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 22-77-00055
НазваниеИсследования внутренних волн и их влияния на прибрежные экосистемы
РуководительХимченко Елизавета Евгеньевна, Кандидат географических 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 - 06.2024 |
Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-503 - Волновые процессы в океане
Ключевые словакороткопериодные внутренние волны, квази-инерционные внутренние волны, сезонная изменчивость, кислород, экосистема, Черное море
Код ГРНТИ37.25.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Внутренние волны широко распространены на шельфе Мирового океана, и их изучение является одним из основных направлений современной океанологии. Они оказывают существенное влияние на вертикальную стратификацию вод, диссипацию энергии, турбулентное перемешивание, на распространение акустических сигналов в морской среде, и даже на перераспределение питательных веществ. Учитывая широкий спектр воздействий, которые внутренние волны оказывают на морские экосистемы, их важность для экологического мониторинга состояния акваторий является перспективным направлением для исследований.
Основная цель проекта - изучение внутренних волн в присклоновой и прибрежной зонах Черного моря, и возможная оценка их влияния на состояние морских экосистем. На основе массивов натурных наблюдений (в различные сезоны 2015–2021 гг.) планируется выявить сезонные изменения наблюдаемых квази-инерционных и короткопериодных внутренних волн в районе северо-восточного шельфа, а также оценить изменения содержания растворенного кислорода (как одного из экологических индикаторов состояния морской среды) при их прохождении. Это позволит определить влияние внутренних волн на морские экосистемы, так как растворенный кислород воздействует на круговорот углерода, азота и других ключевых элементов.
Актуальность проекта обуславливается тем, что внутренние волны имеют определяющее значение для понимания процессов обмена в условиях бесприливного моря, а натурные наблюдения по-прежнему остаются главным источником новой информации об их изменчивости. Однако изучение внутренних волн в Черном море посредством контактных измерений ведется непостоянно и непродолжительное время (особенно в зимний период), что связано, в первую очередь, с техническими трудностями проведения морского эксперимента. В виду выше сказанного, анализ имеющихся продолжительных записей наблюдений с целью идентификации внутренних волн, представляется уникальным и своевременным. Оценка влияния внутренних волн на распределение растворенного кислорода для акватории Черного моря ранее практически не проводилась и отличается существенной новизной.
Ожидаемые результаты
Решение поставленных в проекте задач позволит получить новую информацию о внутренних волнах в Черном море и оценить их влияние на состояние морских экосистем, что существенно дополнит уже имеющиеся знания об исследуемом объекте.
В процессе реализации проекта будут получены следующие результаты:
1) Будут выделены особенности внутренних волн присклоновых и прибрежных вод северо-восточной части Черного моря, и проведено сравнение между наблюдаемыми внутренними волнами с их аналогами в других районах моря. Ранее для акватории Черного моря не проводилось подобных оценок в виду отсутствия достаточных массивов натурных данных в различные сезоны с высокой дискретностью измерений.
2) Будет выявлена сезонная изменчивость внутренних волн, а также выделены периоды их интенсификации в зависимости от возможных механизмов генерации.
3) Будет получена оценка изменчивости содержания растворенного кислорода при прохождении внутренних волн. Это направление исследований имеет важное прикладное значение, так как концентрация растворенного кислорода и степень насыщения вод кислородом являются одними из важнейших характеристик состояния морской экосистемы. Подобные работы уже давно ведутся повсеместно на шельфах Мирового океана (Smith et.al., 2012; Woodson, 2018), однако для Черного моря фактически не проводились, за исключением нескольких экспериментов, результаты которых отражены исключительно в технических отчетах и не были представлены широкой научной общественности. Проведение подобных работ на черноморском побережье послужит существенным дополнением к созданию актуальных научно-методических основ оценки состояния и мониторинга прибрежных экосистем, имеющих важный биопродуктивный и рекреационный потенциал.
Предполагаемые результаты проекта соответствуют современному мировому уровню исследований в области изучения внутренних волн. Полученные в ходе реализации проекта данные о параметрах внутренних волн могут быть использованы для разработки теоретических и численных моделей циркуляции вод, и динамических процессов в море, при анализе проявлений внутренних волн по данным дистанционного зондирования, а также для возможного прогнозирования внутриволнового поля в море. Результаты проекта будут опубликованы в научных журналах, входящих в базы данных WoS/Scopus и будут представлены на российских и международных конференциях.
1. Smith K.A., Rocheleau G., Merrifield M.A., Jaramillo S., Pawlak G. 2016. Temperature variability caused by internal tides in the coral reef ecosystem of Hanauma bay, Hawai ‘i //Continental Shelf Research. – 2016. – V. 116. – P. 1–12.
2. Woodson C. B. The fate and impact of internal waves in nearshore ecosystems // Annual Review of Marine Science. – 2018. – V. 10. – P. 421–441.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
За отчетный период проведена обработка, анализ и интерпретация имеющихся массивов экспериментального материала по наблюдениям за гидрофизическими параметрами (температура, соленость, плотность, скорость течений) и изменчивостью содержания кислорода в присклоновой части Черного моря. Временные ряды данных о температуре и плотности были подвергнуты частотному спектральному анализу. По данным скорости течений был проведен спектральный анализ компонент скорости течений и ротарный спектральный анализ, или метод вращательных компонент, который характеризует не только структуру колебаний, но и их направленность. Выполнено сравнение изменчивости уровня спектральной энергии на различных глубинах, а также в летний и зимний период. Построены прогрессивные векторные диаграммы течений (годографы) для разных глубин, а также представлена изменчивость зонального (u) и меридионального (v) векторов скорости во времени. Проведен анализ изменчивости вертикальной стратификации растворенного кислорода во время прохождения квази-инерционных внутренних волн. Проведено сравнение квази-инерционных внутренних волн, наблюдаемых на континентальном склоне с их аналогами в прибрежной и центральной частях Черного моря. Выполнен анализ натурных наблюдений короткопериодных внутренних волн в плюме реки Кодор, зарегистрированных как в данных ADCP, так и в записях термисторной цепочки .
За отчетный период получены следующие результаты. Выявлено, что квази-инерционные внутренние волны доминируют в энергетических спектрах скорости течений. Спектральный анализ вращательных компонент скорости течений выявил пик на инерционной частоте (локальный инерционный период составляет 17,15 ч) с вращением по часовой стрелке. Идентифицированные квази-инерционные внутренние волны относятся к первой моде.
Показано, что интенсификация квази-инерционных внутренних волн в летний сезон происходит в верхней 70-метровой толще, а зимой - в слое основного пикноклина. Зарегистрированы вращения годографов течений с инерционной частотой. Летом диаметр окружности, описываемой векторами инерционных течений, лучше всего различался на глубине 30-40 м и находился в пределах 0.5–1.8 км. Зимой наблюдались антициклонические вращения годографов с инерционным периодом на горизонтах глубже 60-70 м с горизонтальным масштабом менее 1 км. С глубиной годографы деформировались, вытягиваясь по широте.
В результате сравнения квази-инерционных внутренних волн, наблюдаемых на континентальном склоне с их аналогами в прибрежной части Черного моря выявлено, что в присклоновой области развиваются более интенсивные внутренние волны. Высоты волн в прибрежной части моря редко достигают более 10 м, в то время как в присклоновой области они составляют 30-50 м.
Выявлено, что в районе континентального склона основная внутрисуточная изменчивость кислорода связана с квази-инерционными внутренними волнами. При прохождении внутренней волны значение содержания растворенного кислорода на одном горизонте изменяется на 10-60 мкМ/кг.
В прибрежной части Черного моря наблюдения с помощью ADCP на разрезах напротив рукавов реки Кодор выявили, что поток речной воды генерирует в приповерхностном слое моря достаточно интенсивные короткопериодные внутренние волны первой моды (высотой до 3–6 м), чье происхождение связано с механизмом возникновения сдвиговой неустойчивости по Кельвину-Гельмгольцу. При помощи численного моделирования показано, что сдвиговое течение, совпадающее по направлению с распространением внутренних волн, значительно влияет на их параметры, существенно увеличивая их фазовые и групповые скорости, а также деформируя собственные функции волны, смещая их максимум к поверхности. При всем этом периоды внутренних волн, зарегистрированных на заякоренных станциях, характеризуются величинами в единицы минут, что существенно меньше периодов черноморских внутренних волн короткопериодного диапазона.
Публикации
1. Серебряный А.Н., Химченко Е.Е., Гончаров В.В., Тарасов Л.Л., Попов О.Е., Белов Д.В., Нешенко И.П. Внутренние волны, генерируемые потоком реки Кодор в Черном море Океанология, Океанология. 2023. Т. 63. № 6. С. 899-915. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0030157423060138