Вихри подо льдом

Статус: Текущий

Номер гранта:

19-05-00522

Область научного знания:

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

Тип конкурса:

(«а» инициативные научные проекты

Год выполнения:

2019 г..

Руководитель:

Зырянов В.Н.

Статус заявки:

поддержана   

 

Аннотация к заявке:

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Исходным импульсом для данного проекта стал феномен ледовых колец Байкала. В 2009 году по спутниковым снимкам впервые были обнаружены на льду Байкала гигантские кольца в ледовом покрытии в южной оконечности Байкала в районе п. Слюдянка (рис. 1) [Гранин Н.Г. Окольцованный Байкал // Наука из первых рук, 2009,  № 3(27), с. 22 – 23; Козлов В.В., Мизандронцев И.Б., Асламов И.А., Кучер К.М., Макаров М.М., Горнов А.Ю., Гранин Н.Г. Моделирование динамики толщины ледового покрова Байкала // Вестник АГТА 2010 г., № 4, с. 74 – 82]. Позже такие кольца регулярно фиксировались на спутниковых снимках на льду Байкала. После обнаружения колец в 2009 г. были внимательно изучены космические снимки за предыдущие годы, которые показали, что кольца на снимках имелись и раньше, начиная с 1970-х годов. Причем аналогичные кольца позже были идентифицированы  на снимках в разные годы, начиная с 1975 г., на озере Хубсугул в Монголии. Систематизация данных космических снимков (рис. 2) приведена в работе [Kouraev A.V., Zakharova E.A., Rémy F., Kostianoy A.G., Shimaraev M.N., Hall N.M.J., SuknevA.Ya. Giant ice rings on Lakes Baikal and Hovsgol: inventory,  associated water structure and potential formation mechanism // Limnology and Oceanography. –2016. – 61. – p. 1001-1014.]. Кольца имеют практически круглую форму в диаметре, в среднем, 5–7 км, с шириной самого кольца более темного и более тонкого льда порядка 1 км (рис. 2, 3).

Зырянов1.jpg

Рис. 1. Кольцевая структура в ледовом покрове на Южном Байкале (космический снимок от 04.04.2009 г., MODIS спутник Terra http://www.geol.irk.ru/dzz/bpt/ice/090409/090409.jpg) [Козлов В.В., Мизандронцев И.Б., Асламов И.А., Кучер К.М., Макаров М.М., Горнов А.Ю., Гранин Н.Г. Моделирование динамики толщины ледового покрова Байкала // Вестник АГТА. 2010. 4. стр. 74 – 82.]

Зырянов2.jpg

Рис.2. Ледовые кольца на озёрах Байкал и Хубсугул. Данные Landsat 1-7 (а, в, ж-и), MODIS/Terra (г-е) и МКС (б). Все изображения, за исключением (е) ориентированы на север (взято из [Kouraev A.V., Zakharova E.A., Rémy F., Kostianoy A.G., Shimaraev M.N., Hall N.M.J., Suknev A.Ya. Giant ice rings on Lakes Baikal and Hovsgol: inventory, associated water structure and potential formation mechanism // Limnology and Oceanography. –2016. – 61. – p. 1001-1014]).

Подледные измерения течений и термической структуры вод в районе колец показали, что в геострофической области озера под кольцом сидит антициклонический вихрь, который  доставляет более теплую глубинную воду к нижней поверхности льда, что и приводит к вытаиванию льда снизу. Формируется интересная линзовидная область перемешанной воды подо льдом (рис. 3) (Н. Г. Гранин, В. В. Козлов, Е. А. Цветова, Р. Ю. Гнатовский. Полевые исследования и некоторые результаты численного моделирования кольцевой структуры на льду озера Байкал // Доклады Академии наук, 2015, том 461, № 3, с. 343–347). Но вопросы, почему же лед вытаивается снизу по кольцу, и откуда берутся эти вихри подо льдом, остаются открытыми. В данном проекте поставлена задача: рассмотреть  эту проблему шире и изучить не только кольца Байкала с гидродинамической стороны, но и другие возможные типы мезомасштабных вихревых движений подо льдом, причины их появления, динамику их воздействия на лед. Будут изучены подледные топографические вихри, подледные каньонные вихри, подледные радиационные вихри, глобальная подледная циркуляция вод в мезомасштабных водоемах.

Зырянов3.jpg

Рис. 3. Спутниковый снимок MODIS кольцевой структуры с положением станций: а – температура (T, °C), б – минерализация (S, мг/кг) на разрезе с запада на восток (взято из [Гранин Н.Г., Козлов В.В., Цветова Е.А., Гнатовский Р.Ю. Полевые исследования и некоторые результаты численного моделирования кольцевых структур на льду озера Байкал // Доклады Академии Наук. – 2015. –Т. 461. –№3. – Сс. 316–320.])

Проблема интересна тем, что наличие льда отсекает действие ветра, в результате чего в динамике течений начинают проявляться в чистом виде те слабые вихревые структуры, которые в случае открытой воды сильно затушевываются и «смазываются» ветровым воздействием. Безусловно, одной из важнейших задач данного проекта является исследование подледного экмановского пограничного слоя, т.к. именно в нем происходит взаимодействие вихря геострофической области со льдом, влияющее на процессы таяния и нарастания льда.

Исследования нового интересного явления в геофизической гидродинамике определяют актуальность и значимость данного проекта.

 

Аннотация к отчету по результатам реализации проекта (2019 год):

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 2019 г.

Решена задача о структуре подледного слоя Экмана над геострофическим вихрем во вращающейся однородной жидкости. Идея постановки задачи состоит в том, что движение воды под кольцом инициируется вихрем в геострофической области ниже. Показано, что вытаивание льда снизу в виде кольца обусловлено формированием вертикального кругового слоя Стьюартсна на боковой поверхности геострофического вихря и, как следствие, образованием дивергентного вихревого тора в области пересечения вертикального цилиндрического слоя Стьюартсона и горизонтального подледного слоя Экмана. Показано, что по внутренней части слоя Стьюартсона идет подъем теплых глубинных вод в слой Экмана, которые из него «разбрасываются» по кругу дивергентным вихрем. Наиболее интенсивные горизонтальные и вертикальные движения воды происходят в кольцевой зоне пересечения этих слоев (рис. 4).

Зырянов4.jpg

Рис. 4. Векторное поле безразмерных скоростей в вертикальной радиальной плоскости в зоне пересечения слоя Стьюартсона топографического вихря с подледным слоем Экмана [Зырянов В.Н., 2019 г.].

 

Развита нелинейная теория нарастания льда с учетом нелинейности коэффициента теплопроводности льда и пампинг-эффекта за счет колебаний температуры воздуха, и самое главное, с учетом потока тепла из воды в лед. В этом случае условие Стефана приводит к нелинейному уравнению Абеля второго рода, аналитическое решение которого найдено асимптотическими методами для случая малых отношений потоков тепла в воде к потокам тепла в ледовом массиве.

ЭКСПЕДИЦИИ 2019 г.

В рамках проекта велись интенсивные экспедиционные работы в 2019 г. Было проведено три экспедиции на Байкал - две зимой и одна летом, и один выезд в Финляндию зимой для участия в зимних работах на льду на озерах Pääjärvi, Taka-Killo и Lovonjarvi (биостанция Ламми). В ходе полевых работ получен интересный экспериментальный материал. Во время летней экспедиции на НИС «Г.Ю. Верещагин» на Байкале в районе мыса Нижнее Изголовье были впервые запущены два буя Argos с системой передачи координат GPS через французскую спутниковую сеть Argos (рис. 5). Хотя буйковый эксперимент не дал однозначного ответа на существование каньонного вихря летом – буи не описали ожидаемую круговую траекторию, но на вертикальных разрезах полей температуры и кислорода через предполагаемую область вихря выделяется некая столбчатая структура.

Зырянов5.jpg

Рис. 5. Траектории буев Argos в районе мыса Нижнее Изголовье (июль – август 2019 г.). Прямые линии – курс  НИС «Г.Ю.Верещагин», (ЛИН СО РАН).

 

ЛАБОРАТОРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Проведены лабораторные эксперименты на вращающейся установке в лаборатории гидродинамики ИВП РАН. В эксперименте ставилась задача – проследить движение воды подо льдом при его таянии. Такая постановка имеет прямое отношение к радиационным вихрям, возникающим подо льдом в результате прогрева солнечной радиацией подледных слоев воды. В экспериментах получено, что жидкость при опускании вниз  в результате  таяния льда начинает закручиваться  антициклонически. Таким образом,  экспериментально подтверждено, что в мезомасштабных областях чистого льда без снега, в том числе, и в областях кольцевых структур, при радиационном прогреве воды, будут генерироваться антициклонические вихри в результате возникающей конвекции.

Дата публикации: 27.03.2020



Все проекты