Вихри часто воспринимаются как погода океана. Подобно крупномасштабным циркуляциям в атмосфере, вихри вихрятся в океане как медленно движущиеся морские циклоны, подхватывая питательные вещества и тепло и транспортируя их по всему миру.

В большинстве океанов вихри наблюдаются на каждой глубине и сильнее на поверхности. Но с 1970-х годов исследователи наблюдали в Арктике своеобразную закономерность: летом арктические вихри напоминают свои аналоги в других океанах, всплывая по всей толще воды. Однако с возвращением зимнего льда арктические воды затихают, и вихри нигде не обнаруживаются в первых 50 метрах подо льдом. Между тем, более глубокие слои продолжают поднимать вихри, не затронутые резким изменением более мелких вод.

Этот сезонный поворот в Арктической вихревой активности озадачивал ученых на протяжении десятилетий. Теперь у команды MIT есть объяснение. В статье, опубликованной сегодня в журнале Journal of Physical Oceanography, исследователи показывают, что основными компонентами, определяющими вихревое поведение в Арктике, являются трение льда и расслоение океана.

Моделируя физику океана, они обнаружили, что зимний лед действует как фрикционный тормоз, замедляя поверхностные воды и препятствуя их ускорению в турбулентные вихри. Этот эффект идет только так глубоко; между 50 и 300 метрами глубины, как обнаружили исследователи, соленые, более плотные слои океана действуют, чтобы изолировать воду от фрикционных эффектов, позволяя вихрям закручиваться круглый год.

Полученные результаты подчеркивают новую связь между вихревой активностью, арктическим льдом и стратификацией океана, которая теперь может быть учтена в климатических моделях для получения более точных прогнозов эволюции Арктики с изменением климата.

"По мере того как Арктика нагревается, этот диссипационный механизм для вихрей, то есть наличие льда, исчезнет, потому что лед не будет там летом и будет более подвижным зимой", - говорит Джон Маршалл, профессор океанографии в Массачусетском технологическом институте. "То, что мы ожидаем увидеть в будущем,-это Арктика, которая гораздо более энергично нестабильна, и это имеет последствия для крупномасштабной динамики Арктической системы."

Соавторами работы Маршалла являются ведущий автор Джанлука Менегелло, научный сотрудник отдела Земли, атмосферы и планетологии Массачусетского технологического института, а также Камилла лик, приятель Эрик Исахсен, Эдвард Доддридж, Жан-Мишель Кампен, целитель Риган и Клод Таландье.

Под поверхностью

Для своего исследования исследователи собрали данные об активности Северного Ледовитого океана, которые были предоставлены океанографическим Институтом Вудс-Хоул. Данные были собраны в период с 2003 по 2018 год с датчиков, измеряющих скорость воды на разных глубинах по всей водной толще.

Команда усреднила данные, чтобы получить временной ряд для получения типичного года скоростей Северного Ледовитого океана с глубиной. Из этих наблюдений появилась четкая сезонная тенденция: в летние месяцы с очень небольшим ледяным покровом они наблюдали высокие скорости и большую вихревую активность на всех глубинах океана. Зимой, когда лед рос и увеличивался в толщине, мелководье останавливалось, и вихри исчезали, в то время как более глубокие воды продолжали проявлять высокоскоростную активность.

"В большей части океана эти вихри простираются до самой поверхности", - говорит Маршалл. "Но в арктическую зиму мы обнаруживаем, что вихри живут под поверхностью, как подводные лодки, болтающиеся на глубине, и они не поднимаются полностью на поверхность."

Чтобы понять, что может быть причиной этого любопытного сезонного изменения вихревой активности, исследователи провели "бароклинный анализ нестабильности"." Эта модель использует набор уравнений, описывающих физику океана, и определяет, как неустойчивости, такие как погодные системы в атмосфере и вихри в океане, развиваются в заданных условиях.

Ледяное растирание

Исследователи включили в модель различные условия, и для каждого условия они ввели небольшие возмущения, похожие на рябь от поверхностных ветров или проходящей лодки, на различных глубинах океана. Затем они запустили модель вперед, чтобы увидеть, будут ли возмущения эволюционировать в более крупные и быстрые вихри.

Исследователи обнаружили, что, когда они включили как фрикционный эффект морского льда, так и эффект стратификации, как в слоях различной плотности арктических вод, модель произвела скорости воды, которые соответствовали тому, что исследователи первоначально видели в реальных наблюдениях. То есть они увидели, что без трения о лед вихри свободно формируются на всех глубинах океана. С увеличением трения и толщины льда вода замедлилась, и вихри исчезли в первых 50 метрах океана. Ниже этой границы, где плотность воды, т. е. его расслоение, резко меняясь, вихрями продолжало закручиваться.

Когда они подключили другие начальные условия, такие как стратификация, которая была менее репрезентативной для реального Северного Ледовитого океана, результаты модели оказались более слабыми по сравнению с наблюдениями.

"Мы первыми выдвинули простое объяснение тому, что мы видим, а именно, что подповерхностные вихри остаются сильными круглый год, а поверхностные вихри, как только вокруг появляется лед, стираются из-за фрикционных эффектов", - объясняет Маршалл.

Теперь, когда они подтвердили, что трение льда и стратификация оказывают влияние на арктические вихри, исследователи предполагают, что эта взаимосвязь окажет большое влияние на формирование Арктики в ближайшие несколько десятилетий. Были и другие исследования, показавшие, что летние арктические льды, и без того отступающие с каждым годом все быстрее, полностью исчезнут к 2050 году. При меньшем количестве льда вода будет свободно закручиваться в вихри на поверхности и на глубине. Повышенная вихревая активность летом может принести тепло из других частей света, еще больше согревая Арктику.

В то же время Зимняя Арктика в обозримом будущем будет покрыта льдом, отмечает Менегелло. Приведет ли потепление Арктики к большей турбулентности океана в течение года или к более сильной изменчивости в течение сезонов, будет зависеть от прочности морского льда.

Как бы то ни было, "если мы переместимся в мир, где нет льда вообще летом и более слабый лед зимой, вихревая активность увеличится", - говорит Менегелло. - Это имеет важное значение для вещей, движущихся в воде, таких как индикаторы, питательные вещества и тепло, а также обратная связь на самом льду."

ИСТОЧНИК