sensing
«В нашем исследовании мы использовали трехмерную вихреразрешающую гидродинамическую модель DieCAST, которая в сочетании с лагранжевой моделью блуждания частиц позволила исследовать генерацию антициклонических вихрей и их отрыв от мест формирования, а также эволюции и слияния вихревых структур и их взаимодействия с речными плюмами вдоль российского черноморского побережья Кавказа. В частности, нами было показано, что крупные одиночные вихри гораздо эффективнее переносят захваченные загрязнения речного происхождения из прибрежной зоны в открытое море, чем цепочки небольших вихрей. Однако, как показало моделирование, более интенсивный кросс-шельфовый перенос загрязнений речного происхождения наблюдается в весенне-летний сезон. Это свидетельствует о большей эффективности именно вихревых цепочек в процессах самоочищения прибрежной зоны моря, когда меандрирующее Основное черноморское течение приводит к формированию серии антициклонических вихрей», — рассказал Александр Осадчиев, ведущий научный сотрудник Института океанологии имени П.П. Ширшова, научный сотрудник кафедры термогидромеханики океана МФТИ.
Что касается особенностей динамики вод вдоль Кавказского побережья, то, как показали численные опыты, вихревые структуры вблизи берега часто создают перемежающиеся зоны «апвеллинг / даунвеллинг», которые также способствуют сложной системе перемешивания и самоочищения прибрежных вод. На рисунке 2 показано, что вдоль берега простирается полоса антициклонической (голубой) и циклонической (красной) завихренностей. При этом в зоне бифуркации течений (см. RC — Rim Current и Батумского антициклона — BAC), расположенной между мысами Искурия и Пицунда, находится зона дивергентности течения (AD), которая характеризуется апвеллингом, то есть подъемом глубинных вод. Здесь, как свидетельствуют спутниковые снимки, часто образуется «gap» в распределении концентрации хлорофилла-а, что означает выход на поверхность глубинных вод в районе между реками Риони-Ингури и Кодори.
Рисунок 2. Пример моделирования вихревых структур вдоль Кавказского побережья Черного моря. RC — Основное черноморское течение. Источник: Remote Sensing
Полученные результаты могут быть востребованы для создания практических методик оценки, мониторинга и прогноза геофизической и экологической обстановки, в том числе распространения антропогенных и терригенных загрязнений прибрежных морских вод в густонаселенных районах российского черноморского побережья, имеющих важный курортный, социально-экономический и биопродуктивный потенциал.
