Гидрофизические процессы вблизи подводной горы Ампер

Аннотация

Даётся описание многомасштабных гидродинамических процессов, развивающихся на акватории вблизи подводной горы Ампер, расположенной в Северо-восточной Атлантике, на траверзе и в 360-ти морских милях к западу от Гибралтарского пролива. Интерпретации процессов основаны на совместном анализе данных гидрофизических измерений, проведенных в январе-феврале 1985 г. в ходе экспедиции Института океанологии АН СССР 5 рейс научно-исследовательского судна "Рифт", и современных спутниковых данных. В экспедиции были выполнены разрезы при помощи буксируемого СТD-зонда, гидрологические измерения на якорной стоянке судна на банке Ампер, измерения скорости течений на буйковой станции. Использовались материалы измерений некоторых других экспедиций, состоявшихся в районе г. Ампер. Рассматривались также спутниковые массивы температуры поверхности океана (Pathfinder), многолетние ряды уровня моря и геострофических скоростей (AVISO), данные мирового банка гидрологических станций(WOD13), а также модель рельефа дна ETOPO-1. Показано, что сложные гидрологические поля в окрестности подводной горы Ампер обусловлены многомасштабными процессами в области восточной ветви Азорского течения. На поверхности океана наблюдается крупномасштабный дрейф со скоростью ~ 5.54±0.05 см/с, преимущественно на восток. В области смешения субтропических вод и вод умеренных широт, развиваются разнообразные по формам и размерам меандры и вихри. Плотность кинетической энергии геострофических течений составляет в среднем 87±1 эрг/см3. Спорадически, по невыясненной причине, возникают вспышки течений, в которых энергия возрастает почти на порядок (до 610 эрг/см3). Выделяются три группы циклических колебаний течений: - многолетние, годовые и внутригодовые, а также хаотическая фоновая составляющая колебаний. Отмечается существенная перемежаемость по мощности и частоте всех перечисленных составляющих. По данным контактных измерений, в субсиноптической области масштабов, обнаружены локальный фронт, с течением вдоль него; дипольные вихри размером ~30 км; волнообразные структуры с длиной волны ~12-8 км в южном секторе горы; мозаичное поле над горой с масштабом пятен порядка размера банки (~10-12 км): а также, скачки температуры на банке. Предлагается следующая схема гидрофизических процессов вблизи банки Ампер. В зимний сезон, в результате предположительно метеорологических воздействий, может образовываться (сравнительно редко) локальный фронт, дающий начало среднему течению скоростью ~30 см/с на юг. За банкой, вниз по течению возникают "запрепятственные" внутренние волны с предельной длиной, которая близка к масштабу развёртки течением инерционного колебания. Дипольные субсиноптические вихри происходят вследствие фронтальной неустойчивости. Приливные течения вызывают смещение фронтальной границы, что проявляется в виде больших температурных полусуточных колебаний. Непосредственно над банкой происходит вынос приливными течениями вдоль склонов горы на её вершину более холодных глубинных вод. В результате этого, над банкой формируется особенное мозаичное поле и наблюдаются скачки температуры, за которыми следуют пакеты высокочастотных колебаний.

Введение

После фундаментального открытия в 1970 г. океанских вихрей (Атлантический гидрофизический Полигон-70, 1974), по инициативе члена-корр. АН СССР А.С. Монина, под руководством члена-корр. АН СССР В.Г. Корта и профессора Ю.А. Иванова, в период 1970-1998 гг. были организованы и проведены несколько крупных гидрофизических экспедиций (Зацепин и др., 2017), направленных на выяснение закономерностей вихревого поля в океане. В частности, исследовались различия в параметрах вихревого поля в западной и восточной частях океанов (Корт, 1981; Корт, 1982), особенности вихрей в верхнем слое океана и в глубинах океана (Гидрофизические исследования по программе «Мезополигон», 1988; Эксперимент «Мегаполигон»: Гидрофизические исследования в северо-западной части Тихого океана, 1992), а также механизмы генерации мезомасштабных возмущений в результате обтекания течениями разномасштабных неоднородностей рельефа дна океана (Иванов и др., 1977). В связи с этими вопросами, возникла идея провести гидрофизические измерения в окрестности подводной горы Ампер. В таком районе можно было бы ожидать обнаружения выраженных топографических эффектов при различных видах гидродинамических обтеканий. С одной стороны, гора представляет собой существенную особенность в открытом океане и возвышается почти до поверхности моря, на 4 тысячи метров над дном абиссальной равнины Horseshoe, С другой стороны, г. Ампер находится в восточной части Субтропического круговорота Северной Атлантики, в области Азорского фронта (далее АФ), где наблюдается повышенная многомасштабная динамика вод. Поэтому, под идейным руководством Ю.А. Иванова и А.А. Парамонова, в январе-феврале 1985 г. была проведена экспедиция Института океанологии АН СССР на борту научно-исследовательского судна (нис) "Рифт" (5 рейс) по изучению особенностей гидрофизических полей над подводной горой Ампер (Гамсахурдия и др., 1990). Над г. Ампер было обнаружено особенное "мозаичное" поле, с характерным масштабом пятен порядка размеров верхней площадки («банки») горы (6-7 морских миль). Было показано, что гидрологическая структура окружающих гору поверхностных вод, обусловлена адвекцией полусуточными приливными течениями «среднего» поля по нормали к локальному фронтальному разделу и глубинных вод по склонам подводной горы. При этом, в результате выноса холодных вод, на банке Ампер, с периодичностью полусуточного прилива, наблюдались скачки температуры типа внутреннего бора. Указанные механизмы формирования поля над горой вызвали большой интерес. Однако, оставались(и остаются) вопросы в отношении взаимосвязей гидрофизических процессов на разных масштабах. Во время экспедиции возможности исследования крупномасштабных региональных процессов в условиях больших затрат на дорогое судовое время, были очень ограниченными. В настоящее время, с каждым годом, эти возможности существенно расширяются благодаря спутниковым данным, которые находятся в открытом доступе. В связи с этим, авторы преследовали цель создать связное представление о многомасштабных гидрофизических процессах в области подводной горы Ампер на основе всей имеющейся в настоящее время информации. Для этого, дополнительно к экспедиционным материалам измерений in situ, были рассмотрены спутниковые данные уровня моря, температуры поверхности океана (ТПО), гидрологические станции Мирового банка данных, а также использовалась топография по модель рельефа дна океана ETOPO-1.
Следует упомянуть, что измерения над горой Ампер, были проведены за два месяца до начала серии экспедиций на судах Института океанологии АН СССР по известной программе «Мезополигон», под общим руководством Ю.А. Иванова. Эта программа была направлена на исследование мезомасштабных возмущений в восточной части тропической Северной Атлантики (Гидрофизические исследования по программе «Мезополигон», 1988) .

Влияние подводных гор на океанографические условия

Подводные горы широко распространены в Мировом океане и оказывают разнообразное влияние на многомасштабные горизонтальные течения в океане (от крупномасштабных до приливных), изменяют вертикальные скорости тока воды и среднюю стратификацию, (Roden, 1987; Дарницкий, 2005). В результате гидродинамических процессов обтекания вокруг подводных гор создаются особенные условия (Тимонов, 1984; Vlasenko et al., 2013). По данным многочисленных экспедиций было установлено, что акватории подводных гор, как правило, отличаются повышенной динамической активностью, биологическим разнообразием и продуктивностью. Вокруг гор создаются т.н. "hotspots" –“горячие точки” морской жизни и динамической интенсивности, (Lavelle, Mohn, 2010; Morato et al, 2010; Christiansen et al, 2010). Резкие изменения глубины проявляются на поверхности моря и в толще воды по увеличенной дисперсии временных колебаний гидрофизических параметров, а пространственная структура океанографических полей усложняется (Парамонов и др., 1980; Голубев, Черкесов, 1985). В таких районах обнаруживаются специфические возмущения средних течений (Монин и др., 1989), включая вторичную циркуляцию, наподобие колонн Тейлора (Goldner, Chapman, 1997), разнообразные вихревые системы, апвеллинги и куполы холодных вод (Arístegui et al, 2009). Отмечаются усиление баротропных и бароклинных приливных колебаний (Тимонов, Шелковников, 1984; Голубев и др., 1986) фона внутренних волн, повышенное перемешивание вод и увеличение энергии турбулентных пульсаций (Gibson et al, 1993, Монин, Озмидов, 1986). Несмотря на то, что указанные особенности давно привлекают внимание океанологов, для исследований вблизи подводных гор остаётся широкое поле деятельности. Во-первых, задача обобщения гидродинамических механизмов обтекания гор долговременными, вихревыми и приливными течениями, далеко не решена, вследствие большого разнообразия подводных гор и окружающих океанографических условий (течения, сезоны, стратификация вод). Во-вторых, экспериментальные исследования сложного поля, с масштабами структур от локального до планетарного, весьма сложны. Гидрофизические измерения должны быть и длительными, и охватывать большую акваторию, где развивается гидродинамический процесс. С другой стороны, измерения должны быть достаточно подробными, чтобы не пропустить детали поля. Исходя из того, что при различных типах обтеканий возникают возмущения с масштабами порядка размеров подводных гор, возникает требование, чтобы данные наблюдений адекватно описывали мезомасштабный интервал пространственной изменчивости в диапазоне 1 - 100 км. В-третьих, интерпретации наблюдаемых вблизи подводных гор гидродинамических явлений, как правило, страдают неопределённостью вследствие практически неизбежной неполноты измерительной информации.

Измерения и данные

Интерпретации гидрофизических процессов над подводной горой Ампер основаны на совместном анализе гидрофизических измерений, проведенных в январе-феврале 1985 г., в ходе экспедиции Института океанологии АН СССР 5 рейс научно-исследовательского судна "Рифт" (Гамсахурдия и др., 1990) и современных спутниковых данных.
В этой экспедиции структура гидрологических полей в окрестности горы исследовалась при помощи буксируемого СТD-зонда. На якорной стоянке судна на банке Ампер (главная вершина двуглавой г. Ампер с глубиной 58 м), в течение трёх суток измерялся временной ход гидрологических параметров. В проливе между вершинами вершин, в течение 9-ти суток, на двух горизонтах были выполнены измерения скорости течений. Использовались также материалы некоторых других экспедиций, состоявшихся в районе г. Ампер, (Гамсахурдия и др., 1990). Вследствие своей уникальности, контактные измерения представляют значительную ценность для «привязки» к спутниковой информации и калибровки спутниковых данных.
Измерения in-situ были дополнены спутниковыми данными температуры поверхности океана (ТПО) Pathfinder,v.5 (http://oceanwatch.pfeg.noaa.gov/) на сетке 4х4 км с дискретностью 5 суток, в период с 2 сентября 1981 г. по н.в.; ежесуточных значений уровня моря и геострофических скоростей на поверхности моря Aviso (http:// atoll-aviso.vlandata. cls.fr: 41080/ thredds/dodsC/) на сетке 15х15 дуговых минут, в период с 1 января 1993 г. по н.в.; данными банка гидрологических станций (WOD13, https://www.nodc.noaa.gov/OC5/WOD13/docwod13.html). Рельеф дна в исследуемом районе строился на сетке с шагом 1 дуговая минута по модели поверхности Земли ETOPO-1, разработанной на основе сочетания спутниковых измерений поверхности геоида и эхолотных промеров, (Smith, Sandwell, 1997).
Использовались также данные гидрологических станций (WOD), спутниковые массивы ТПО (Pathfinder), уровня моря, геострофических скоростей (AVISO) и рельефа дна (модель ETOPO-1).

Фоновые гидрологические условия в регионе цепи подводных гор Horseshoe

Подводная гора Ампер, расположена в 360 морских милях к западу от Гибралтара (примерно на полпути между о. Мадейра и материковой частью Португалии), и является одним из девяти недействующих вулканов, составляющих изогнутую в виде подковы цепь подводных гор, под названием Horseshoe ("Подкова"). Г. Ампер находится на южном фланге, а подводная г. Жозефин - на северном фланге Подковы. Эти вулканы были сформированы вдоль линии соприкосновения Европейско-Азиатской и Африканской литосферных плит ~10-17 млн. лет назад (поздне-среднемиоцен), в Азоро-Гибралтарской зоне разломов (Hatzky, 2005). Г. Ампер поднимается с глубин абиссальной равнины Horseshoe (~ 4800 м) до небольшого плато на вершине c глубинами в среднем ~ 110 м. рис. Эта площадка носит название "банка Ампер”, т.к. здесь минимальная глубина (в открытом океане!) составляет 55 м. В двух милях к западу от банки, расположена вторая вершина г. Ампер с глубинами ~320 м. Подножие г. Ампер имеет в сечении эллиптическую форму и простирается в направлении SW-NE, на расстояние ~170 км, с поперечным масштабом эллипса около 70 км. По размерам г. Ампер можно сравнить с горной вершиной Монблан. Долина глубиной ~3400 м отделяет г. Ампер от г. Корал-Патч, которая расположена в ~60 милях к востоку. Обе горы выглядят как типичные вулканы с несколькими жерлами, которые в верхней части повреждены взрывами при извержениях.Южные, северные и восточные склоны г. Ампер состоят из уступов и террас на глубинах 140, 400, 2000 и 3500 м. Стены уступов очень крутые, почти вертикальные, с перепадом глубин в сотни метров, в то время как западная часть горы имеет более плавные склоны, (Hatzky, 2005).
Гидрометеорологические условия в регионе Подковы обусловлены рядом факторов. Среди них: влияние неоднородностей в поступлении солнечного тепла; поле ветра и метеорологические воздействия в зоне действия Азорского антициклона; расположение в зоне Азорского фронта (АФ); распределение водных масс, включая Средиземноморские воды, глубинные воды Северной Атлантики, придонные Антарктические воды; влияние системы апвеллингов около северо-западного побережья Африки; сезонная изменчивость, приливы, а также рельеф дна океана (Arhan et al, 1994).Главной крупномасштабной особенностью региональной гидрофизической системы является АФ (Klein, Siedler, 1989) и связанная с ним восточная ветвь Азорского течения (АТ), которая охватывает регион Подковы. АФ является северной границей Субтропического круговорота–крупномасштабной циркуляционной структуры Северной Атлантики. АТ начинается в промежуточной зоне между Гольфстримом и Северо-Атлантическим течением, в юго-восточной части Ньюфаундлендского поднятия. Далее к востоку, АТ представляет собой зональное (в среднем вдоль широты 34-35° с.ш.), струйное и меандрирующее течение (Rogerson et al, 2004). Скорость среднего дрейфа АТ южнее Азорских островов, над Срединно-Атлантическим хребтом, на поверхности моря и в верхнем термоклине достигает 20 см/с. В восточном бассейне Северо-восточной Атлантики от АТ, по мере продвижения на восток, последовательно отщепляются три ветви течений на юг, которые в конечном счёте впадают в Северное экваториальное течение, замыкающее Субтропический круговорот (Johnson, Stevens, 2000).
Цепь подводных гор Подкова находится на пути нескольких крупномасштабных медленных «дрейфов» водных масс, занимающих разные слои по глубине (Van Aken, 2000 (parts 1,2); Van Aken, 2001). В толще 0-500 м, ниже верхнего перемешанного слоя глубиной 50-80 м, лежит наиболее изменчивая Восточная североатлантическая центральная водная масса (East North Atlantic Central Water - ENACW) с температурным интервалом от 10 до 20°C и солёностью от 35,2 до 36,7 psu. Это - слой восточной ветви Азорского течения. С глубин ~ 600 м до 1300 м простирается толща Средиземноморской водной массы (Mediterranean Overflow Water- MOW). Воды повышенной солёности, с параметрами ~10°C, ~35,5-36,0 psu, образуются в результате стока Средиземноморских вод в Кадиcский залив через Гибралтарский пролив. Вначале, эти воды движутся к северу вдоль Иберийского полуострова, охлаждаются и, медленно погружаясь, поворачивают к западу, (Baringer, Price, 1997). Подкову MOW воды преодолевают через долины между горами, причём, по мере распространения на запад, непрерывный слой постепенно истончается и переходит на глубинах 1100-1300 м в слой долгоживущих закрученных вихрей размером порядка 30-100 км – линз Средиземноморской воды (Зубин, Озмидов, 1987). Линзы могут смещаться далеко на юго-запад. Их обнаруживают за Срединно-Атлантическим хребтом и даже в Саргассовом море (Гидрофизические исследования по программе «Мезополигон», 1988; Richardson, et al, 2000). Глубже MOW располагается переходная зона смешения, в которой температура и соленость непрерывно снижаются с глубиной до значений 1,5–4,0°C, 34,8–35,0 psu на глубинах порядка 2000 м. С этой глубины начинается мощный слой Североатлантической глубинной воды (North Atlantic Deep Water - NADW), которая формируется около Гренландии. В регионе Подковы, эта вода медленно продвигается к югу-востоку, в сторону побережья Африки. Наконец, нижнее положение занимает Антарктическая донная вода (Antarctic Bottom Water - AABW, температура: 0.8-2.0 °C, солёность: 34.6-34.7 psu), которая движется в нижнем придонном слое от шельфов Антарктиды к северу (Van Aken, 2000 (part 1)).
АФ, в виде хорошо выраженной полосы шириной порядка 500 км, простирающейся с северо-запада на юго-восток, прослеживается по спутниковым данным как в поле уровня моря, так и в поле ТПО.В этой области смешения субтропических вод и вод умеренных широт, на поверхности океана наблюдаются разнообразные по формам и размерам меандры и вихри, с перепадом высоты уровня моря в диапазоне 0-30 см, и контрастами в поле ТПО от 15,0 до 18,0°С, в зимний сезон. Масштаб меандров АT оценивается в несколько сот км. C обоих флангов фронта срываются циклонические и антициклонические вихри размером в среднем порядка 100-300 км, и временным масштабом изменений ~3 месяца. Для примера, по спутниковым данным AVISO, 24 января 2008 г., точно над г. Ампер находился циклонический вихрь, правильной эллиптической формы, при среднем диаметре 250–300 км. Вихрь перемещался в юго-западном направлении со скоростью 4 мили/сутки, причём орбитальные скорости геострофических течений достигали 30 см/с. Из спутниковых альтиметрических продолжительных (1993 г. по н.в.) рядов следует, что временная изменчивость уровня моря складывается в результате сложного сочетания колебаний в широком диапазоне временных масштабов - от многолетних до суточных. В качестве количественной меры наблюдаемой изменчивости удобно взять сумму дисперсий циклических (квази-периодических) составляющих (включая колебания долговременные, годовые (с обертонами) и мезомасштабные) и дисперсии некоторой случайной ("хаотической") фоновой компоненты. Предполагается, что "хаотические" флуктуации возникают вследствие процесса экспоненциальной релаксации возмущений в гидродинамической системе, выведенной из равновесия в результате множественных случайных внешних воздействий. Спектр такого процесса имеет "красный" вид и может объяснить спадающий по частоте как -2 спектральный фон, который повсеместно наблюдается по измерениям в сплошных средах (Мельников, 2015). На этом фоне спектральные пики и плато указывают на процессы притока энергии в гидродинамическую систему океана. Однако, нередко параметры циклических составляющих спектра имеют признаки нестационарности по среднему значению, дисперсии и частотам, так что бывает затруднительно их оценить. Максимумы в спектре расплываются и плохо выражены. В дополнение к релаксационному процессу, в "хаотическую" составляющую добавляются разномасштабные (различной амплитуды и продолжительности) "вспышки" колебаний, которые возникают в случайные моменты времени. Такая хаотичность известна под названием "перемежаемость", (Ott, 2002). Перемежаемость существенным образом сказывается на средних величинах, которые часто ошибочно используют для характеристики нестационарной системы "в среднем". Спектральный и вэйвлет анализы многолетних альтиметрических данных показали долговременные цикличности с периодами 13.6±3 лет, 6±3 лет, 1.6±0.2 года. Годовые колебания на периоде 1±0.1 год отмечены узким и мощным пиком. Внутригодовые колебания доминируют на периодах 220±80 и 100±40 сут. Отмечается увеличение среднего уровня моря на 4.0± 0.1 см в 10 лет. Обращают на себя внимание значительные вариации во времени мощности всех перечисленных составляющих. Многомасштабные горизонтальные градиенты уровня океана, порождают сложные течения в области АФ. По полю уровня моря вычисляются геострофические течения на поверхности моря. Схематично, геострофическую циркуляцию вод на поверхности моря в области АФ можно представить в виде среднего дрейфа вод и мезомасштабных течений, которые обусловлены меандрами и вихрями. Мезомасштабные вихревые движения в области АФ характеризуются повышенной кинетической энергией по сравнению с другими регионами в Северо-восточной Атлантике. Плотность кинетической энергии геострофических течений (вычисленных по аномалиям уровня моря) на поверхности моря, в среднем за 1993-2017 гг., составляет 87±1 см2/с2. Спорадически, по невыясненной причине, интенсивность этих течений сильно возрастает (по энергии до 610 см2/с2). Меридиональные и зональные скорости изменяются в пределах ±30 см/с. Средние (за 24 года) компоненты скорости течений равны (U,V)=(5.51, 0.61)±0.05 см/с, что подтверждает многолетний средний дрейф преимущественно на восток при слабой составляющей к северу.
По спектрам и вэйвлетам плотности кинетической энергии геострофических течений выделяются три группы временных масштабов: - многолетние, с циклическими колебаниями на периодах: 10±2 лет, 5±1 лет, 3±0.3 года, 1.6±0.2 года; - годовые 1±0.1 год; - внутригодовые с периодами 220±100сут., 140±40 сут., 60±10 сут. Отмечается увеличение плотности кинетической энергии течений в среднем со скоростью 13.352 эрг/см3 за 10 лет. Вследствие перемежаемости, амплитуда, частота и ширина вэйвлет-пиков циклических составляющих колебаний существенно изменяются по времени.

Субсиноптические гидрофизические процессы в окрестности г. Ампер

Спутниковые данные не имеют достаточного разрешения по времени и по пространству поверхности моря для того, чтобы оценить характеристики флуктуаций параметров в субсиноптической области масштабов: с периодами инерционным и внутри-суточными, пространственными - по горизонтали 1-100 км и по вертикали ~ метры. Удобным и экономичным средством контактных измерений сложных полей за сравнительно короткое время и на достаточно большой акватории являются буксируемые системы датчиков, в сочетании с измерениями по времени в избранных точках поля при помощи заякоренных автономных буйковых станций. Такая методика измерений была применена в окрестности подводной г. Ампер. В 5 рейсе нис «Рифт», в период с 24 января по 5 февраля 1985 года, были выполнены гидрологические буксировки в верхнем однородном слое, вертикальные зондирования в слое 0-500 м, измерения в течение 3-х суток на главной вершине двуглавой г. Ампер (банке) с борта заякоренного судна, измерения скорости течений в течение 9-ти суток на буйковой станции, установленной в проливе между главами г. Ампер. Детали измерений даны в (Гамсахурдия и др., 1990; Melnikov, 2009). Подробно исследована площадка З0х25 миль, в центре которой находилась банка Ампер. На этой акватории были выполнены одиннадцать «челночных», параллельных друг другу, галсов, ориентированных вдоль меридианов, начиная с 1240' з.д. В конце каждого галса судна переходило на 2,5 мили к западу. Зондирования по вертикали были проведены в точках пересечения галсов с широтами 3445', 3503', 3515' с.ш. С целью определения фоновых гидрологических условий, были выполнены измерения на нескольких протяженных галсах: - от банки Ампер к югу, до границы экономической зоны Марокко, и к северу, через абиссальную котловину Horseshoe к подводной горе Жозефин.
По этим измерениям (Гамсахурдия и др., 1990) было обнаружено, что устойчивой фоновой структурой измеряемого поля был локальный гидрологический фронт, огибающий по направлению изобат г.Ампер с западной и южной сторон. Фронтальный раздел протянулся с севера на юг: от подводной г. Жозефин до г. Ампер. Этот фронт наблюдается и в поле спутниковой ТПО в конце января 1985 г. Поле ТПО состоит из вытянутых в направлении с северо-запада на юго-восток примерно однородных по температуре полос, разделённых сравнительно резкими границами. К западу от линии фронта, в верхнем однородном слое, находилась сравнительно теплая и более соленая вода. Более плотная вода находилась к востоку от фронта. Непосредственно над банкой Ампер вода имела промежуточные значения. Горизонтальные буксировки зонда над банкой показали, что «промежуточная» вода имеет сложную «мозаичную» структуру с характерным масштабом пятен порядка размеров банки, т. е. 10-12 км. Оказалось, что «промежуточная» вода формируется над банкой не только в результате смешения холодной и теплой вод из областей по обе стороны от фронта, но и с добавлением более глубоких, расположенных под сезонным термоклином, вод. Постоянно действующим механизмом смешения указанных вод на банке являются приливные течения, которые действуют двояко. С одной стороны, приливные течения адвективно смещают фронтальный раздел на расстояние 8-10 км над банкой. С другой стороны, на банке происходит апвеллинг и «заплеск» холодных глубинных вод в результате вертикальной скорости, которую приобретают приливные течения над склонами горы.По инструментальным измерениям (Гамсахурдия и др., 1990) было обнаружено направленное вдоль фронта сильное течение. Над малой вершиной Ампер течение было направлено почти точно на юг. На глубине 195 м средние компоненты скорости U= -3,1 см/с, V= -28 см/с. Около дна, на глубине 350 м, южная компонента течения ослабевает и вектор течения поворачивает к юго-западу (U= -2,8 см/с, V= -7,2 см/с). По данным эксперимента «Волна», такого фронта не наблюдалось (Гамсахурдия и др., 1990). Поле вблизи горы имело сложную вихревую структуру с диаметром вихрей ~ 15-18 км, с перепадом температуры ~ 0,5-1,5°С в вихрях на глубине 75 м, в термоклине. О сложной вихревой динамике в осенний сезон свидетельствуют также большие среднесуточные скорости, достигающие 15-20 см/с. В это время средний дрейф при скорости около 10 см/с был направлен на восток. Данные геострофических скоростей AVISO показывают, что южное течение формируется над г.Ампер кратковременно и очень редко, а восточный средний дрейф - обычное явление, в соответствии с крупномасштабной топографией уровня моря в области АФ. В рассматриваемом районе полусуточные приливы с обертонами создают значительную часть суммарной изменчивости, (Гамсахурдия и др., 1990). Так, на верхней границе термоклина, на глубине 50 м, приливные колебания значительно превосходят обычные для открытого океана величины и составляют по с.к.о. амплитуде ~0,7 °С. Измерения вблизи буйковой станции в дрейфе показали, что приливный цикл сопровождается большими колебаниями температуры с двойной амплитудой до 2°С на глубине 180 м, в термоклине. Из наблюдаемых зимой над малой вершиной Ампер (горизонт 195 м) суммарных дисперсий компонент скорости 153 и 60 см2/с2, на полусуточные колебания (баротропные+бароклинные в диапазоне 16-10 час.) приходится 78 и 16 см2/с2 для U,V компонент скорости, соответственно. Таким образом, главная часть полусуточной дисперсии над малой вершиной Ампер обусловлена баротропной компонентой полусуточного прилива, усиленной при уменьшении глубины, при набегании приливных течений на склоны горы. Непосредственно на банке Ампер, процесс смешения вод приливными течениями, обнаруживается по резким изменениям температуры типа внутреннего бора, (Гамсахурдия и др., 1990). Здесь скачок температуры достигает 0,20 - 0,30°С в однородном слое воды над банкой, толщиной ~ 60 м. Скачок температуры заметен и на поверхности океана, где перепад температуры в скачке составляет 0,10-0,15°С. За скачком температуры, с шестичасовой периодичностью следуют цуги колебаний продолжительностью 2-3 часа, составленные из колебаний с периодом 10-20 мин., амплитудой 0,2-0,3°С в верхнем однородном слое.
Следует упомянуть ещё о двух особенностях субсиноптического поля в окрестности г. Ампер, (Гамсахурдия и др., 1990). К северу и к югу от банки были обнаружены специфические структуры размером порядка 30 км в поле температуры в однородном слое. Рисунок распределения температуры вдоль галса напоминает букву "W"). Возможной причиной их возникновения может быть неустойчивость среднего течения при обтекании подводной горы. На это указывает сходство горизонтальных перепадов температуры в W-структурах с гидрологическими изменениями поперек фронта. По мере удаления от банки горизонтальные неоднородности в подобных дипольных субсиноптических вихревых образованиях сглаживаются. Вторая особенность - волнообразная структура температуры воды на глубине 50 м с постепенно, по мере приближения к банке, увеличивающейся длиной волны: от 6 до 18 км, (Гамсахурдия и др., 1990). Такие пространственные колебания могут быть обусловлены запрепятственными внутренними волнами, которые возникают во время наибольшего возмущения среднего течения при набегании на подводную гору, т.е. при смещении области фронта к банке. Как было показано в работе (Иванов и др., 1977), при обтекании препятствия течением, с учётом вращения Земли, длина волны в критическом случае ограничена и приближается к предельному инерционному горизонтальному масштабу по мере роста номеров мод. Из этого следует, что наблюдаемые к югу от банки периодические возмущения температуры определяются высокими модами с длинами, близкими к предельной инерционной длине волны (Гамсахурдия и др., 1990). По мере удаления от вершины подводной горы, горизонтальный масштаб возмущений уменьшается, вследствие уменьшения средней скорости течения, что и наблюдается на галсе. Длины волн определяются высокими модами с масштабом, близким к предельному инерционному, что соответствует развёртке (по горизонтали) инерционного колебания средним течением.

Выводы

1. Сложные гидрологические поля в окрестности подводной горы Ампер образуются в результате многомасштабных гидрофизических процессов в области Азорского фронта и восточной ветви Азорского течения. На поверхности океана наблюдается средний дрейф со скоростью ~ 5.54±0.05 см/с, преимущественно на восток. В области смешения субтропических вод и вод умеренных широт, развиваются разнообразные по формам и размерам меандры и вихри. Плотность кинетической энергии геострофических течений составляет в среднем 87±1 эрг/см3. В случайные моменты времени, по невыясненной причине, возникают вспышки течений, в которых энергия сильно возрастает (до 610 эрг/см3). Выделяются три группы циклических колебаний течений: - многолетние, годовые и внутригодовые. Течения вдоль локального фронта, полусуточные приливные течения существенно влияют на гидрологические характеристики вод, окружающих гору. В результате процессов обтекания, над банкой формируется особенное "мозаичное" поле, с характерным масштабом пятен порядка размеров верхней площадки горы (6-7 морских миль).
2. В зимний сезон в области цепи подводных гор Horseshoe и вблизи банки Ампер обнаружен локальный фронт, который отмечает границу холодных (к востоку) и теплых (к западу) океанских вод. Этот фронт заметен в поле спутниковой ТПО. По измерениям над малой вершиной Ампер, вдоль фронта на юг направлено течение со средней скоростью 30 см/с в верхнем 200-метровом слое океана. В окрестности банки встречаются холодные дипольные вихревые образования, проявляющиеся на рисунках распределения температуры вдоль галсов в характерном виде буквы “W”.
3. Под действием приливных течений, имеющих над горой кинетическую энергию на порядок большую, чем на глубокой воде, фронт смещается на 6-7 морских миль. Движение фронтального раздела над малой вершиной горы Ампер вызывает аномально большие для открытого океана колебания температуры (до 2°С в термоклине). Над банкой Ампер, при этом, с частотой полусуточного прилива, появляются скачки температуры типа внутреннего бора.
4. Колебания температуры над малой вершиной Ампер обусловлены адвекцией среднего поля (фронта) и адвекцией глубинных вод приливными течениями.
5. Волнообразные по горизонтали изменения температуры, обнаруженные к югу от банки, интерпретируются как проявление “запрепятственных” квази-инерционных внутренних волн. Длина волны постепенно уменьшается от 10 до 3 морских миль вниз по течению, к югу от банки. Длины волн определяются высокими модами с масштабом, близким к предельному инерционному, что соответствует развёртке (по горизонтали) инерционного колебания средним течением.
Работа выполнена по Гос. заданию, Тема № 0149-2019-0004, "Механизмы формирования циркуляционных структур Мирового океана: ключевые процессы в пограничных слоях и их роль в динамике океана на основе экспедиционных исследований, численного и лабораторного моделирования".