Ученые из МФТИ, Морского гидрофизического института РАН и Института океанологии имени Ширшова РАН впервые детально исследовали механизм рождения мощных нелинейных внутренних волн в проливе Карские Ворота — узком коридоре между Баренцевым и Карским морями на широте 70,5 градуса.
Результаты исследования ученых получены благодаря уникальным натурным измерениям, выполненным в экспедиции Плавучий университет — 2023 на борту научно-исследовательского судна «Дальние Зеленцы» в июле 2023 года. Работа опубликована в журнале Russian Journal of Earth Sciences.
Солнечное тепло, пресные талые и речные воды и влияние теплых атлантических течений создают в Арктике резкую границу между пресным и легким верхним слоем и соленой, более плотной глубинной водой. Эта граница — пикноклин — способна колебаться, порождая волны, которые с поверхности увидеть практически невозможно. Они прячутся в толще воды, но их амплитуда порой достигает десятков метров, а длина — километров.
Такие волны называют внутренними, и они играют огромную роль в жизни океана. Внутренние волны перемешивают слои, перетаскивают питательные вещества с глубины к поверхности, влияют на распределение планктона и рыбы, создают мощные подводные течения, опасные для субмарин и глубоководных конструкций. Разрушаясь, они выделяют энергию, которая поддерживает турбулентное перемешивание — один из ключевых процессов, определяющих вертикальную структуру океана.
В Арктике, где экосистемы хрупки, а человеческая деятельность — судоходство по Северному морскому пути, добыча углеводородов, прокладка подводных коммуникаций — нарастает с каждым годом, понимание этих скрытых процессов становится не просто академическим любопытством, а насущной необходимостью.
Пролив Карские Ворота — место, в котором два арктических моря Баренцево и Карское обмениваются водами. Зажатый между южной оконечностью архипелага Новая Земля и островом Вайгач, он имеет ширину всего около 50 км и сложный, изрезанный рельеф дна с глубинами от нескольких десятков до 200 м.
Приливные течения здесь набирают значительную силу, протискиваясь через узкое горло пролива, подобно тому как ветер усиливается в горном ущелье. Летом, когда солнце прогревает верхний слой, а тающие льды и интенсивный речной сток опресняют поверхностные воды, стратификация в проливе становится особенно резкой. Именно это сочетание — сильный приливный поток, резкая стратификация летних вод и пересеченный рельеф с подводными порогами и банками — создает идеальную природную лабораторию для изучения того, как рождаются нелинейные внутренние волны.
Ключевым инструментом для описания этого процесса служит число Фруда — безразмерная величина, показывающая отношение скорости приливного течения к фазовой скорости длинных внутренних волн первой моды. Когда число Фруда мало, течение слабее волн, и возмущения спокойно разбегаются от места своего зарождения вверх и вниз по течению. Это докритический режим — обычное, будничное состояние пролива. Но когда скорость потока приближается к скорости волн — число Фруда стремится к единице,— наступает нечто совершенно иное: транскритический режим.
Возмущения больше не могут убежать от источника, энергия накапливается и концентрируется, и после ослабления приливного воздействия эта накопленная энергия выбрасывается в виде мощных нелинейных волновых пакетов — солитонов, которые разбегаются от места генерации с достаточно большой для подводного мира скоростью.
Авторы работы подошли к задаче с двух сторон.
Во-первых, они использовали приливную модель Arc2kmTM, которая с пространственным разрешением около 2 км воспроизводит картину приливных скоростей во всей Арктике. Модельные скорости течений и рассчитанные фазовые скорости позволили построить карту числа Фруда по всему проливу и проследить, как эта карта меняется час за часом в течение приливного цикла.
Во-вторых, исследователи располагали бесценным материалом — данными прямых натурных измерений, собранными во время восьмичасового дрейфа судна «Дальние Зеленцы» непосредственно в зоне генерации внутренних волн. Этот дрейф, по сути, превратил корабль в гигантский измерительный буй, который двигался вместе с водой и непрерывно фиксировал все изменения в толще океана.
Моделирование показало, а данные наблюдений подтвердили, что пролив работает как генератор подводных волн, запускающий новые порции солитонов каждые шесть с небольшим часов.
«Мы наблюдали классическую картину транскритической генерации, которая раньше описывалась в основном в теоретических работах и лабораторных экспериментах,— рассказал Илья Копышов, магистр МФТИ.— Когда приливное течение в проливе разогналось до скорости внутренних волн, энергия перестала рассеиваться и начала концентрироваться у источника. А как только режим сменился обратно на докритический, вся эта запасенная энергия буквально выстрелила серией солитонов с амплитудой до 20 м. Увидеть это в реальном океане, да еще и в Арктике, во время студенческой экспедиции — большая удача и огромная мотивация для дальнейшей работы».
Столь полное исследование транскритической генерации внутренних волн в арктическом проливе проведено впервые в мировой практике.
Карские Ворота оказались идеальным природным полигоном для проверки теории: пролив достаточно узок, чтобы приливные течения были сильными, и достаточно стратифицирован летом, чтобы фазовая скорость внутренних волн оставалась низкой.
Нелинейные внутренние волны амплитудой в десятки метров — серьезный фактор риска для подводных трубопроводов, кабелей связи и нефтегазовой инфраструктуры, интерес к размещению которой в Арктике неуклонно растет.
Знание, где и когда именно генерируются такие волны, позволяет заранее учитывать их при проектировании подводных сооружений и планировании морских операций. Не менее важна и экологическая составляющая: интенсивное вертикальное перемешивание, вызванное разрушением и диссипацией внутренних волн, выносит к поверхности глубинные воды, богатые биогенными элементами — нитратами, фосфатами, силикатами, поддерживая продуктивность арктических экосистем.
Кроме того, опыт экспедиции Плавучий университет — 2023 убедительно продемонстрировал, что дрейфовые измерения непосредственно в зоне генерации — исключительно эффективный метод, и будущие экспедиции смогут применить его в других арктических проливах: в Маточкином Шаре, в Беринговом проливе, проливах Земли Франца-Иосифа, в узкостях между островами Северной Земли.
Программа «Плавучий университет» — уникальный формат, объединяющий обучение студентов и аспирантов с полноценной научной работой в открытом море: молодые исследователи участвуют в сборе и обработке данных наравне с опытными коллегами, получая бесценный экспедиционный опыт, который невозможно воспроизвести в аудитории. Именно в таких рейсах и рождаются открытия, подобные описанному,— когда свежий взгляд молодого ученого сочетается с доступом к реальным океанографическим данным и наставничеством ведущих специалистов.
