Ринги имеют ядро, состоящее из вод, резко отличающихся по температуре, солености и другим характеристикам от окружающих вод. Ядро опоясывает кольцо вод собственно течения Гольфстрим с высокими скоростями (1–2 м/сек, иногда и больше) и горизонтальными градиентами[15] характеристик. Размер рингов 50 —250 км, в толщу вод они проникают на сотни и тысячи метров, нередко до дна. Ядра с аномальными свойствами вод делают ринги хорошо заметными на снимках, полученных с ИСЗ. На рис. 2 показан процесс меандрирования и вихреобразования в районе Гольфстрима, по данным нескольких последовательных космических снимков в инфракрасном диапазоне.
К северу от Гольфстрима образуются только антициклонические вихри с вращением вод по часовой стрелке, а к югу (в Саргассовом море) только циклонические с вращением против часовой стрелки. Циклонические ринги несут в своих ядрах холодные опресненные воды, характерные для районов к северу от Гольфстрима, а антициклонические имеют ядра из теплых, высокосоленых вод Сар-гассова моря. Таким образом, образование и перемещение рингов — один из наиболее эффективных процессов водообмена между водными массами по обе стороны от фронтальной зоны.
Наиболее часто ринги фиксировались к северу от 30° с. ш. и к западу от 60° з. д. В среднем за год образуется 5–8 рингов, они могут существовать до 3 лет. Антициклонические ринги в среднем несколько меньше по размерам (на 20–30 км) и перемещаются на 1–2 км/сут быстрее циклонических. Первые перемещаются параллельно Гольфстриму на запад и через несколько месяцев либо сливаются с ним в районе мыса Гаттерас, либо продолжают движение на юго-запад до Флориды, где находится второй район наиболее частого слияния рингов с основным течением. Вторые двигаются более сложным путем, нередко круто меняя направление и образуя петли, но в общем на запад-юго-запад до того же мыса Гаттерас (их слияние с Гольфстримом возможно на всем участке восточнее мыса). Циклонические ринги, ушедшие от Гольфстрима достаточно далеко, постепенно разрушаются в открытом океане. В целом количество долгоживущих рингов, достигающих Флориды, невелико. Чаще ринги перемещаются так, как показано на рис. 2.
Ринги в процессе формирования получают запас энергии (кинетической, потенциальной, тепловой), которую постепенно расходуют на трение, тепло- и массообмен с окружающими водами. При слиянии с Гольфстримом энергия передается этому течению. Такой энергообмен между рингами и течением очень важен для всей системы Гольфстрима в целом, поскольку ее энергия растет вниз по течению, а ринги — единственный механизм, осуществляющий перенос избытка энергии вверх по течению.
Вихри, подобные рингам Гольфстрима, обнаружены и в других районах Мирового океана, где имеются фронтальные зоны и мощные течения, такие, как Куросио и Восточно-Австралийское в Тихом океане, Бразильское в Атлантике, Агульясово в Индийском океане, Антарктическое циркумполярное. Ринги возникают в тех местах перечисленных течений, где они имеют вид узкой струи с большими скоростями (около 1 м/сек). На участках расширения струй и уменьшения скоростей также образуются вихри, у которых, однако, нет ярко выраженных ядер и колец с повышенной скоростью. Такие вихри менее интенсивны, но часто имеют большие размеры, чем ринги, поэтому общий запас энергии в них примерно одинаков. Все эти вихри можно объединить в один тип фронтальных синоптических образований, наиболее распространенных в Мировом океане.
Возможность существования вихревых образований в открытом океане, вдали от берегов и сильных течений, была обнаружена в конце 50-х годов, когда стали использоваться поплавки обтекаемой формы, перемещающиеся вместе с течением на заданной глубине. Эти поплавки через определенные промежутки времени передавали акустические сигналы. С помощью таких поплавков удалось установить, что в юго-западной части Саргассова моря скорость и направление течений даже на больших глубинах сильно меняется за сравнительно короткий срок (1–2 недели). Общая картина дрейфа поплавков позволила предположить существование в толще вод вихря с диаметром около 200 км, перемещающегося на запад со скоростью 2 км/сут. В отличие от рингов Гольфстрима этот вихрь целиком состоял из вод Саргассова моря.
Вот тогда-то и начались поиски вихрей в открытом океане. Комплексные наблюдения советских океанологов сначала в Аравийском море (1967 г.), а затем в Тропической Атлантике (1970 г.), в районах со слабыми (как предполагалось ранее) течениями, позволили обнаружить мощные вихри размером 100–200 км. Так, в 1970 г. на полигоне площадью 120x120 морских миль вели наблюдения шесть советских научно-исследовательских судов, было зарегистрировано 5 синоптических вихрей (2 антициклонического и 3 циклонического, характера), которые перемещались на запад со скоростью 5 км/сут. Расположение вихрей напоминало шахматную доску, где черные и белые клетки соответствовали вихрям разного типа вращения. Это позволило выдвинуть гипотезу, что по своей динамике обнаруженные вихри близки к так называемым «планетарным волнам Россби», связанным с вращением Земли вокруг своей оси и ее сферичностью. Этот эксперимент, получивший название «Полигон-70», показал, что энергия вихрей в открытых частях Мирового океана значительно (на 1–2 порядка) превышает энергию средней (климатической) циркуляции.
Спустя два года к юго-западу от Бермудских островов американские ученые, опираясь на опыт и результаты советских исследований, начали специальные наблюдения за вихрями. Этот эксперимент получил название МОДЕ. В отдельных точках исследуемого района диаметром около 300 миль наблюдения продолжались с небольшими перерывами около двух лет. В океане были обнаружены синоптические вихри, очень похожие на описанные выше, лишь скорость их перемещения оказалась несколько меньше (2–3 км/сут). Энергия вихрей распределялась очень неравномерно. Так, над неровным дном она уменьшалась. «Поведение» вихрей оказалось довольно странным. Динамика группы вихрей в целом оказалась близкой к поведению волн Россби, а вот каждый вихрь в отдельности в некоторые моменты заметно отклонялся от волнового движения.
Как это часто бывает в научной работе, исследования, ответив на некоторые вопросы, задали океанологам огромное количество загадок. Первым шагом к их решению стала организация международной экспедиции, получившей название ПОЛИМОДЕ. Основной вклад в ее проведение внесли советские и американские океанологи. В ПОЛИМОДЕ принимали участие также ученые Великобритании, Франции, Канады и ФРГ, Наиболее интенсивные наблюдения велись с июля 1977 по август 1978 г., когда в Саргассовом море и у берегов Западной Европы постоянно работало около десятка научно-исследовательских судов.
Результаты экспедиции обработаны и проанализированы пока еще не полностью, но уже сейчас ясно, что в открытой части Северной Атлантики вихри широко распространены и оказывают существенное влияние на крупномасштабную динамику вод этого региона Мирового океана. В отличие от рингов Гольфстрима вихри открытого океана имеют более устойчивое направление движения (в основном на запад), скорости вращения вод в вихрях 20–60 см/сек (то есть в 2–3 раза меньше, чем в рингах). На разных глубинах вращательное движение может значительно меняться (вплоть до смены направления). Ринги же в этом отношении более однородное образование.
Установлено, что плотная («шахматная») структура вихрей наблюдается далеко не всегда. Нередко на значительном по площади участке океана вихри отсутствуют вообще или существует один-единственный вихрь. Обнаружено взаимодействие между вихрями (в основном энергообмен). Один вихрь может быстро усиливаться за счет ослабления соседнего. На стыке соседних вихрей разного направления вращения возникают узкие струйные течения с большими скоростями, которые перемещаются вместе с вихрями и существуют не более 1–2 недель. Легко представить, насколько сложным, запутанным может оказаться перемещение какого-либо плавучего предмета, опущенного на воду с судна.
Открытие и изучение рингов и вихрей в Северной Атлантике стимулировало проведение подобных исследований, пока, правда, в значительно меньших масштабах, и в других районах Мирового океана.
Систематизация и анализ этой обширной информации показали, что существуют еще несколько типов вихрей. Наиболее распространены топогенные вихри над подводными хребтами и горами, а также над неровностями материкового шельфа и склона. Они обнаружены практически во всех районах с подводными горами в северных частях Атлантического и Тихого океанов, на юге Атлантики и в Тасмановом море. Топогенные вихри имеют сравнительно небольшие размеры (в среднем 20–50, иногда до 100 км). По мере удаления от подводной возвышенности к поверхности океана вихревое движение ослабевает, поэтому на поверхности заметны вихри, расположенные над наиболее высокими горами (то есть над мелкими банками).
Топогенные вихри обнаруживают по аномалиям гидрологических (температура, соленость вод), гидрохимических (растворенный в них кислород и др.) и гидробиологических (наличие планктона и др.) параметров. Единой теории, объясняющей возникновение этих вихрей, пока нет, однако установлено, что они связаны с характером набегающего на подводную гору течения.
В прибрежных районах обнаружены вихри небольших размеров (5 —30 км), быстро (со скоростью 20–30 км/сут) перемещающиеся в направлении вдоль берегового течения. Наиболее подробные наблюдения таких вихрей проведены в Черном, Азовском и Балтийском морях. Вихри в прибрежной зоне образуются из-за трения берегового течения о берег и дно.