По программе ПОЛИМОДЕ в Бермудском треугольнике: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Траектории погруженных в глубину аппаратов нейтральной плавучести (их относительный вес равен относительному весу морской воды). Одна из задач современной океанографии — объяснить и описать «хаотичность» этих траекторий, применив физические законы движения вод в океане.

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

— Срединно — океанический динамический эксперимент). И здесь советские коллеги предложили им свою помощь. В 1972 году они предоставили им первичные результаты эксперимента «Полигон—70», что явилось первым крупным шагом по пути совместного сотрудничества в изучении океана.

МОДЕ-1

Эксперимент в Индийском океане для советской океанографической науки явился предвестником эксперимента «Полигон—70». Точно так же и американских ученых океанографическая экспедиция «Эрайез», о которой мы уже говорили, заставила задуматься над тем, каковы механизмы движений в океане. В 70–80–е годы нашего столетия вопрос о том, существует ли «погода океана», и если да, то каким законам она подчиняется, не переставал волновать ученых — океанографов. После создания необходимой экспериментальной базы американские ученые подготовили программу МОДЕ.

Сразу же возникли трудности как научно — технического, так и финансового характера. Во — первых, необходимо было избрать удачный район, который бы являлся наиболее типичным для формирования погоды в океане. Нужно было решить, какие параметры следует измерять и как долго. Кроме того, не было известно, каковы размеры циклонов в океане и др.

Сначала предполагалось, что эксперимент будет разделен на две части — предварительную и основную экспериментальную. Целью предварительной части — Пре — МОДЕ был сбор сведений и результатов, которые бы обеспечили полноценное проведение основных измерительных работ. В силу финансовых затруднений эксперимент Пре — МОДЕ не состоялся; но спустя три года, после тщательной подготовки, был осуществлен эксперимент МОДЕ — I.

МОДЕ — I начался в марте 1973 года. В нем приняли участие пятьдесят ученых из США и Великобритании из пятнадцати научных институтов. В их распоряжении находились несколько сот человек обслуживающего персонала, шесть судов и два самолета: внушительная часть научного потенциала, судов и оборудования двух стран, предоставленная для проведения физических экспериментов в океане.

Измерительные работы проводились в районе диаметром 600 километров, лежащем между Бермудскими островами и полуостровом Флорида. В выборе района существенную роль сыграла его близость к континенту, Бермудским и Багамским островам. Здесь сыграл роль и тот фактор, что АБС не в состоянии посылать акустические сигналы на слишком большие расстояния. Кроме того, поблизости от района эксперимента располагается течение Гольфстрим, которое вносит большое разнообразие в гидрологический режим данной области. В результате, за четыре месяца напряженной работы было собрано огромное количество новых данных. Дрейфующие поплавки «Софар», работающие на акустическом принципе связи с сушей, дали статистическую картину распределения вихрей в пространстве и времени. В процессе эксперимента было подтверждено существование «погоды в океане». Были изучены и некоторые наиболее общие закономерности вихревого поля, было показано, что интенсивность вихрей в различных областях океана неодинакова. Иными словами, не во всех областях вихри встречаются одинаково часто, но, возможно, везде имеют ключевое значение для процессов преобразования энергии и ее распределения в океане, т. е. процессов, лежащих в основе механизмов океанической динамики.

Двадцать лет назад считалось, что течения в океане являются результатом дующих над поверхностью океана ветров. На основе этого разрабатывались довольно убедительные и простые теории, которые, на первый взгляд, убедительно объясняли основные особенности движения в океане. Но вот появилось экспериментальное подтверждение существования вихрей в океане, и перед океанографией возникла проблема радикального изменения научных взглядов.

Во время эксперимента МОДЕ — I был зарегистрирован океанический вихрь. Является ли он аналогом атмосферных циклонов и ураганов с их климатическими последствиями? Во всех ли областях океана роль вихрей в переносе океанической энергии одинакова? Отличаются ли кольца Гольфстрима от обычных вихрей в открытом океане? И, наконец, насколько обогатились наши знания механизмов движения в океане?

Структура поля температуры и поля скорости антициклона на глубине 500 м во время эксперимента МОДЕ — I. Внутри вихря температура выше, а векторы скорости направлены по изолиниям температуры.

Чрезвычайно показательным для описания проблемы исследования вихрей в океане является высказывание американского океанографа Карла Вунша: «Мы можем рассматривать МОДЕ — I как аналог программы исследования погоды, закончившейся двухдневными измерениями северо — восточных ветров над Новой Англией.