Малі океанічні вихори біля Австралії піднімають глибокі води

Дослідження охопило чотири періоди подій у літній, осінній та зимовий сезони Південної півкулі. Загалом виявили 18 вихорів діаметром від 1 до 28 км. Для багатьох із них максимальні числа Россбі перевищували 5, що вказує на сильно відірвану від геострофічної рівноваги динаміку, коли відцентрові сили можуть зрівнюватися або переважати силу Коріоліса. Такі умови відповідають цикло- або градієнтно-вітровій рівновазі в компактних інтенсивних вихорах — режиму, який рідко вдається безпосередньо зафіксувати в польових вимірюваннях.

Теплий мезомасштабний вихор і народження «педді»

Ключовий епізод стався в серпні 2010 року, коли науково-дослідне судно Southern Surveyor працювало в районі шельфу. Мезомасштабний антициклонічний теплий вихор діаметром понад 20 км домінував у регіоні з 2 по 4 серпня. На його периферії сформувалося кілька циклонічних холодних субмезомасштабних вихорів і педді, помітних у супутникових зображеннях хлорофілу та температури поверхні моря, а також у полях поверхневих течій, отриманих з радару.

Один із таких педді, радіусом близько 8 км, утворився на захід від острова Роттнест, змістився на захід і розсіявся. 3 серпня буксирований профілювальний зонд судна перетнув цей вихор і виявив у товщі води нахилену, деформовану «конусоподібну» структуру хлорофілу, що, ймовірно, слідувала за рельєфом дна.

Максимальні концентрації хлорофілу, виміряні з борту судна, сягали близько 0,7 мг/м³ нижче поверхні. Нижче приблизно 75 м над шельфом і 150 м у глибших водах вміст хлорофілу був низьким. Одночасно фіксувалися підвищена солоність, нижча температура та більш насичена киснем вода, що простягалася від глибин близько 150 м до поверхні. Підповерхневі течії мали циклонічний характер: західний потік у бік відкритого океану та східний — ближче до внутрішнього шельфу. Для цього педді число Россбі становило приблизно 4,1.

Дані з якорної станції WACA20 підтвердили картину: холодніші води піднялися з глибини близько 185 м до 40 м, флуоресценція хлорофілу досягала 1 мг/м³ біля поверхні, а напрямок потоку через шельф змінювався, що узгоджується з апвелінгом у центрі вихору.

Глайдери в пастці швидких мікровихорів

Пізніше того ж місяця океанський глайдер буквально потрапив усередину двох швидко обертових педді (вихори 2 і 3), кожен із радіусом близько 2 км і швидкістю обертання понад 1 м/с. Вони сформувалися на периферії більшого субмезомасштабного вихору, захоплюючи холодніші, багаті на хлорофіл води ближче до узбережжя. Їхні числа Россбі перевищували 10, а середні за глибиною течії глайдера досягали 0,52 і 0,51 м/с під час петель 17 і 18 серпня.

Вертикальні профілі показали підняття холоднішої, солонішої води з температурою близько 19,3 °C і солоністю 34,45, разом із низькою флуоресценцією хлорофілу та розчиненого кисню в ядрах вихорів. Це свідчить про складну взаємодію між фізичними процесами підйому води та біогеохімічними властивостями.

Схожі структури спостерігали й в інші сезони. У квітні 2010 року радар і якірні станції зафіксували набір циклонічних і антициклонічних вихорів і педді за умов слабких і помірних південних та південно-східних вітрів. Циклонічний субмезомасштабний вихор із радіусом 24 км змістив ізотерми приблизно на 80 м у районі станцій, тоді як антициклонічний педді підняв води з глибин до 100 м ближче до поверхні.

Холодний циклонічний педді біля внутрішнього шельфу переносив ділянку підвищеного поверхневого хлорофілу на своїй периферії, спричиняючи вертикальне зміщення ізотерми 21 °C приблизно на 130 м. Антициклонічні вихори цього епізоду також були пов’язані з апвелінгом, попри відносно низькі числа Россбі. Автори пояснюють цю невідповідність, зокрема, грубою просторовою роздільною здатністю радара, який згладжує градієнти швидкості та може недооцінювати завихреність.

Роль вітру та «резонанс» із добовим бризом

Вітер виявився ключовим чинником, що формує структуру та життєвий цикл вихорів. За сильних південних вітрів понад 10–11 м/с у лютому 2014 року антициклонічний педді, відстежуваний глайдером, поступово витягнувся й став нестійким. Це збіглося з виходом на поверхню холоднішої, солонішої води, що відповідає посиленню вертикального перемішування та апвелінгу.

Регіон розташований поблизу критичної широти 30° пд., де місцевий інерційний період (~24 години) майже збігається з добовим циклом морського бризу. Це дозволяє майже інерційним хвилям переносити енергію вниз і посилювати вертикальний зсув швидкостей нижче змішаного шару. За висновком авторів, вітри зі швидкістю понад 7 м/с суттєво впливають на внутрішню структуру та тривалість життя вихорів через апвелінг і вертикальне перемішування.

Як вихори керують щільними шельфовими водами

Найнеочікуваніші результати стосуються щільних шельфових вод. У цьому регіоні з середземноморським кліматом сильний теплообмін між океаном і атмосферою створює біля берега щільніші води, які зазвичай уздовж дна рухаються від берега вглиб океану як гравітаційні течії, переважно восени та взимку.

Нові спостереження показали, що субмезомасштабні вихори, включно з педді, можуть захоплювати, піднімати та переносити ці щільні води за межі континентального шельфу. Циклонічні вихори з числом Россбі понад 1 втягували частину щільних шельфових вод у верхні шари, причому підйом був сильнішим за південних вітрів і слабшим за північних.

Під час кампанії з глайдером у травні–червні 2015 року зафіксували кілька дрібних педді радіусом лише 1–2 км. Вони піднімали холодніші, солоніші та щільніші води, разом із водами, багатими на хлорофіл і кисень, ближче до поверхні, навіть за слабких течій менше 0,3 м/с. При цьому числа Россбі перевищували 5 і в окремих випадках сягали понад 10.

Біогеохімічні наслідки для оліготрофного регіону

Біогеохімічний ефект таких вихорів виявився значним. Циклонічні вихори зазвичай накопичували хлорофіл уздовж своїх периферій, тоді як антициклонічні утримували його ближче до центру. Часто спостерігалися «грибоподібні» структури з витягнутими нитками хлорофілу, що простягалися у відкрите море, що свідчить про сильний бічний перенос між сусідніми вихорами.

Високі концентрації розчиненого кисню всередині вихорів узгоджуються з посиленою фотосинтетичною продукцією. Швидко піднімаючи поживні речовини в евфотичну зону, ці структури можуть стимулювати ріст фітопланктону та короткочасні «спалахи» біомаси, що далі впливає на морські харчові мережі.

У бідному на поживні речовини (оліготрофному) регіоні, де поверхневий хлорофіл зазвичай не перевищує 1 мг/м³, такий вихровий підйом може бути важливим джерелом поживних речовин для прибережних вод і створювати сприятливі умови живлення для личинок морських організмів.

Обмеження методів і загальна картина

Автори наголошують і на методичних обмеженнях. Оскільки глайдери та суднові вимірювання охоплюють лише частину поля швидкостей, числа Россбі для цих платформ оцінювали за вздовжтраєкторним зсувом швидкості як наближення, що, ймовірно, занижує повну завихреність.

Коли всі події перерахували за єдиною формулою, що враховує характерну швидкість і радіус кривизни, суднові оцінки згрупувалися біля числа Россбі ~1, що відповідає цикло-геострофічній рівновазі. Натомість значення, отримані з глайдерів, коливалися приблизно від 1 до 20, вказуючи на сильно відірвані від геострофії, центробіжно доміновані умови. Оцінки з радара залишалися нижче 0,5, що свідчить: радар краще «бачить» більші, більш геострофічні потоки й може недооцінювати структури менші за ~10 км.

Попри ці обмеження, багатоплатформні спостереження дають узгоджену картину. Субмезомасштабні вихори на цьому шельфі виникають переважно в зонах сильного горизонтального зсуву — на краях течії Льюїн (Leeuwin Current) та на периферії більших мезомасштабних структур. Вони можуть існувати до трьох діб, а не лише кілька годин, як вважалося раніше, і активно формують розподіл хлорофілу та долю щільних шельфових вод уздовж узбережжя Західної Австралії.

Малі океанічні вихори біля Австралії піднімають глибокі води з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com