Движение жидкости можно разделить на два вида — ламинарное и турбулентное. У ламинарных течений (обычно медленных) струя представляет собой единое целое и обмен между разными слоями течения происходит на молекулярном уровне. Это означает, что из одного слоя молекулы — носители определенных свойств переходят в соседний слой, тем самым передавая молекулам этого слоя свои свойства. При возрастании скорости силы молекулярного трения не могут «погасить» возмущения, возникающие в струе, вследствие чего ее устойчивость уменьшается. Таким образом создаются условия для проникновения целых объемов из одного слоя теченйя в другой, с сохранением специфических характеристик (температура, соленость, содержание газов и др.). Этот вид движений называется турбулентным. В отличие от ламинарных, которым присуща упорядоченность движущихся частиц, турбулентное движение отличается хаотичностью.
При изучении некоторых сложных явлений в науке очень часто используется метод сравнения их с более простыми. Случай с турбулентным движением аналогичен. При этом считается, что «перескакивающие» из слоя в слой частицы подобны молекулам в ламинарном потоке. Разница, однако, в том, что при турбулентном движении диффундирующие объемы несоизмеримо крупнее молекул. Иными словами, переносимая субстанция гораздо больше, чем в ламинарном потоке. Существуют и другие принципиальные различия. В то время как за молекулой можно наблюдать длительное время (примером тому — движение макромолекул), турбулентные порции, или как их еще называют — турбулентные вихри, спустя некоторое время растворяются в окружающей их жидкости.
Принято считать, что роль турбулентных вихрей аналогична роли молекул в медленно движущихся средах. Как движение молекул приводит к выравниванию в пространстве всех характеристик, так и турбулентный обмен ведет к полному смешиванию жидкостей. Подобно молекулярному трению, существует и турбулентное, только оно намного сильнее первого.
По мнению советского ученого А. Н. Колмогорова, турбулизация в жидкой среде происходит следующим образом. После того, как струя теряет свою устойчивость, от нее начинают отрываться большие турбулентные вихри. Они также являются неустойчивыми образованиями (у них свое время существования или пути смешивания). Дробление вихрей идет до тех пор, пока вся энергия вихря не диссипирует, т. е. превратится в теплоту. Этот каскадный процесс лежит в основе превращения энергии струи в энергию вихря, а затем в теплоту.
В настоящее емя одновременное изучение всех видов океаническ. э и атмосферного движений — от мельчайших до соизмеримых с размерами нашей планеты — невозможно. Но тем не менее было бы неправильным не учитывать при описании общей циркуляции океана мелкие процессы. В таком случае они должны быть включены, или, выражаясь научным языком, параметризированы, т. е. необходимо найти какое‑то количественное выражение их влияния на макромасштабные процессы.
Так каково же отношение турбулентности к океаническим вихрям и кольцам? В отличие от атмосферных циклонов и антициклонов, вихри в океане отличаются небольшими размерами. Поэтому необходимо при численном моделировании циркуляции океана или при измерении океанических полей использовать небольшие пространственные интервалы. Так, при размерах вихря 200 км измерения или расчеты следует проводить примерно через каждые 20 км. Легко подсчитать, что если мы захотим покрыть Мировой океан сеткой, узлы которой будут расположены через каждые двадцать километров, таких точек будет почти миллион. Уровень современных технических возможностей и несовершенство электронно — вычислительных машин в настоящее время исключают это. Значит, нужно параметризировать влияние циклонов и антициклонов в океане на крупномасштабные движения. А чем синоптические возмущения отличаются от турбулентных вихрей?
Траектории погруженных в глубину аппаратов нейтральной плавучести (их относительный вес равен относительному весу морской воды). Одна из задач современной океанографии — объяснить и описать «хаотичность» этих траекторий, применив физические законы движения вод в океане.
Каскадные процессы дробления турбулентных вихрей относились к вихрям, чьи горизонтальные и вертикальные размеры близки. Однако можно ли считать таковыми циклоны и антициклоны в океане? Если они достигают дна во внутренних районах Саргассова моря, то их высота, например, будет почти в сорок раз меньше диаметра. Это означает, что их можно считать двухмерными образованиями. Отсюда возникает вопрос, вправе ли мы законы трехмерной турбулентности применять к двухмерным движениям?
Изучение двухмерной турбулентности, сначала представлявшее чисто теоретический интерес, имеет огромное практическое значение. Оно связано с попыткой разгадать принципы функционирования гигантской термодинамической машины океан — атмосфера, объяснить основные закономерности формирования климата и синоптической изменчивости нашей планеты.
Теорию двухмерной турбулентности трудно изложить популярно. Упомянем лишь об ее основном выводе. Он интересен своей парадоксальностью. Дело в том, что в определенных случаях движения более мелких размеров передают энергию движениям планетарных масштабов, т. е. речь идет об отрицательной вязкости. Если не объяснить это явление, то может сложиться впечатление, что «хаос создает порядок». В действительности это не так. Из‑за двухмерного характера крупных атмосферных и океанических вихрей движения в них более или менее упорядочены. При слиянии двух образований с упорядоченным движением может возникнуть новый элемент циркуляции океана, намного больший, чем вихри, — Сомалийское течение, например. Возможно и то, что какое‑либо оторвавшееся от Гольфстрима кольцо вновь вернется к течению, тем самым отдав ему свою энергию.
А сейчас можно перейти к основному вопросу, который волнует океанографов: как атмосфера передает механическую энергию океану и как она распределяется в нем. Ответ дать нетрудно. Чтобы преодолеть пассивность и инертность океана и повлиять на крупномасштабные процессы в нем, необходимо периодическое воздействие определенного фактора в течение длительного времени. Подобное воздействие, например, может оказать смена муссонов. Они возбуждают колебания (волны Россби), которые в дальнейшем, вследствие взаимодействия, усиливаются и генерируют вихри в океане, которые, в свою очередь, распространяются к его западным берегам. Там они сливаются друг с другом и поглощаются главным потоком (в данном случае Сомалийским течением), отдавая ему свою энергию.
Это постоянно протекающий процесс во всех океанах. Он в значительной степени аналогичен процессу зарождения и эволюции циклонов и антициклонов в атмосфере. Как известно, циклоны и антициклоны определяют погоду, поэтому выражение «погода в океане» можно считать вполне закономерным. Хотя и медленно, эта погода изменяется, океан «живет» по своим правилам и законам. Это подтверждается и рядом экспериментальных данных.
Итак, океан меняется, но как? Ныне существует много теорий изменения океана. Необходимы сложные практические измерения, подтверждающие или отрицающие теоретические данные, чтобы проверить и изучить законы, управляющие «погодой в океане».
ПОЛИМОДЕ
Полигон — 70
Период шестидесятых — семидесятых. годов стал переломным для океанографических исследований. В начале этого периода крупный американский океанограф X. Стомелл в своем обращении к океанографам «Почему наши идеи циркуляции океана имеют столь странное, нереальное качество?» говорит о необходимости проведения экспериментов с целью проверки теоретических идей. В 1972 году академик Л. М. Бреховских пишет: «…накопление наблюдений не может заменить целенаправленного эксперимента».
Океанографы уже давно пришли к мысли, что необходимо объединить свои усилия для проведения подобных экспериментов. Так постепенно с 1969 по 1976 год зрела идея создания программы ПОЛИМОДЕ. С 1974 года начались планомерные работы по ее детальной разработке и частичной реализации. Что же означает слово ПОЛИМОДЕ? Оно является символом преемственности в океанографической практике, символом общностни усилий СССР и США в исследовании океана. Оно возникло из слияния слов Полигон и МОДЕ
— названий советского и американского экспериментов по изучению изменчивости движений в океане, осуществленных в семидесятых годах нашего века. После завершения Аравийского эксперимента в 1967 году появились новые концепции проведения современных измерительных работ по исследованию структуры течений в океане. Его результаты показали, что двух месяцев абсолютно недостаточно для подобных исследований. Оказалось, что необходимо также увеличить количество и плотность автономных буйковых станций (АБС). И лишь спустя три года был осуществлен эксперимент Полигон—70. Научное руководство им было возложено на директора Акустического института АН СССР академика JI. М. Бреховских и заведующего лабораторией гидрологических процессов Института океанологии АН СССР профессора В. Г. Корта. Согласно предварительно разработанной программе, районом эксперимента была избрана обширная область севернее Островов Зеленого Мыса, расположенная в тропической зоне Атлантического океана. На этом полигоне, имеющем форму креста размером 240 х 240 километров, было установлено семнадцать АБС. Шесть научно — исследовательских судов работали в течение семи месяцев на полигоне, обслуживая АБС и выполняя и другие задачи по программе эксперимента.
