Институт Океанологии РАН
Физика океана, морская геология, морская биология, морская техника
English | Russian
Главная arrow Лаборатории физического направления arrow Лаборатория экспериментальной физики океана
Лаборатория экспериментальной физики океана Печать E-mail

Руководитель лаборатории - главный научный сотрудник, д.ф.-м.н. Зацепин Андрей Георгиевич.

Руководитель лаборатории, д.ф.м.н А.Г.Зацепин
Лаборатория экспериментальной физики океана (первоначальное название - Лаборатория мезомасштабной гидрофизики) была организована в 1974 г. известным физиком-океанологом, доктором физико-математических наук, впоследствии членом-корреспондентом РАН, профессором Константином Николаевичем Федоровым. Основные задачи Лаборатории заключалась в изучении тонкой термохалинной, мезомасштабной вихревой и фронтальной структуры вод океана, а также его тонкого приповерхностного слоя вблизи границы с атмосферой.

Исследования проводились на основе сочетания различных методов, таких как судовые наблюдения в океанских экспедициях, анализ только что появившейся спутниковой информации, лабораторное (до той поры отсутствовавшее в Институте) и теоретическое моделирование. Были изучены различные механизмы формирования тонкоструктурных неоднородностей в непрерывно стратифицированной жидкости, связанные с локальным перемешиванием, боковой адвекцией (интрузией) инородных вод, процессами двойной диффузии. Были исследованы закономерности свободной и вынужденной конвекции в охлаждаемом сверху слое жидкости со свободной поверхностью, установлено существование и исследованы характеристики «холодной пленки» на свободной поверхности остывающей жидкости. Были проанализированы и сведены воедино имевшиеся сведения об океанических фронтах, а также получены новые данные, свидетельствовавшие о всемасштабности фронтальных явлений, а также о многофронтальности климатических фронтальных зон. Была установлена связь тонкой термохалинной и мезомасштабной вихревой структуры с океаническими фронтами, начаты исследования по трансфронтальному обмену, осуществляемому интрузиями и вихрями. Впервые было обращено внимание на широкую распространенность внутритермоклинных вихревых линз в океане и предложены механизмы их формирования. 

Результаты этих исследований, проводившихся в основном в 70-е и 80-е годы прошлого века, изложены во многих десятках научных статей, опубликованных в ведущих научных журналах и в нескольких тематических сборниках, а также обобщены в трех хорошо известных монографиях: К.Н. Федоров «Тонкая термохалинная структура вод океана, 1976, Л.: Гидрометеоиздат; К.Н. Федоров «Физическая природа и структура океанических фронтов», 1983, Л.: Гидрометеоиздат; К.Н. Федоров, А.И. Гинзбург «Приповерхностный слой океана», 1988, Л.: Гидрометеоиздат. Все эти монографии были переведены на английский язык и переизданы за рубежом. Они до сих пор не утратили своего научного значения.

Константин Николаевич Федоров
После скоропостижной кончины К.Н. Федорова в 1988 г. Лабораторию возглавил один из его учеников, ныне д.ф.-м.н. А.Г. Зацепин. В трудные годы смены экономической системы в России, в условиях скудного государственного финансирования, Лаборатория продолжала успешно работать и к настоящему времени не только сохранила свои основные кадры, но и пополнилась молодыми сотрудниками, которые активно вовлекаются в экспедиционную и лабораторную экспериментальную работу. В настоящее время Лаборатория является одной из лучших Институте. Устойчивое научное и финансовое положение Лаборатории во многом определяется тем, что она проводила и проводит работы по ряду международных и российских проектов. Имея гранты различных научных фондов, она сохраняет преемственность научной проблематики, заложенной К.Н. Федоровым.

Исследования Лаборатории фокусируются вокруг трех основных направлений:

  • Мезомасштабные гидрофизические процессы в Мировом океане и морях России, их влияние на состояние морских экосистем, водообмен шельфовой зоны с открытым морем и перенос загрязняющих веществ (натурные исследования и лабораторное моделирование).
  • Спутниковый мониторинг морей Росии, а также избранных районов Мирового океана.
  • Разработка нового класса океанологических приборов.

Сотрудники Лаборатории активно участвуют в международных и российских конференциях, публикуют результаты своих исследованиях в ведущих отечественных и зарубежных рецензируемых изданиях, а также в книгах и монографиях.

В последние годы одной из основных научно-организационных задач Лаборатории явилось практическое воплощение нового этапа в изучении современного состояния экосистемы Черного моря. При участии сотрудников Лаборатории, организована и регулярно проводится в тесном взаимодействии с другими подразделениями Института Черноморская судовая экспедиция.

Анализ данных международного дрифтерного эксперимента и спутниковой информации в совокупности с результатами судовых наблюдений и лабораторных исследований выявил первостепенную роль мезомасштабных вихревых структур во взаимодействии прибрежных и глубоководных районов моря. Установлено существенное влияние нестационарного ветрового воздействия на макро и мезомасштабную (вихревую) динамику вод Черного моря, процессы формирования и релаксации Основного черноморского течения. Выявлены основные тенденции в изменении регионального климата в регионе и проанализировано возможное влияние климатических изменений на функционирование морской экосистемы.

Основные результаты черноморских исследований опубликованы в двух спецвыпусках журнала «Океанология» (2002 и 2005 гг.) и обобщены в коллективной монографии: «Комплексные исследования северо-восточной части Черного моря» (ред.: А.Г. Зацепин, М.В. Флинт, Москва: «Наука», 2002).

Важнейшие результаты исследований Лаборатории за 2003 - 2006 гг.

На основе анализа рядов гидрометеорологических данных исследована долгопериодная (1950 – 2005 гг.) изменчивость температуры поверхности Черного моря (ТПМ) и ее связь с атмосферными параметрами - температурой воздуха (ТА), приповерхностным ветром и индексом Северо-Атлантического Колебания (САК). Установлено, что изменчивость зимней ТПМ, играющей определяющую роль в формировании кислородосодержащего слоя водоема, представляет собой перемежающиеся периоды ее увеличения/уменьшения продолжительностью 6-10 лет. Эта изменчивость хорошо коррелируется с колебаниями ТА, которые, в свою очередь, связаны с меридиональным переносом в атмосфере. Показано, что усиление/ослабление ветра южных румбов или ослабление/усиление ветра северных румбов вызывают увеличение/уменьшение ТА и ТПМ. При высоких положительных значениях индекса САК южный компонент ветра ослабевает, а ТА и ТПМ уменьшаются. При умеренных положительных и близких к нулю значениях индекса САК преобладает юго-западный ветер, а ТА и ТПМ растут. При отрицательных значениях индекса САК доминирует северо-восточный ветер, что приводит к уменьшению ТА и ТПМ. Практическое значение полученных результатов заключается в возможности прогнозирования тенденций климатических колебаний в Черном море на основе анализа крупномасштабных атмосферных процессов (Лаб. экспериментальной физики океана, рук. – д.ф-м.н. Зацепин А.Г. , к.ф.-м.н. Казьмин А.С.).

В северо-восточной части Черного моря исследован малоизвестный механизм формирования прибрежного течения, обусловленный нестационарным и неоднородным по пространству ветровым воздействием. Известно, что северный, или северо-восточный ветер ("норд-ост") имеет неоднородное пространственное распределение скорости над Российским сектором моря из-за блокирующего влияния Кавказских гор. Так, в районе от Керчи до Туапсе, горы либо отсутствуют, либо имеют незначительную высоту и не создают существенного препятствия для норд-оста, тогда как к востоку от Туапсе, горы являются достаточно высокими и массивными для того, чтобы его блокировать. В первую половину лета, при норд-осте, интенсивное ветровое воздействие на верхний однородный слой приводит к быстрому его выхолаживанию за счет турбулентного вовлечения холодной воды из-под неглубоко расположенного термоклина. Вследствие этого температура верхнего слоя западнее Туапсе, в области сильного ветра, за двое суток может понизиться на 8-12 оС, тогда как восточнее Туапсе, в области слабого ветра, она практически не изменяется. Возникает узкая фронтальная зона, расположенная почти перпендикулярно берегу и разделяющая холодные, более плотные воды, с одной стороны и теплые, менее плотные – с другой. Гидродинамический анализ показывает, что в такой ситуации развивается интенсивная струя прибрежного течения, распространяющая теплую воду на северо-запад со скоростью 50-60 см/c. По спутниковым данным установлено, что за несколько суток эта струя достигает района Керченского пролива. За время своего существования (не менее 2-х недель) она осуществляет значительный перенос воды и изменяет режим функционирования прибрежной экосистемы. Данный механизм формирования прибрежного течения может реализовываться в других морях и районах океана. (Лаб. экспериментальной физики океана, рук. – д.ф-м.н. Зацепин А.Г., к.ф.-м.н. Кременецкий В.В.).

Разработаны принципы построения системы регионально-адаптированного мониторинга состояния водной поверхности и динамики вод Каспия; определен комплекс технических средств для измерения выбранных параметров спутниковыми методами. Проведен выбор гидрометеорологических параметров, необходимых для постоянного контроля в рамках разрабатываемых технологий и адекватно представляющих состояние морской среды. Осуществляется сбор текущей метеорологической информации по береговым метеостанциям Каспийского моря (Астрахань, Махачкала, Баку, Актау) с 1 июня 2005 г. с интервалом в 3 часа по следующим параметрам: температура воздуха (оС), атмосферное давление (мм рт. ст.), влажность (%), скорость (м/с) и направление (о) ветра, облачность (%) и атмосферные явления (дождь, гроза, дымка и пр.). Организован спутниковый мониторинг поля температуры Каспийского моря со спутников серии НОАА, США. (Лаб. экспериментальной физики океана, зав. лаб.- д.ф.-м.н. Зацепин А.Г., рук. – д.ф-м.н. А.Г.).

Создан действующий макет измерительного комплекса «Аквазонд», предназначенного для автоматического вертикального профилирования водной толщи моря и проведены его натурные испытания в Черном море. В ходе испытаний, наряду с апробацией комплекса, выполнены измерения вертикальной гидрофизической структуры вод шельфа. Зондирования «Аквазондом», выполнявшиеся на протяжении 2-х суток с периодичностью в 1 час, выявили квази-двуслойное распределение температуры, плотности и скорости течений, а также наличие ярко выраженных инерционных колебаний. Планируется дальнейшее использование «Аквазонда» в качестве одного из постоянно действующих элементов системы мониторинга экологического состояния водной среды. (Лаб. экспериментальной физики океана, зав. лаб.- д.ф.-м.н. Зацепин А.Г.).

Обработаны и проанализированы результаты черноморского дрифтерного эксперимента за период 1999-2003гг. Траектории дрифтеров подтвердили существование интенсивных мезомасштабных вихрей как в прибрежной, так и в глубоководной частях Черного моря. Получена оценка коэффициента горизонтальной вихревой диффузии и определен масштаб времени обмена между центральной и прибрежной зонами моря. Рассчитаны пространственные распределения полной кинетической энергии течений, кинетических энергий средней и пульсационной составляющих течения, инерционных колебаний. Оценены значения этих характеристик как для всего моря, так и для его различных районов: глубоководная часть, континентальный склон и шельф. (Рук. работ - д.ф.-м.н. Зацепин А.Г.)

В рамках программы "Комплексные исследования физических процессов и климатических изменений Мирового океана и его морей" проведены исследования и установлено, что интенсификация Основного Черноморского течения (ОЧТ), обусловленная ветровой накачкой, сопровождается ослаблением мезомасштабной вихревой динамики и связанного с ней горизонтального (трансшельфового) водообмена, тогда как релаксация ОЧТ при отсутствии или уменьшении ветровой (эксмановской) накачки приводит к противоположному эффекту. Этот вывод сделан на основании результатов совместного анализа характеристик поля ветра (NCEP) над Азово-Черноморским регионом, спутниковых ИК-изображений, судовых гидрологических наблюдений, а также результатов лабораторных опытов по моделированию физических механизмов изменчивости макро- и мезомасштабной динамики вод Черного моря. (Рук. работ - д.ф.-м.н. Зацепин А.Г.)

Обработаны гидрологические данные экспедиции "Арал-2002", описана современная трехмерная структура термохалинных полей в глубоком западном бассейне Аральского моря. Описан современный солевой состав западного Арала, сложившийся в результате процессов метаморфизации пород в ходе падения уровня моря; обнаружено сероводородное заражение в придонной анаэробной зоне. Выполнены количественные оценки роли водообмена между западным и восточным бассейнами Аральского моря в поддержании плотностной стратификации первого как фактора, определяющего темпы дальнейшего высыхания моря. Даны модельные прогнозы на период до 2025 г. На основе анализа рядов данных реанализа NCAR/NCEP выполнены количественные оценки влияния высыхания Арала на региональный климат (температура и влажность воздуха, осадки). ( отв. исп. - д.г.н. Завьялов П.О.).

Выполнены первые исследования микро- и тонкой структуры полей температуры и электропроводности в верхнем 200-метровом слое Черного моря с помощью свободнопадающего зонда-турбулиметра Баклан. В результате обработки полученных данных построены вертикальные профили безразмерных параметров микроструктуры - чисел Кокса по температуре и электропроводности, характеризующих интенсивность вертикального турбулентного обмена. Значения чисел Кокса демонстрируют существенную изменчивость (3-4 порядка) на масштабах тонкой структуры (1-10 метров), не имеют никаких аномалий в области зоны раздела аэробных и анаэробных вод, а также практически не "реагируют" на вертикальный сдвиг геострофической скорости или величину геострофического числа Ричардсона (Ri ~ 3·(100-104)). Это позволяет сделать предварительный вывод о том, что процессы вертикального перемешивания слабо зависят от мезо- и крупномасштабной динамики вод и, скорее всего, поддерживаются энергией нестационарных движений - инерционных колебаний и внутренних волн. (Рук. работ - д.ф.-м.н. Зацепин А.Г.)

 
Российская академия наук
Почтовая система Ocean Институт Океанологии РАН Проект OceanDB