Океан — это динамичная загадка. Люди стремились понять его поведение с тех пор, как первое океанское судно столкнулось с его сложными водами.
Один феномен, который годами ставил в тупик исследователей, заключается в том, как вихри круговых течений шириной в несколько километров, известные как океанские кольца или водовороты, остаются нетронутыми. Океанические кольца имеют решающее значение для переноса тепла и питательных веществ по всему океану и могут существовать от нескольких месяцев до нескольких лет.
Как подробно описано в последнем выпуске журнала Geophysical Research Letters, похоже, что докторант факультета океанографии Военно-морской аспирантуры (NPS) Ларри Гулливер и профессор Тимур Радко взломали код того, почему одни океанские кольца сохраняются до десяти лет, а другие рассеется в течение нескольких месяцев: топография морского дна.
Это новое понимание того, как дно океана влияет на поверхностные течения, улучшит сложные числовые модели, используемые сообществом метеорологов и океанографов ВМФ (METOC) для предоставления важной информации оперативным командирам.
«Нам необходимо устранить систематические погрешности, присущие численным моделям , и некоторые из них связаны с тем, как модели обрабатывают мелкомасштабную топографию дна», — объясняет Радько.
Вихри могут создавать свои собственные погодные и волновые узоры, а также, среди прочего, влиять на акустику. Исследование было достаточно значительным, чтобы сделать обложку журнала (том 49, выпуск 5) с компьютерным изображением модели, созданной Гулливером, в качестве основного изображения.
«Это как попасть на обложку Rolling Stone… Ты же рок-звезда», — шутит Радько. «[Гулливер сделал это] с первой попытки. Это его первая статья в качестве ведущего автора».
Радко и Гулливер называют свое открытие «эффектом наждачной бумаги» — прозвище, ассоциирующееся с мелкими абразивными частицами наждачной бумаги, которые могут шлифовать гораздо более крупные объекты. Точно так же мелкомасштабная текстура морского дна замедляет течения у дна океана, что повышает стабильность и долговечность океанских колец у поверхности.
Ученые пытались выяснить, что делает большие вихри стабильными и долгоживущими в течение примерно 50 лет, но никому не пришло в голову взглянуть на мелкомасштабную топографию дна океана, потому что казалось, что оно слишком далеко, чтобы воздействовать на эти океанские кольца. Обычно теоретики даже не учитывают топографическую шероховатость при рассмотрении активности поверхностных вод.
«Теперь у меня есть сомнения [насчет нынешних моделей ]», — признается Радько. «Если эта мелкомасштабная топография влияет на этот вихрь, она может повлиять на течения, волны и тому подобное. Я начинаю скептически относиться ко всему, что предполагает, что дно гладкое».
Без учета мелкомасштабной топографии физики предполагают, что океанские кольца должны рассеяться в течение нескольких недель. Это было проверено на старых документах, которые не учитывали шероховатость дна в своих моделях. Исследователи NPS поняли, что ключом к «идеальной модели» является максимально реалистичная топография. Они приняли статистическое представление неровностей дна, обеспечиваемое реальными системами эхолота. Возможно, океанографы не смогут в ближайшее время измерить каждую деталь рельефа дна во всем океане, но они достаточно хорошо понимают его статистические свойства. Модель шероховатости дна в исследовании Гулливера и Радко математически представляет, как выглядит среднее морское дно.
«Мы позаимствовали это, позаимствовали то, позаимствовали другую идею, собрали вместе, и это сработало!» — говорит Гулливер. Он и Радько до сих пор смеются, вспоминая свое удивление. «Это было довольно быстро, [но] мне пришлось запустить еще несколько симуляций, чтобы убедиться».
Исследователи могут описать свое важное открытие как быстрое и легкое, хотя на самом деле это было совсем не так. Четыре года интенсивных исследований, сотрудничество с пятью другими учреждениями, различные исследовательские вопросы и методы моделирования… В конце концов, дуэт подтвердил свою работу с помощью других моделей, подтвердив, что мелкомасштабная топография действительно была недостающей частью, чтобы раскрыть долголетие вихрей. Их открытие дает исследователям и офицерам METOC ВМФ еще одну часть сложной головоломки понимания того, как устроен океан.
Забегая вперед, Гулливер готовится к защите докторской диссертации в декабре, а Радко планирует работать с Военно-морской исследовательской лабораторией (NRL), чтобы посмотреть, как Гибридная координатная модель океана (HYCOM) ВМФ представляет водовороты. Он надеется, что их исследование поможет повысить точность модели.
