По программе ПОЛИМОДЕ в Бермудском треугольнике

Полигон — 70

Период шестидесятых — семидесятых. годов стал переломным для океанографических исследований. В начале этого периода крупный американский океанограф X. Стомелл в своем обращении к океанографам «Почему наши идеи циркуляции океана имеют столь странное, нереальное качество?» говорит о необходимости проведения экспериментов с целью проверки теоретических идей. В 1972 году академик Л. М. Бреховских пишет: «…накопление наблюдений не может заменить целенаправленного эксперимента».

Океанографы уже давно пришли к мысли, что необходимо объединить свои усилия для проведения подобных экспериментов. Так постепенно с 1969 по 1976 год зрела идея создания программы ПОЛИМОДЕ. С 1974 года начались планомерные работы по ее детальной разработке и частичной реализации. Что же означает слово ПОЛИМОДЕ? Оно является символом преемственности в океанографической практике, символом общностни усилий СССР и США в исследовании океана. Оно возникло из слияния слов Полигон и МОДЕ

— названий советского и американского экспериментов по изучению изменчивости движений в океане, осуществленных в семидесятых годах нашего века. После завершения Аравийского эксперимента в 1967 году появились новые концепции проведения современных измерительных работ по исследованию структуры течений в океане. Его результаты показали, что двух месяцев абсолютно недостаточно для подобных исследований. Оказалось, что необходимо также увеличить количество и плотность автономных буйковых станций (АБС). И лишь спустя три года был осуществлен эксперимент Полигон—70. Научное руководство им было возложено на директора Акустического института АН СССР академика JI. М. Бреховских и заведующего лабораторией гидрологических процессов Института океанологии АН СССР профессора В. Г. Корта. Согласно предварительно разработанной программе, районом эксперимента была избрана обширная область севернее Островов Зеленого Мыса, расположенная в тропической зоне Атлантического океана. На этом полигоне, имеющем форму креста размером 240 х 240 километров, было установлено семнадцать АБС. Шесть научно — исследовательских судов работали в течение семи месяцев на полигоне, обслуживая АБС и выполняя и другие задачи по программе эксперимента.

Флагманом программы «Полигон—70» был определен корабль «Дмитрий Менделеев», который вместе с другим судном «Академик Курчатов» обеспечивал работу четырнадцати автономных буйковых станций. Остальные три обслуживало судно морской гидрографической службы «Андрей Вилитский». Каждые двадцать пять дней буи заменялись другими, а раз в три дня проводился визуальный контроль буев.

В выполнении программы «Полигон—70» участвовали и научно — исследовательское судно Морского гидрографического института АН УССР «Академик Вернадский», а также суда Акустического института АН СССР «Сергей Вавилов» и «Петр Лебедев». Этим экспедиционным судам было поручено исследование микроструктуры океанических течений, а также специальные акустические эксперименты.

Во время советского океанографического эксперимента «Полигон-70» был открыт антициклонический вихрь, в котором вращение вод осуществлялось по часовой стрелке. Цифрами 1—17 обозначены места, где были расположены АБС, а длина стрелок пропорциональна скорости течений, измеренной 24 мая 1970 г.

В результате столь длительной напряженной работы был накоплен богатый экспериментальный материал, обработка которого требовала большой затраты времени и усилий. Но полученные результаты превзошли все ожидания и вознаградили ученых за их самоотверженный труд. Главным было то, что удалось открыть вихревое образование (антициклон), который присутствовал на полигоне большую часть времени эксперимента. Он представлял собой эллипс, вытянутый в направлении северо — запад — юго — восток. Длина его большой оси составляла 400 километров, а малой — 200 километров. Антициклон медленно перемещался на запад со скоростью 5 сантиметров в секунду. Вихревое возмущение было ярко выражено до глубины 1500 метров, а скорость кругового движения на этом уровне достигала 10 сантиметров в секунду. При подобном рассмотрении оказалось, что этот вихрь не единственный. Тогда было высказано предположение, что над полигоном двигался целый «пакет вихрей», расположенных в шахматном порядке. А это означало, что за каждым циклоном следует антициклон, и наоборот.

Эксперимент «Полигон—70» дал окончательный ответ на вопрос, есть ли вихри в океане. Но этот ответ повлек за собой возникновение множества новых вопросов; был ли открытый вихрь случайным явлением или он закономерен? Какова природа вихрей в океане? Какова связь между ними и колебаниями в атмосфере? Происхождение энергии вихревого движения и т. д. Эти вопросы волновали и американских ученых. К тому времени они уже запланировали проведение эксперимента МОДЕ (по первым буквам английского названия

— Срединно — океанический динамический эксперимент). И здесь советские коллеги предложили им свою помощь. В 1972 году они предоставили им первичные результаты эксперимента «Полигон—70», что явилось первым крупным шагом по пути совместного сотрудничества в изучении океана.

МОДЕ-1

Эксперимент в Индийском океане для советской океанографической науки явился предвестником эксперимента «Полигон—70». Точно так же и американских ученых океанографическая экспедиция «Эрайез», о которой мы уже говорили, заставила задуматься над тем, каковы механизмы движений в океане. В 70–80–е годы нашего столетия вопрос о том, существует ли «погода океана», и если да, то каким законам она подчиняется, не переставал волновать ученых — океанографов. После создания необходимой экспериментальной базы американские ученые подготовили программу МОДЕ.

Сразу же возникли трудности как научно — технического, так и финансового характера. Во — первых, необходимо было избрать удачный район, который бы являлся наиболее типичным для формирования погоды в океане. Нужно было решить, какие параметры следует измерять и как долго. Кроме того, не было известно, каковы размеры циклонов в океане и др.

Сначала предполагалось, что эксперимент будет разделен на две части — предварительную и основную экспериментальную. Целью предварительной части — Пре — МОДЕ был сбор сведений и результатов, которые бы обеспечили полноценное проведение основных измерительных работ. В силу финансовых затруднений эксперимент Пре — МОДЕ не состоялся; но спустя три года, после тщательной подготовки, был осуществлен эксперимент МОДЕ — I.

МОДЕ — I начался в марте 1973 года. В нем приняли участие пятьдесят ученых из США и Великобритании из пятнадцати научных институтов. В их распоряжении находились несколько сот человек обслуживающего персонала, шесть судов и два самолета: внушительная часть научного потенциала, судов и оборудования двух стран, предоставленная для проведения физических экспериментов в океане.

Измерительные работы проводились в районе диаметром 600 километров, лежащем между Бермудскими островами и полуостровом Флорида. В выборе района существенную роль сыграла его близость к континенту, Бермудским и Багамским островам. Здесь сыграл роль и тот фактор, что АБС не в состоянии посылать акустические сигналы на слишком большие расстояния. Кроме того, поблизости от района эксперимента располагается течение Гольфстрим, которое вносит большое разнообразие в гидрологический режим данной области. В результате, за четыре месяца напряженной работы было собрано огромное количество новых данных. Дрейфующие поплавки «Софар», работающие на акустическом принципе связи с сушей, дали статистическую картину распределения вихрей в пространстве и времени. В процессе эксперимента было подтверждено существование «погоды в океане». Были изучены и некоторые наиболее общие закономерности вихревого поля, было показано, что интенсивность вихрей в различных областях океана неодинакова. Иными словами, не во всех областях вихри встречаются одинаково часто, но, возможно, везде имеют ключевое значение для процессов преобразования энергии и ее распределения в океане, т. е. процессов, лежащих в основе механизмов океанической динамики.

Двадцать лет назад считалось, что течения в океане являются результатом дующих над поверхностью океана ветров. На основе этого разрабатывались довольно убедительные и простые теории, которые, на первый взгляд, убедительно объясняли основные особенности движения в океане. Но вот появилось экспериментальное подтверждение существования вихрей в океане, и перед океанографией возникла проблема радикального изменения научных взглядов.

Во время эксперимента МОДЕ — I был зарегистрирован океанический вихрь. Является ли он аналогом атмосферных циклонов и ураганов с их климатическими последствиями? Во всех ли областях океана роль вихрей в переносе океанической энергии одинакова? Отличаются ли кольца Гольфстрима от обычных вихрей в открытом океане? И, наконец, насколько обогатились наши знания механизмов движения в океане?

Структура поля температуры и поля скорости антициклона на глубине 500 м во время эксперимента МОДЕ — I. Внутри вихря температура выше, а векторы скорости направлены по изолиниям температуры.

Чрезвычайно показательным для описания проблемы исследования вихрей в океане является высказывание американского океанографа Карла Вунша: «Мы можем рассматривать МОДЕ — I как аналог программы исследования погоды, закончившейся двухдневными измерениями северо — восточных ветров над Новой Англией.

И это единственный случай, когда были регистрированы эти ветры. Таким образом возникает целая серия вопросов: дуют ли эти ветры над Новой Англией постоянно? Если нет, то как часто? Что происходит в период затишья ветров? Для всех ли частей света типичны эти ветры?»

В 1976 году, когда Карл Вунш написал эти строки, да и теперь, когда этими проблемами вплотную занялись океанографы, вряд ли кто‑нибудь верил, что спустя несколько лет все будет решено — столь многочисленны и сложны были возникавшие вопросы. И в то же время четко наметился путь, которым должны были идти ученые, чтобы изучить физические механизмы энергетического обмена в океане. И путь этот отнюдь не был легким. Он подразумевал проведение многолетних измерений (ибо, как уже было сказано, «погода в океане» изменяется медленно), причем в разных районах Мирового океана с их специфическими географическими и климатическими особенностями. Всем было ясно, что какой‑нибудь одной стране не под силу глобальное изучение вихрей в океане. Следующим шагом должно было стать объединение усилий наиболее развитых в области океанографии стран. И таким шагом стал эксперимент ПОЛИМОДЕ.

ПОЛИМОДЕ — программа и задачи

Программа ПОЛИМОДЕ включает совместное международное научное исследование синоптических вихревых движений в океане. Ее задачи связаны с изучением характера этих движений, их энергетических источников, а также их роли в формировании общей циркуляции океана. Фактически, это синоптический эксперимент, имеющий своей целью получение подробных сведений о динамике океана в небольшом районе, т. е. эксперимент с локально — динамическим характером.

В 39 номере журнала «Полимоде ньюз» от 25 ноября 1977 года сформулированы основные экспериментальные и теоретические проблемы программы:

1. Экспериментальные полевые работы и опыты преимущественно в северо — западной части Атлантического океана, цель которых — получение новых данных о кинематике и динамике изменчивости океана в данном районе и выяснение их роли в циркуляции Северо — Атлантического субтропического кольца.

2. Теоретические работы с целью развития теоретического моделирования явлений вихревого характера и применения теории в процессе усвоения данных ПОЛИМОДЕ для их использования при численном мо делировании и прогнозировании локальных процессов, а также создания численных моделей циркуляции в северной части Атлантического океана с высокой разрешающей способностью.

В программе ПОЛИМОДЕ осуществлялись два основных типа исследований: статистико — географический и синоптический, или локально — динамический. Цель исследований первого типа — выяснить географическое распределение вихревой энергии в различных отдаленных областях океана и определить вертикальные, горизонтальные и временные масштабы явлений. Этот тип исследований является существенной отличительной чертой ПОЛИМОДЕ по сравнению с «Полигоном—70» и МОДЕ — I. Такие исследования позволяют получить предварительную, хотя и приблизительную информацию о гидрологической обстановке Атлантического океана. В силу этой причины измерения, осуществляемые по статистико — географической программе преимущественно американскими учеными, были начаты гораздо раньше (в 1975 году) измерений, предусмотренных основной частью программы.

В процессе выполнения программы ПОЛИМОДЕ основной упор делался на проведение синоптических и локально — динамических экспериментов. В этих работах приняли участие советские ученые и их американские коллеги. Целью этих работ было:

1. Определение трехмерной пространственной и временной структуры вихревого поля на полигоне с размером, больше диаметра вихря, в течение нескольких вихревых циклов.

2. Измерение и определение в полевых условиях преобладающего динамического баланса, которым управляют: а) само вихревое движение; б) взаимодействие с соседними вихрями; в) взаимодействие вихрей с другими большими или меньшими океаническими образованиями; г) перенос энергии вихревого движения.

Карта рельефа дна западных областей Атлантического океана. Концентрическими окружностями обозначена область, где проходили измерения по программе МОДЕ — I. Точками отмечены места расположения советских АБС во время эксперимента ПОЛИМОДЕ.

Судя по названию этого типа исследований — синоптические, их целью является изучение именно процессов зарождения и эволюции погоды в океане.

А теперь попробуем коротко рассказать о работах по выполнению двух основных типов исследований по программе ПОЛИМОДЕ. Для проведения статистико — географического эксперимента в западной части Атлантического океана были выбраны три основных района исследований. Об этих районах уже имелись предварительно собранные гидрологические сведения, которые давали основание предполагать наличие там вихревой активности. Так, например, еще до начала эксперимента было известно, что вихревая энергия достигает своего минимума вдоль меридиана 70° западной долготы, причем наименьший ее показатель приходится на центр района, где проводился эксперимент МОДЕ — I. Кроме того, ученые знали, что к востоку от этого района вихревая энергия также уменьшается. Что же обусловливает распределение этой энергии в пространстве? По всей вероятности, увеличению вихревой энергии способствуют течения Гольфстрим, Северное Пассатное течение и другие.

С целью проверки этого предположения ученые установили на обширной территории от Северного Пассатного течения до Северо — Атлантического течения в общей сложности 38 автономных станций. Большая часть их функционировала беспрерывно в течение двадцати семи месяцев и был собран уникальный экспериментальный материал об общем состоянии вихревого! поля в Атлантическом океане. Эти предварительные результаты способствовали окончательному планированию основных работ по программе ПОЛИМОДЕ.

Районы, где осуществлялись измерительные работы по программе ПОЛИМОДЕ. Заштрихованным (слегка увеличенным) кружком обозначена область, где проходил советский синоптический и американский локально — динамический эксперимент. По пересекающимся линиям I и II, а также в точке III осуществлялись измерения по программе статистико — географического эксперимента. ЭДСВА — Эксперимент по динамике Северо — Восточной Атлантики, КАН — область работ канадских ученых.

В отличие от статистико — географического эксперимента, синоптический локально — динамический эксперимент характеризовался большей концентрированностью в пространстве. Главной целью этого эксперимента было изучение внутренней структуры вихревых образований и процессов, связанных с переносом энергии в океане. Для этого в обширном районе диаметром триста километров была установлена густая сеть измерительных станций.

Основные работы по синоптической программе велись на советском синоптическом полигоне, центр которого находился в квадрате с координатами 70° з. д. и 29° с. ш. На этом полигоне располагалось девятнадцать АБС. Станции устанавливались в узлах сетки равносторонних треугольников с расстояниями между буями 39 миль (72,2 км). Для их обозначения использовались буквы русского алфавита от А до У (см. рис. на с. 62).

Работы на советском полигоне были начаты в июле 1977 года. Он действовал в течение четырнадцати месяцев. За время работ на полигоне побывали пять научно — исследовательских судов — «Академик Курчатов», «Витязь», «Михаил Ломоносов», «Академик Вернадский» и «Молдавия». «Академик Курчатов» почти не покидал полигона. Только дважды он оставлял район исследований, чтобы доставить из СССР новую партию научных работников и некоторые виды оборудования.

В течение четырнадцати месяцев АБС на советском полигоне проводили измерения скорости течений и температуры воды на уровнях 100, 400, 700 и 1 200 м. В некоторых случаях, как это было сделано, например, во время 27–го рейса «Академика Курчатова», приборы опускались почти на самое дно, на глубину 5 000 м. Суда, обслуживавшие АБС, периодически делали океанографические[4] и ХВТ — съемки района[5], а НИС «Молдавия», например, проводило океанографические измерения в довольно обширном районе, выходящем далеко за рамки полигона. В результате осуществленных измерений было зарегистрировано прохождение через полигон множества циклонов и антициклонов, а также изучены их характерные особенности. Поступающая информация обрабатывалась сразу же на судах с помощью электронно — вычислительных машин. Это способствовало тому, что еще во время работы на полигоне ученые могли ориентироваться в обстановке и быстро решать, где им нужно проводить измерения и какие результаты можно ожидать.

Американский полигон располагался севернее советского. Он был создан для проведения интенсивных локально — динамических измерений и оборудован 10–ю АБС, расположенных в районе с радиусом в 50 км. Как видно, этот полигон был намного меньше советского, но его станции располагались гораздо ближе одна к другой, что позволяло лучше исследовать внутреннюю структуру вихрей, их взаимодействие с мезомасштабными океаническими процессами, поступления и трансформации энергии в океане. Американский полигон был создан через год после создания советского. Тем не менее были осуществлены синхронные измерения в обширной области вдоль семидесятого меридиана. Кроме того, стало возможным сравнивать работу советских и американских приборов с целью корректировки полученных результатов при дальнейшей обработке и интерпретации.

Вначале ПОЛИМОДЕ считалась советско — американской программой, но к ней проявили живой интерес многие страны, как, например, Англия, Франция, ФРГ и Канада, проводящие морские исследования. Дальнейшее их участие в совместных исследованиях Атлантического океана стало существенной помощью основным участникам программы — СССР и США. Эти страны занялись исследованием некоторых районов, которые не были включены в поле действия стран, ведущих эксперимент.

В северо — западной части океана западноевропейские участники программы ПОЛИМОДЕ осуществили эксперимент по динамике северо — восточной части Атлантического океана (ЭДСВА). Он начался в январе 1977 года, и было предусмотрено, что работа приборов будет продолжаться два года. Было установлено шесть АБС, которые измеряли скорость, температуру и давление на четырех уровнях океана — 600, 1 500, 3 ООО и 5 ООО метров. Из‑за большого расстояния между станциями, очевидно, нельзя будет получить исчерпывающие данные о структуре вихрей в этой части океана. Но по замыслу этот эксперимент представлял собой аналог статистико — географическому эксперименту, и ожидалось, что можно будет получить уникальные сведения о распределении вихревой энергии в северо‑западной части Атлантического океана.

Еще в 1975 году, когда программа ПОЛИМОДЕ только начиналась, в нее включились и канадские ученые из Бедфордского океанографического института. Их задачей было исследовать структуру Гольфстрима на большой глубине, ибо в то время ученым было известно, что течения, расположенные под Гольфстримом, быстро меняются со временем и что гидрофизические характеристики меняются на сравнительно небольших расстояниях (приблизительно 50 км). А как уже было сказано, в генерировании вихрей первостепенное значение принадлежит меандрированию течений. Для выполнения своей задачи канадские ученые установили последовательно две серии АБС, которые работали по полтора года каждая.

Очень трудно изложить в популярной форме все работы международных коллективов по выполнению программы ПОЛИМОДЕ. Она не только сложна, но и чрезвычайно насыщенна и напряженна. И все же, если необходимо указать лишь одну характерную черту программы, то это прекрасная слаженность в работе международного научного коллектива при сохранении самостоятельности и автономии исследований каждой страны. Образно говоря, «совместное сотрудничество и невмешательство во внутренние дела». Все исследования были подчинены стремлению понять законы вихревого движения в океане. При этом методика проведения эксперимента каждой страной отличалась своими особенностями, поэтому было невозможно, да и нецелесообразно, полное унифицирование работ.

Эксперимент по программе ПОЛИМОДЕ подразумевал рациональное распределение усилий разных стран. И здесь еще раз была подтверждена добрая воля ученых, приступивших к совместному планированию его основных задач. В ходе эксперимента ученые непрерывно обменивались информацией о том, как идут исследования. Научные работники советских НИС периодически посещали американские океанографические центры, где состоялось множество рабочих встреч и были установлены плодотворные научные контакты. Американские ученые предоставили своим советским коллегам большое количество приборов для ХВТ — съемки на советском научном полигоне. Была осуществлена и интеркалибрация[6] советских и американских приборов и др.

Самым важным моментом совместного сотрудничества стала достигнутая договоренность о взаимном предоставлении полученных результатов. Согласно этой договоренности, каждая страна должна будет в течение года самостоятельно обрабатывать полученные ею данные. Затем будет произведен обмен результатами, и каждая страна — участница станет собственником всего экспериментального материала программы ПОЛИМОДЕ. В настоящий момент это беспрецедентный случай в океанографической практике и, возможно, один из немногих в мировой научной практике. А именно он указывает путь, по которому следует идти, дабы достичь скорейшего развития мировой науки.