Ученые впервые количественно оценили поток энергии внутренних волн в Южном океане
Ветры и приливы передают энергию океану. Значительная часть этой энергии затем переносится на тысячи миль внутренними волнами — крупномасштабными подводными волнами, способными перемещаться между океаническими бассейнами. Количественная оценка объема энергии, переносимой внутренними волнами, и анализ их динамики затруднены из-за их расположения и масштаба. Тем не менее, этот вопрос важен, поскольку динамика внутренних волн взаимодействует с глобальным климатом и подводными экосистемами, влияя на течения, океаническое перемешивание и другие процессы.
Группа исследователей под руководством Ли использовала конфигурацию LLC4320 Общей циркуляционной модели Массачусетского технологического института (MIT General Circulation Model), чтобы лучше понять меридиональные потоки внутренних волн, поступающие в Южный океан и проходящие через него. Они разделили энергию внутренних волн на приливную, ветровую и фоновую составляющие и оценили потоки на широтах от 35° ю.ш. до 65° ю.ш. Моделирование позволило авторам оценить, сколько энергии внутренних волн (измеряемой в гигаваттах) поступает в Южный океан и выводится из него, а также оценить влияние различных батиметрических и гидрографических особенностей на потоки внутренних волн.
Согласно отчету исследователей, чистый поток внутренних волн направлен к полюсу, достигая примерно 15 гигаватт на широтах 35° ю.ш. и 55° ю.ш. и 7 гигаватт на широте 45° ю.ш. Основная часть — более 80% — потока внутренних волн обеспечивается приливами. Напротив, волны, движимые ветром, переносят всего 1–3% энергии, но движутся в противоположном направлении — к экватору — частично компенсируя чистый поток к полюсу. Остальная часть приходится на различные фоновые движения, включая высшие приливные гармоники, подветренные волны и нелинейные взаимодействия. Приливное движение резко снижается на широте 65° ю.ш., составляя менее половины общего потока.
Углубляясь в данные, авторы оценили вклад различных высокоэнергетических зон Южного океана, включая пролив Дрейка и хребет Маккуори, которые связаны с потоками к полюсу и к экватору соответственно. Кроме того, они обнаружили, что энергия приливных сил в целом выводится из Южного океана между 45° ю.ш. и 55° ю.ш., но ввозится в широтных поясах 35°–45° ю.ш. и 55°–56° ю.ш.
Это исследование, первое в своем роде, в котором количественно описана структура потока энергии внутренних волн в Южном океане, может стать ориентиром для будущих наблюдательных работ. Тем не менее, авторы указывают на ряд недостатков модели, которые могут быть устранены в будущих исследованиях. Длительность модельного моделирования была слишком короткой, чтобы охватить сезонную и межгодовую изменчивость потоков внутренних волн, а также не позволила различить типы волн или выявить волновую интерференцию. Будущие улучшения могут включать модальное разложение и использование методов подгонки волн для решения этих задач.
Значение полученных результатов выходит далеко за рамки фундаментальной океанографии. Внутренние волны играют ключевую роль в глобальном перераспределении тепла и углерода, поскольку они способствуют вертикальному перемешиванию водных масс, поднимая глубинные холодные воды к поверхности и опуская теплые поверхностные воды вглубь. Этот процесс, известный как «диапикническое перемешивание», напрямую влияет на скорость поглощения океаном атмосферного углекислого газа и на термохалинную циркуляцию — глобальный конвейер, определяющий климат планеты.
Особый интерес вызывает выявленное авторами преобладание приливного механизма генерации внутренних волн (более 80%) над ветровым. Это указывает на то, что топография дна и гравитационное взаимодействие Луны и Солнца играют более важную роль в энергетике Южного океана, чем считалось ранее. Для региона, который служит связующим звеном между Атлантическим, Индийским и Тихим океанами, понимание источников и путей переноса энергии критически важно для построения точных климатических моделей.
Практическое значение работы также связано с прогнозированием биопродуктивности. Апвеллинги (подъем глубинных вод), усиленные внутренними волнами, выносят в фотический слой биогенные элементы — азот, фосфор, железо, — поддерживая экосистемы на шельфе Антарктиды и вокруг субантарктических островов. Изменение интенсивности внутренних волн под влиянием климатических сдвигов может повлиять на запасы криля, а значит, и на всю пищевую цепочку Южного океана, включая популяции китов, тюленей и пингвинов.
Авторы исследования подчеркивают необходимость продолжения работ с использованием более длительных временных рядов и методов, позволяющих разделять волны по модам. Перспективным направлением также является интеграция данных моделирования с наблюдениями с плавучих обсерваторий (таких как проекты Argo и Argo-Deep) и спутниковой альтиметрии, что позволит создать целостную картину энергообмена в одном из самых труднодоступных и важных для климата регионов Земли. (Journal of Geophysical Research: Oceans)
