Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В 2021 году в рамках проекта было проведено исследование процесса формирования и распространения плюма реки Бзыбь на основе натурных данных и данных аэрофотосъемки. Ветровое воздействие является основным фактором, влияющем на динамику речного плюма. Направление и скорость ветра определяют положение, форму и размер речного плюма. В течение последних десятилетий значительное количество исследований было посвящено отклику речных плюмов на ветровое воздействие. При этом практически все работы были основаны на численном моделировании, в то время как непосредственные натурные измерения этого процесса практически не проводились из-за своей сложности. В апреле 2021 года впервые были проведены прямые измерения отклика малого речного плюма на ветровое воздействие. С помощью квадрокоптеров была проведена практически непрерывная аэрофотосъемка плюма реки Бзыбь во время светлого времени суток в течение трех дней. Аэрофотосъемка сопровождалась синхронными контактными измерениями ветрового воздействия (а дискретностью 1 минута), а также термохалинной структуры и скорости течения в плюме. На основе этих данных были получены оценки скорости отклика динамики распространения плюма на изменение условий ветрового воздействия. В частности, были восстановлены скорости движения внешней границы плюма с беспрецедентно высоким пространственным (~ 10 м) и временным (~ 1 минута) разрешением. Было установлено, что скорость движения внешней границы плюма линейно зависит от скорости ветра (и составляет примерно 1/20 скорости ветра) с очень малым временем отклика (10-20 минут). В условиях умеренного ветрового воздействия (< 5 м/с) при развороте направления ветра в течение нескольких часов происходит полная перестройка плюма вплоть до смены вдольберегового направления распространения плюма на 180 градусов. Смена направления распространения затрагивает только приустьевую часть плюма, что приводит к отрыву и перемешиванию внешней части плюма. Полученные результаты имеют ключевое значение для понимания и моделирования динамики распространения речных плюмов. Также в рамках экспедиционных работ в зоне распространения плюма Бзыби были продолжены исследования внутренних волн, которые генерируются во многих малых речных плюмах, расположенных в различных регионах мира. Аэрофотосъемка с помощью квадрокоптеров и синхронные натурные измерения термохалинной структуры и скорости течения в плюме показали, что распространение и обрушение этих волн не вызывает горизонтальный перенос массы внутри плюма, вызванный сдвиговой неустойчивостью, что было предположено в недавнем исследовании этого процесса с помощью численного моделирования. Было показано, что фазовая скорость распространения внутренних волн затухает по мере удаления от источника, были получены численные оценки этого процесса (уменьшение скорости вдвое на расстоянии 1 км от речного устья). Аэрофотосъемка малых речных плюмов северо-восточного побережья Черного моря (Мзымта, Кодора, Бзыбь) зарегистрировала вихреобразную структуру протяженных участков их четких внешних границ, проявляющуюся в чередовании специфических выпуклых и вогнутых сегментов длиной 5–30 м и шириной 2-10 м. На размытых границах, которые интенсивно перемешиваются с окружающим морем, вихреобразная структура не наблюдалась. Подобные вихреобразные фронты начинаются от речных устьев и ограничивают впадающую в море речную струю. Вихреобразные фронты не наблюдались во внешней части плюма и в зоне прибоя в периоды активного обрушения волн из-за интенсивного перемешивания. Квадрокоптерная видеосъемка зафиксировала повторяющийся циркуляционный процесс вдоль вихреобразных фронтов. После формирования выпуклого сегмента на границе плюма, он начинает увеличиваться, расширяясь в сторону моря. Увеличиваясь, соседние вихреобразные структуры сливаются, механически захватывая небольшую область соленой морской воды (площадью 0.1–0.5 м2) и перенося их через границу плюм–море. Слившиеся выпуклые сегменты диссипируют, а захваченная область морской воды перемешивается внутри плюма, после чего возобновляется процесс формирования новых выпуклых сегментов на этом участке границы плюма. Этот повторяющийся процесс непрерывного образования, расширения, слияния и диссипации выпуклых сегментов наблюдался по всей длине вихреобразных фронтов исследуемых малых речных плюмов. Время существования отдельного сегмента от его образования до диссипации составляло 1–2 минуты. Вихреобразная структура четкой границы плюма, по-видимому, формируется из-за бароклинной нестабильности между плюмом и окружающим морем. Натурные измерения, проведенные на вихреобразных фронтах, показали, что большой градиент давления поперек границы плюма, является источником потенциальной энергии, вызывающей образование вихреобразной фронтальной структуры. Небольшое возмущение границы плюма и образование локального выпуклого сегмента приводит к увеличению локальной длины границы и, следовательно, к увеличению адвекции по нормали к границе, индуцируемой градиентом давления. Этот процесс вызывает непрерывное расширение выпуклого сегмента до тех пор, пока он не сольется с соседним выпуклым сегментом. Слияние двух сегментов с захватом области соленой морской воды и ее последующее перемешивание с плюмом приводит к уменьшению локальной аномалии солености и, следовательно, к уменьшению локального градиента давления. Это обеспечивает отрицательную обратную связь и препятствует дальнейшему образованию выпуклого сегмента на данном участке границы, увеличивая вероятность возникновения возмущения на смежных участках. На основе данных термохалинных измерений было получены оценки интенсивности перемешивания плюма Бзыби через нижнюю границу с морем, вызванного сдвигом скорости между плюмом и морем, и интенсивности перемешивания плюма через боковую границу с морем, вызванного формированием латерального градиента давления на этой границе. Было установлено, что интенсивность перемешивания через латеральную границу всего в 5 раз меньше, чем через нижнюю границу плюма, что указывает на важную роль этого малоизученного процесса в перемешивании речных и морских вод и формировании структуры речного плюма. При увеличении плюма длина его границы растет линейно, а площадь квадратично. Таким образом, при уменьшении размеров плюма относительная интенсивность латерального перемешивания (по сравнению с вертикальным перемешиванием на нижней границе плюма) увеличивается, а при увеличении размеров - уменьшается. В силу этого латеральное перемешивание, по-видимому, играет значимую роль для малых плюмов и пренебрежимо мало для больших плюмов. По результатам проекта в 2021 году опубликованы две статьи: Osadchiev et al., 2021. Response of a small river plume on wind forcing. Frontiers in Marine Science (impact factor 4.435) и Osadchiev et al., 2021. Internal waves as a source of concentric rings within small river plumes. Remote Sensing (impact factor 4.848), обе статьи из списка Q1. Также по результатам исследований, проведенных в рамках проекта, начиная с 2018 года, подготовлена к печати монография А.А. Осадчиева "Речные плюмы". Печать монографии планируется в начале 2022 года.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
По результатам исполнения проекта в 2022 году опубликованы три статьи из списка Q1: • Sedakov et al., 2022. Large chocked lagoon as a barrier for river – sea flux of dissolved pollutants: case study of the Azov Sea and the Black Sea. Marine Pollution Bulletin (impact factor 7.001) • Osadchiev et al., 2022. Lateral border of a small river plume: Salinity structure, instabilities and mass transport. Remote Sensing (impact factor 5.349) • Korotenko et al., 2022. Mesoscale eddies in the Black Sea and their impact on river plumes: numerical approach and satellite observations. Remote Sensing (impact factor 5.349) Также по результатам исследований, проведенных в рамках проекта, начиная с 2018 года, опубликована монография А.А. Осадчиева "Речные плюмы". Анализ натурных измерений и аэрофотосъемки позволил выделить два типа фронтальной неустойчивости, которые формируются на границе малых речных плюмов. Первый тип неустойчивости возникает в приустьевой инерционной зоне речного плюма при наличии большого сдвига скорости на границе плюма и моря (>20–30 см/с). Эти неустойчивости проявляются относительно небольшими по размеру вихревыми структурами на границе плюма (~3–7 м) с асимметричной завихренностью и являются неустойчивостями Кельвина-Гельмгольца, вызванными градиентом сдвига скорости. Они формируются при числе Ричардсона менее 0.25. Второй тип неустойчивости генерируется во внешней части плюмов и характеризуется большим разбросом размера вихревых структур (~5–50 м). Эти неустойчивости имеют симметричную завихренность и являются неустойчивостями Рэлея-Тейлора, вызванными градиентом давления на границе плюм-море. Неустойчивости Рэлея-Тейлора формируются при числе Ричардсона более 1, линейный размер вихревых структур пропорционален числу Атвуда. Обе неустойчивости индуцируют водообмен через границы плюм-море, что изменяет структуру солености границ плюма и усиливает латеральное перемешивание плюмов малых рек и морских вод. На основе численного моделирования была исследована синоптическая и сезонная изменчивость плюмов малых рек в северо-восточной части Черного моря. Моделирование речных плюмов в маловодные и полноводные годы показало, что среднегодовые размеры речных плюмов в прибрежных районах больше зависят от продолжительности паводков, чем от ветрового воздействия. Сезонная изменчивость площадей плюмов зависит в основном от объема речного стока, ветра и формы берегов у устьев рек. Изменчивость ветра вызывает значительные изменения в структуре плюмов на синоптическом, суточном и часовом временных масштабах. Проанализированы результаты первого долгосрочного (в течение одного года) мониторинга плавучего мусора на реках Дон (2016-2017), Сочи (2020-2021) и Мацеста (2021-2022), впадающих в северо-восточную часть Черного моря, и получены общие оценки выноса плавучего мусора с реками в этот регион. Наблюдениями установлено, что средние потоки речного мусора на реках Дон, Сочи и Мацеста составляют 6-101, 1-107, 1-24 шт/час соответственно. Совместный анализ данных речного расхода и мониторинга плавучего мусора позволил установить взаимосвязь этих характеристик для рассматриваемых рек. На основании полученных зависимостей суммарный годовой сток плавучего мусора для рек Дон, Сочи и Мацеста оценивается в 1-2•10^5, 2-4•10^4, 1-3•10^4 шт/год соответственно. В предположении, что зависимости для рек Дон, Сочи и Мацеста репрезентативны для всех больших, средних и малых рек рассматриваемого региона был рассчитан суммарный годовой сток речного мусора из всех рек в северо-восточную часть Черного моря, составляющий 5•10^5 шт/год. Проведены численные эксперименты для исследования взаимодействия изолированного кавказского антициклонического вихря с лагранжевыми частицами, имитирующий процесс вовлечения речных плюмов в вихрь при его движении вдоль берега. В отличие от циклонических вихрей, которые выносят захваченные воды в прибрежную зону, антициклонические вихри аккумулируют речные воды и взвешенные и растворенные вещества речного происхождения. Последовательные фазы распространения частиц, маркирующих воды речных плюмов, выявили важные детали их перемещений при наличии вихря: (1) на стадии развития молодой антициклонический вихрь втягивает воды из речных плюмов и удерживает их внутри ядра, (2) основная утечка частиц происходит на зрелой стадии, несмотря на еще сохранившуюся когерентность вихря, (3) в результате дальнейшего затухания вихря большая часть частиц его покидает, но некоторые из них все еще захвачены вихрем. К концу эксперимента 40% частиц были вынесены из прибрежной зоны в открытую часть Черного моря, что свидетельствует о том, что эффект самоочищения прибрежной зоны антициклоническими вихрями может быть значительным. Кросс-шельфовый перенос вод плюмов из прибрежной зоны в открытое море увеличивается по мере прохождения последовательных антициклонических вихрей. С помощью численного моделирования изучен процесс распространения и перемешивания азовоморских вод и переносимых ими загрязнений в Черном море. Численные эксперименты показали, что растворенные загрязняющие вещества речного происхождения, поступающие в Азовское море из реки Дон в первые несколько лет аккумулировались в западной части моря, после чего через 5-10 лет равномерно распространялись по всей площади моря. В Черном море повышенные концентрации наблюдались вдоль континентального склона и на северном и северо-западном шельфе, в то время как районы дивергенции в центральной части моря имеют наименьшее загрязнение. Равномерное распределение загрязняющих веществ в Черном море наблюдалось через 10-15 лет после начала их поступления из Дона в Азовское море. Наличие сильного галоклина в Черном море препятствует проникновению растворенных загрязняющих веществ ниже глубин 150 м, сохраняя их локализованными в верхнем слое моря, при этом максимальные концентрации загрязняющих веществ в Черном море на два порядка меньше, чем в Азовском море. Численное моделирование наглядно показывает, что Азовское море играет роль эффективного барьера для переноса растворенных загрязняющих веществ из реки в море, чего не наблюдается в эстуариях открытого типа. В частности, Азовское море задерживает приток 50% объема речного загрязнения в Черное море на 4 года, что представляет собой среднее время пребывания загрязняющих веществ в эстуарии. Этот результат показывает, в какой степени Азовское море замедляет непрерывный приток фонового загрязнения из реки Дон в Черное море. 95% сбрасываемого речного загрязнения поступает в Черное море только после временного лага в 15 лет, что можно оценивать, как размер временного интервала необходимый для самоочищения Азовского моря. С другой стороны, 5% сброса речного загрязнения достигает Черного моря уже через 9 месяцев. Этот относительно небольшой временной лаг демонстрирует, как быстро сигнал аварийного сброса загрязняющих веществ в реке Дон может достичь Черного моря.