КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-77-10004
НазваниеДинамика полярных вод в узких проливах и глубоководных желобах
РуководительФрей Дмитрий Ильич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук, г Москва
Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2025 |
Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-501 - Физика океана
Ключевые словаЦиркуляция океана, гравитационные течения, термохалинная структура, внутренние волны, ADCP измерения, CTD измерения, море Уэдделла, Карское море, спутниковая альтиметрия, пролив Брансфилда, Карские ворота, пролив Вилькицкого, канал Вима, желоб Святой Анны, численное моделирование
Код ГРНТИ37.25.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Узкие проливы и глубоководные желоба являются ключевыми точками для циркуляции вод в придонном и приповерхностном слое Мирового океана. Мониторинг течений в подобных узостях позволяет установить характеристики водообмена между отдельными морями в поверхностном слое, либо между отдельными глубоководными котловинами в абиссальном слое океана, что важно для климатических оценок перераспределения тепла при движении холодных полярных вод. Также в таких точках значительно увеличивается степень перемешивания вод, что является важным фактором для формирования наблюдаемой вертикальной стратификации океана.
Главной целью данного проекта является исследование особенностей динамики придонных и приповерхностных потоков через ряд проливов и желобов. При этом планируется как определить региональные особенности течений через конкретные узости в морях российской Арктики и Атлантическом секторе Антарктики, так и установить фундаментальные закономерности, связанные с влиянием тех или иных физических процессов на динамику вод в желобах и проливах. В основу проекта заложены накопленные коллективом натурные измерения, выполненные за последние 5 лет в некоторых ключевых узостях на пути распространения полярных вод: в проливах Карские ворота и Вилькицкого (8 экспедиций), желобе Святой Анны (3 экспедиции), проливы Брансфилда и Антарктика (4 экспедиции), проходы хребта Саут-Скотия (2 экспедиции), канал Вима (6 экспедиций). Существенная часть данных из этого архива будет впервые детально проанализирована именно в ходе выполнения заявляемого проекта.
В ходе выполнения проекта планируется решение следующего ряда задач. На основе комплексных измерений на серии разрезов будет изучена трехмерная структура течений в исследуемых регионах океана, при этом будет анализироваться как термохалинная (и, соответственно, плотностная) структура течений, так и их кинематическая структура. Сочетание подобных измерений позволяет исследовать различные аспекты динамики океана. Кроме этого, ключевой особенностью проекта является использование автономных океанографических заякоренных станций, активно применяемых коллективом проекта в высоких широтах Северного Ледовитого и Южного океанов. Важной задачей проекта является изучение изменчивости течений на различных временных масштабах с использованием данных автономных буйковых станций.
Следует отметить, что измерения в исследуемых ключевых точках Мирового океана крайне немногочисленны, а в некоторых абиссальных каналах и проходах Южной Атлантики не выполнялись никогда. При этом они играют ключевую роль в переносе холодных полярных вод, в глобальном перераспределении тепла и в формировании наблюдаемой стратификации океана. Понимание этих процессов особенно важно в условиях изменяющегося климата, а также для настройки и валидации численных моделей циркуляции океана, в которых моделирование течений в узких проливах и желобах представляет собой важную и сложную задачу.
Ожидаемые результаты
Результатом выполнения проекта будет существенный вклад в понимание различных аспектов динамики вод в узких проливах и глубоководных желобах. В рамках проекта будут получены новые натурные данные по циркуляции в исследуемых узостях на пути распространения приповерхностных и придонных вод. Детальное проведение CTD и ADCP съемок в этих ключевых для распространения полярных вод точках позволяет анализировать одновременно и плотностную, и кинематическую структуру течений, что делает возможным исследования различных динамических процессов. В ходе проекта планируется получить фундаментальные знания об особенностях формирования стратификации вод в условиях узких проливов и желобов, оценить влияние внутренних волн на перемешивание и диссипацию энергии, определить особенности приливных потоков в узостях в придонном и приповерхностном слое, установить влияние ветрового форсинга, морского льда и крупных айсбергов на течения в проливах. Следует отметить, что детальные CTD и ADCP съемки в некоторых ключевых желобах на пути распространения глубинных и донных полярных вод либо единичны, либо не проводились никогда; недостаток натурных наблюдений также очевиден и для ряда проливов, особенно проливов российской части Арктики. При этом динамика вод в подобных узостях влияет на глобальные климатические процессы за счет регулирования переноса холодных полярных вод и особенно критична для изучения в условиях изменяющегося климата.
В практическом отношении полученные результаты важны для валидации численных моделей циркуляции океана, в которых воспроизведение интенсивных течений в узостях является сложной задачей. Качественная работа подобных моделей важна для различных прикладных задач. В ходе проекта также будет установлена возможность использования спутниковой альтиметрии для воспроизведения потоков в верхнем слое океана в различных проливах; планируется изучение этого вопроса для вдольтрековых и интерполированных на регулярную сетку спутниковых продуктов. Исследования циркуляции вод в проливах Антарктического полуострова важны для понимания динамики экологических сообществ, в частности необходимы для оценки биомассы промысловых видов, что является основной темой ряда российских экспедиций в Южный океан в 2020-2022 гг. Кроме того, придонные течения обуславливают развитие бентосных организмов, а также важны для процессов осадконакопления и эрозии дна. Таким образом, изучение циркуляции в исследуемых районах важно не только с точки зрения физики течений, но и для дальнейших исследований биологических и геологических процессов.
В рамках выполнения проекта будут получены следующие конкретные научные результаты:
1. Будет получена трехмерная структура течений и термохалинная структура вод в нескольких ключевых проливах (в Южном океане проливы Брансфилда и Антарктика; в Северном Ледовитом океане проливы Вилькицкого и Карские ворота) и глубоководных желобах (в Южном океане многочисленные проходы в хребте Саут-Скотия, а также в канале Вима юго-западной Атлантики; в Северном Ледовитом океане исследования будут сосредоточены в желобе Святой Анны). При этом запланирован как анализ измерений 2020-2022 гг, полученных в рейсах с участием исполнителей гранта, так и проведение новых измерений в рамках рейсов ИОРАН.
2. На основе анализа данных заякоренных станций будут определены механизмы, обуславливающие изменчивость придонных течений в глубоководных желобах на различных временных масштабах. Будет получена новая информация о внутренних волнах в малоизученных районах, проведено сравнение наблюдаемых внутренних волн в Арктике и Антарктике.
3. Будут установлены границы применимости спутниковой альтиметрии для исследования циркуляции верхнего слоя океана в условиях узких проливов высоких широт. Данные результаты будут получены как для вдольтрековой альтиметрии (уровня L3), так и для различных продуктов на регулярной сетке (L4). Проведение специальных подспутниковых измерений на треках спутников.
4. По данным атмосферных реанализов в сочетании с натурными измерениями течений будет определено влияние ветрового воздействия на циркуляцию вод в проливах Арктики и Антарктики.
5. Будет установлено влияние антарктических айсбергов на крупномасштабную циркуляцию района проливов Брансфилда и Антарктика. По данным натурных наблюдений будут оценены возможные изменения скорости течений в зависимости от прохождения айсбергов на север вдоль западной части круговорота Уэдделла.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В результате выполнения первого года проекта были получены новые данные по термохалинной структуре и кинематике течений в узких глубоководных желобах, систематизированы предыдущие наблюдения в некоторых ключевых проливах Арктики и Антарктики, исследована применимость некоторых глобальных баз данных к задачам, выполняемым в рамках проекта. Детальный анализ собранного массива данных был проведен в первую очередь в проливе Брансфилда в Антарктике, в проливе Карские ворота в Арктике и на входе в глубоководную впадину Вима в узком абиссальном разломе Романш, который обеспечивает перенос холодных антарктических вод из западной Атлантики в восточную. Ключевыми результатами первого года выполнения проекта являются:
1. Накопленный массив данных прямых измерений скорости, выполненный с помощью судовых акустических доплеровских профилографов скорости (SADCP), позволил уточнить наши представления о циркуляции в проливе Брансфилда. В частности, было впервые показано наличие антициклонической циркуляции вокруг острова Десепшен и уточнены пути затока вод, формирующих течение Брансфилда вдоль архипелага Южные Шетландские острова. Была показана сложная структура течений к востоку от этого архипелага с интенсификацией течений в глубинном и придонном слоях. Было также установлено, что прибрежное течение вдоль Антарктического полуострова является в существенной степени баротропным, в то время как течение Брансфилда является бароклинным.
2. На основе данных погружного доплеровского профилографа скорости течений (LADCP) было впервые показано существование глубинного перетока между центральной и восточной котловинами пролива Брансфилда. Скорости течений на глубине 1000 м превышают 20 см/с, при этом CTD данные показывают, что происходит перелив наиболее холодной и плотной воды в направлении с запада на восток. Кроме этого, было показано, что это течение является сильно изменчивым и выбрано место для дальнейшей постановки заякоренной станции в этом районе. Измерения, выполненные на серии разрезов в поперечном проливу направлении, позволили также рассчитать перенос различных водных масс между отдельными котловинами пролива Брансфилда.
3. Исследована применимость спутниковой альтиметрии к исследованию течений в проливе Брансфилда и получены некоторые результаты на основе этих данных. В частности, впервые было показано, что антициклоническая циркуляция вокруг архипелага Южные Шетландские острова наблюдается в течение всего года, включая зимние месяцы Южного полушария. При этом сравнение геострофической циркуляции, рассчитанной по спутниковым данным, с данными прямых измерений скорости показывают, что ежедневные поля спутниковой альтиметрии, используемые без усреднения за большой срок, могут восстанавливать циркуляцию с существенными неточностями. Таким образом, аккуратная валидация альтиметрии в районе исследований остается актуальной и должна проводиться в зависимости от поставленной задачи.
4. На основе большого набора CTD-данных была получена новая информация о пространственной структуре плюма реки Печора на востоке Баренцева моря (в Печорском море) и ее временной изменчивости. Было показано, что максимальную площадь плюм занимает с конца мая по конец июля, зональный и меридиональный размер составляет около 250 и 150 километров, соответственно. Минимальный размер плюма наблюдается поздним летом и осенью. Было также показано, что ветровой форсинг является ключевым фактором, определяющим изменчивость структуры плюма. В частности, время от времени плюм может затекать в пролив Карские ворота.
5. Новые измерения, выполненные в абиссальном разломе Романш, выявили сложную структуру придонного гравитационного течения в центральной части разлома на входе в глубоководную впадину Вима. Было впервые показано, что поток в этом месте расщепляется на три струи в горизонтальной плоскости за счет особенностей донной топографии. Помимо этого, в вертикальной плоскости поток также делится на две отдельных ветви: в дополнение к придонным ветвям наблюдается одна наиболее интенсивная глубинная ветвь на уровне абиссального пикноклина. Сравнение наших данных с LADCP измерениями, выполненными в предыдущие годы, показали, что подобная конфигурация потока наблюдается по всей длине разлома Романш. Таким образом, нам удалось показать важность наиболее мелководной седловины разлома в формировании структуры потока антарктических вод между Западной и Восточной Атлантикой в этом районе.
Публикации
1. Битютский Д.Г., Самышев Э.З., Минкина Н.И., Мельников В.В., Чудиновских Е.С., Усачев С.И., Салюк П.А., Серебренников А.Н., Зуев О.А., Орлов А.М. Distribution and Demography of Antarctic Krill and Salps in the Atlantic Sector of the Southern Ocean during Austral Summer 2021–2022 Water, 14, 3812 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/w14233812
2. Касьян В.В., Битютский Д.Г., Мишин А.В., Зуев О.А., Мурзина С.А., Сапожников Ф.В., Калинина О.Ю., Семин В.Л., Колбасова Г.Д., Воронин В.П., Чудиновских Е.С., Орлов А.М. Composition and Distribution of Plankton Communities in the Atlantic Sector of the Southern Ocean Diversity, 14, 923 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/d14110923
3. Рогожин В.С., Осадчиев А.А., Коновалова О.П. Structure and variability of the Pechora plume in the southeastern part of the Barents Sea Frontiers in Marine Science, Front. Mar. Sci. 10:1052044. doi: 10.3389/fmars.2023.1052044 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3389/fmars.2023.1052044
4. Фрей Д.И., Кречик В.А., Баширова Л.Д., Остроумова С.А., Смирнова Д.А., Кулешова Л.А., Пономаренко Е.П., Морозов Е.Г., Лиджи М., Дудков И.Ю., Сивков В.В. Multiple Abyssal Jets Flowing Into the Vema Deep, Romanche Fracture Zone Journal of Geophysical Research: Oceans, Journal of Geophysical Research: Oceans, 128, e2022JC019434 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1029/2022JC019434
5. Фрей Д.И., Кречик В.А., Гордей А.С., Гладышев С.В., Чурин Д.А., Дрозд И.Д., Осадчиев А.А., Кашин С.В., Морозов Е.Г., Смирнова Д.А. Austral summer circulation in the Bransfield Strait based on SADCP measurements and satellite altimetry Frontiers in Marine Science, Front. Mar. Sci. 10:1111541. doi: 10.3389/fmars.2023.1111541 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3389/fmars.2023.1111541
6. Фрей Д.И.,Кречик В.А.,Морозов Е.Г.,Дрозд И.Д., Гордей А.С., Латушкин А.А.,Мехова О.С.,Мухаметьянов Р.З.,Мурзина С.А. Water Exchange between Deep Basins of the Bransfield Strait Water, 14, 3193 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/w14203193
7. - Обнаружены ранее неизвестные придонные течения в Атлантическом океане Пресс-служба РАН, Пресс-служба РАН, 21.02.2023, https://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=a30a44f5-84c6-4c72-90b3-9c3f5e50043b (год публикации - )
8. - Ученые обнаружили ранее неизвестные придонные течения в Атлантике Информационный медиапортал "Море и космос", Информационный медиапортал "Море и космос", https://more-i-kosmos.ru/otkrytie-okeana/uchenye-obnaruzhili-ranee-neizvestnye-pridonnye-techeniya-v-atlantike/ (год публикации - )
9. - Ученые ИО РАН обнаружили ранее неизвестные придонные течения в Атлантическом океане Информационный портал "Media Палуба", Информационный портал "Media Палуба", 16.02.2023, https://paluba.media/news/44249 (год публикации - )
10. - Российские ученые обнаружили ранее неизвестные придонные течения в Атлантическом океане Газета "Морские вести России", Газета "Морские вести России", 16.02.2023, http://www.morvesti.ru/news/1679/101045/ (год публикации - )
11. - Впадину в центре Атлантики решили назвать в честь судна "Академик Вавилов" Информационное агентство ТАСС, ТАСС, 18.02.2023, https://nauka.tass.ru/nauka/17083537 (год публикации - )
12. - Океанологи РАН обнаружили неизвестные придонные течения в глубинах Центральной Атлантики Информационное агентство ТАСС, ТАСС, 16.02.2023, https://nauka.tass.ru/nauka/17061381/amp (год публикации - )
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В результате работ во второй год выполнения проекта (июль 2023 – июнь 2024) были получены новые экспедиционные данные и выполнен анализ течений и водных масс в некоторых, ключевых с точки зрения распространения полярных вод, районах Мирового океана. В рамках этих работ исполнители гранта приняли участие в трех экспедициях в Северный Ледовитый, Атлантический и Южный океаны. Детальный анализ течений позволил выявить особенности их пространственной структуры и механизмы временной изменчивости в таких районах как каналы Вима и Видал (Атлантика), проливы Брансфилда и Антарктика (Южный океан), желоб Святой Анны (Российская Арктика). Ключевыми результатами, полученными во второй год выполнения проекта, являются:
1. Новые экспедиционные исследования в канале Видал в западной части тропической Атлантики позволили получить первое экспериментальное доказательство наличия потока антарктических вод в канале. Эти работы также позволили показать, что канал Видал является источником холодных и плотных вод, которые заполняют наиболее глубокую впадину Атлантического океана в желобе Пуэрто-Рико.
2. Был обнаружен новый физический механизм синоптической изменчивости гравитационных абиссальных потоков в узких каналах и желобах. На основе совместного анализа данных заякоренных автономных станций и данных спутниковой альтиметрии была обнаружена высокая корреляция между скоростью гравитационного потока в канале Вима и аномалиями уровня океана на входе в канал. Примечательно, что место расположения высокой корреляции находится в 400 км от точки измерения скорости абиссального потока, при этом сами измерения были выполнены на глубине 4500 м. Полученный результат важен как с точки зрения обнаружения самого механизма, который вероятно применим и в других абиссальных каналах Мирового океана, так и для понимания физических процессов непосредственно в абиссали юго-западной Атлантики.
3. На основе прямых измерений скорости, выполненных Институтом океанологии РАН в нескольких экспедициях 2015-2022 гг. была получена подробная кинематическая структура потоков в проливе Брансфилда. На основе этих данных установлено, что перенос вод течением Брансфилда (основное течение в проливе, направленное на северо-восток вдоль Южных Шетландских островов) варьируется от 1.4 Св. до 2.1 Св. Было также показано, что наибольший перенос наблюдается в пределах центральной котловины пролива.
4. На основе различных массивов CTD-данных было подтверждено, что пространственное распределение гидрофизических параметров вод в проливе Антарктика находится под влиянием затоков из пролива Брансфилда в северной части и вод моря Уэдделла в центральной и южной частях пролива. Установлено, что многолетние значения термохалинных характеристик довольно консервативны и за всю историю наблюдений не выходили за диапазон –1.91 – 0°C и 34.20 епс – 34.60 епс по температуре и солености, соответственно.
5. Ряд междисциплинарных работ в соавторстве со специалистами по морской биологии выявил решающее значение гидрофизических факторов на распределение и особенности биологических сообществ проливов Брансфилд и Антарктика. Было установлено важное влияние морских течений и термохалинных характеристик вод в проливах на распределение первичной и бактериальной продукции; антарктического криля и полихет в акватории Антарктического полуострова.
Публикации
1. - Ученые измерили аномально быстрые течения на границе океанических вихрей в Атлантике Пресс-служба РНФ, - (год публикации - )
2. Гордей А.С., Фрей Д.И., Дрозд И.Д., Кречик В.А., Смирнова Д.А., Гладышев С.В., Морозов Е.Г. Spatial variability of water mass transports in the Bransfield Strait based on direct current measurements Deep-Sea Research Part I, 207 (2024): 104284. (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1016/j.dsr.2024.104284
3. Зуев О.А., Фрей Д.И., Дрозд И.Д., Кречик В.А. Пространственная и временнáя изменчивость термохалинной структуры вод в проливе Антарктика Океанология, том 63, № 4, с. 526–538 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0030157423040184
4. Мехова О.С., Смирнова Д.А., Морозов Е.Г., Остроумова С.А., Фрей Д.И. Внутренние волны в районе острова Хаф-Мун, Южные Шетландские острова Океанология, том 63, № 4, с. 564–575 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S003015742304010X
5. Мошаров С.А., Мошарова И.В., Фрей Д.И., Селиверстова А.М., Латушкин А.А., Гонтарев С.В. Первичная и бактериальная продукция в проливе Брансфилда (Антарктика) в летний период Океанология, том 63, № 4, с. 604–617 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0030157423040135
6. Мурзина С.А., Воронин В.П., Битютский Д.Г., Мишин А.В., Хуртина С.Н., Фрей Д.И., Орлов А.М. Comparative Analysis of the Fatty Acid Profiles of Antarctic Krill (Euphausia superba Dana, 1850) in the Atlantic Sector of the Southern Ocean: Certain Fatty Acids Reflect the Oceanographic and Trophic Conditions of the Habitat Journal of Marine Science and Engineering, J. Mar. Sci. Eng. 2023, 11, 1912. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/jmse11101912
7. Остроумова С.А., Дрозд И.Д., Фрей Д.И. Структура и временнáя изменчивость северной ветви Антарктического циркумполярного течения в проливе Дрейка Океанология, том 63, № 4, с. 511–525 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0030157423040160
8. Сёмин В.Л., Колбасова Г.Д., Остроумова С.А., Сапожников Ф.В., Калинина О.Ю., Мишин А.В. Vertical distribution of pelagic polychaetes in the Bransfield Strait and northwestern Weddell Sea in austral summer of 2022 Polar Biology, 46(9), 971-992 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1007/s00300-023-03177-x
9. Фрей Д.И., Кубряков А.А. Dynamic Structure of Eddies of the Brazil-Malvinas Confluence Zone Revealed by Direct Measurements and Satellite Altimetry Journal of Geophysical Research: Oceans, 128, no. 11 (2023): e2023JC019957. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1029/2023JC019957
10. Фрей Д.И., Морозов Е.Г., Смирнова Д.А. Sea level anomalies affect the ocean circulation at abyssal depths Scientific Reports, 13(1), 20829 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1038/s41598-023-48074-9
11. - Российские ученые раскрыли причину изменчивости океанических течений на глубине более 4000 метров Журнал "За науку", - (год публикации - )
12. - Ученые объяснили причину изменчивости океанических течений на глубине более 4000 метров Пресс-служба РНФ, https://rscf.ru/news/presidential-program/uchenye-obyasnili-prichinu-izmenchivosti-okeanicheskikh-techeniy-na-glubine-bolee-4000-metrov/ (год публикации - )