Океан является центральным компонентом климатической системы Земли. Однако он находится в постоянном движении, и понимание передачи кинетической энергии является ключом к улучшению моделей океана.

Различные океанские течения Земли регулируют наш климат, перемещая нагретую Солнцем воду от экватора к полюсам. Отслеживание того, как энергия движения течёт между различными уровнями циркуляции — от массивных струй и водоворотов до локализованных областей с высокой турбулентностью и наоборот — было давней научной задачей.
Теперь в исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, группа океанографов разработала глобальную карту переноса энергии в океане, впервые описывающую, как круговороты, охватывающие тысячи километров, взаимодействуют с гораздо меньшими и недолговечными водоворотами.
«Я считаю, что то, что мы сделали, закладывает многообещающий план детерминистской атрибуции климата», — сказал Хусейн Алуие (Hussein Aluie), специалист по динамике жидкости из Рочестерского университета. «Это даёт нам основу для понимания того, как изменение климата в глобальном масштабе влияет на региональные закономерности, включая конкретные погодные явления».
С этой целью, по словам Алуие, команда стремится связаться с учёными, изучающими атмосферные реки или системы ураганов.

Массивные водовороты и турбулентные водовороты

Океанские круговороты — это вихревые циркуляции, вращающиеся по спирали внутри каждого из крупнейших океанских бассейнов мира. Подгоняемые ветром и вращением планеты, эти системы формируют долгосрочные климатические условия в прибрежных регионах, перенося тепло и управляя штормами. Их окружают большие постоянные течения, такие как Гольфстрим вдоль восточного побережья Соединённых Штатов.
Сотни тысяч закрученных водоворотов также распространены по океанам. Они формируются в виде небольших порций воды внутри течений и являются океаническим эквивалентом локальных погодных систем на суше.
В отличие от погоды на суше, которая обычно меняется в течение нескольких дней, эти вихри обычно длятся несколько недель или месяцев и могут преодолевать сотни тысяч километров, прежде чем рассеяться. Подобные закономерности затрудняют разработку математических формул для их описания.
«Учёные давно предполагают, что эти вездесущие и, казалось бы, случайные водовороты взаимодействуют с круговоротами климатического масштаба, но было неясно, как распутать эту сложную систему и измерить их взаимодействие», — сказал Алуие.
Команда разработала новый подход к описанию взаимодействия между круговоротами и вихрями, чтобы определить количество передаваемой кинетической энергии между ними.
«Это открывает замечательную картину того, как океан работает, которую мы хотели получить на протяжении поколений», — сказал Стивен Гриффис (Stephen Griffies), физик из NOAA и соавтор исследования. «Это позволяет нам визуализировать, как энергия движения течёт в разных масштабах, от планетарного масштаба до очень маленького, настолько маленького, насколько вы можете наблюдать».
На определённых широтах водовороты активизируют вихри. В других местах они ослабляются или извлекают из них энергию. И эти закономерности отражают то, что происходит в атмосфере.
Исследователи обнаружили, что модели потока энергии в океане опосредованы атмосферой и соответствуют трём основным атмосферным циркуляциям планетарного масштаба: низкоширотным ячейкам Хэдли, в которых воздух поднимается на экваторе и опускается примерно на 30° широты, ячейкам Феррела в средних широтах и полярным ячейкам. Там, где имеют место ячейки Хэдли, в полосе, известной как зона внутритропической конвергенции, передача энергии от круговоротов создаёт наиболее интенсивные турбулентные вихри.

Здесь показаны океанические погодные системы (вихри) на основе данных, наложенных на атмосферные течения климатического масштаба (линии с черными стрелками). Изображение показывает, как эти погодные системы океана активизируются (красные области) или ослабляются (синие области) при взаимодействии с климатическими масштабами, что соответствует схеме, отражающей глобальную циркуляцию атмосферы.

Это влияние атмосферы раньше не было концептуализировано, и именно поэтому это исследование представляет собой «шаговый сдвиг в нашем понимании цикла кинетической энергии океана», по словам Друва Балвады (Dhruv Balwada), физического океанографа из Земной обсерватории Ламонт-Доэрти, не участвовавшего в исследовании. «До этого [исследования] понимание того, как кинетическая энергия перемещается в масштабах, ограничивалось локальными регионами и масштабами до нескольких сотен километров. Эта методология позволяет впервые по-настоящему глобально оценить эти трансферты».

Картирование энергии движения

Новый подход команды основан на методе фильтрации, известном как грубая зернистость. Это похоже на то, как оптометрист использует серию линз, чтобы сделать зрение человека более чётким, только наоборот, говорит Бенджамин Сторер (Benjamin Storer), прикладной математик, специализирующийся на океанских процессах в Университете Рочестера. «Мы медленно, шаг за шагом отслеживаем, что меняется на каждом этапе». Анализ позволил исследователям подсчитать, сколько энергии задействовано в каждом масштабе разрешения.
Более чёткое понимание передачи энергии является ключом к пониманию динамики океана, говорит физический океанограф Сара Гилл (Sarah Gille) из Океанографического института Скриппса. Климатические модели часто игнорируют вихревые процессы, но «глобальная оценка силы» исследования даёт веские аргументы в пользу их решения, поскольку они играют сложную роль в глобальном энергетическом балансе, сказала она.
Большинство моделей глобальной системы Земли представляют океан с разрешением примерно 1° широты × 1° долготы — недостаточно высокого, чтобы отразить океанские водовороты. В настоящее время для включения вихрей используются региональные уменьшенные модели, но разрабатываются новые глобальные модели с «богатыми вихрями», сказал океанограф Джо О'Каллаган (Joe O’Callaghan) из Oceanly, который был сопредседателем официального документа Десятилетия океана Организации Объединённых Наций по глобальным системам наблюдения за океаном.
По словам О'Каллахана, одним из наиболее важных выводов команды является то, что многие океанские водовороты проникают через всю толщу воды. «Как океанограф-наблюдатель, [я думаю] это подчёркивает необходимость многомасштабных наблюдений от поверхности до глубин океана, чтобы охарактеризовать тепло, потоки или продуктивность на глубине».
Алуие планирует применить эту технику для картирования десятилетней изменчивости колебаний, таких как Южная кольцевая мода, описывающая движение с севера на юг пояса западных ветров, окружающего Антарктиду.

 

Ссылка: https://eos.org/articles/mapping-the-oceans-motion-energy