Вихревые движения в океане включают круговороты общей циркуляции океана, вихри синоптических масштабов (ринги и вихри открытого океана) и мелкомасштабные вихревые и циркуляционные движения (водовороты, циркуляции Ленгмюра, конвективные ячейки и т.п.).

Так, ринги образуются путем отделяться от основного течения разросшихся меандров (изгибов) течений. Хорошо известно, что крупномасштабные океанские течения, как Гольфстрим и Куросио, меандрируют, образуя изгибы размером 200-300 км. Разросшиеся меандры способны отделяться от основного течения, образуя замкнутые течения – ринги. Например, к югу от Гольфстрима они имеют циклоническое (вращение против часовой стрелки) и содержат себе холодную воду (относительно более теплых вод Саргассова моря), а к северу от Гольфстрима – антициклонические (вращение по часовой стрелке) и содержат теплую воду (рис. 1). Движение в рингах складывается из собственного вращения и перемещения самого ринга как целого. Молодые холодные ринги имеют диаметры около 200 км, перепады температуры на поверхности 2-3°С, скорости вращения в них до 2 м/с, скорость перемещения 2-3 см/с, время жизни 2-3 года. Теплые ринги Гольфстрима имеют значительно меньшие горизонтальные размеры и время жизни – в среднем около полугода, но большие перепады температуры на поверхности и скорости перемещения (до 5 см/с). Количество холодных рингом большеколичества теплых рингов (обычно 10-15 против 5-6).

Аналогично рингам Гольфстрима выглядят и ринги Куросио с тем различием, что к северу они не являются одиночными вихрями, а образуют сложное вихревое поле из ветвей и меандров Куросио, Курильского и Северо-Тихоокеанского течений.

Синоптические вихри открытого океана, представляют собой вихревые течения с типичными горизонтальными размерами порядка 100 км, скоростями вращения 20-80 см/с и скоростями перемещения 1-10 см/с. По механизмам образования синоптические вихри в океане можно подразделить на четыре категории: (1) фронтальные вихри, или ринги (англ. – ring – кольцо), образующиеся путем отсечения меандров от крупномасштабных струйных течений; (2) свободные, или вихри открытого океана, порождаемые бароклиной неустойчивостью течений; (3) топографические, или вихри, образующиеся при обтекании рельефа дна; (4) вихри, индуцированные атмосферными воздействиями. По знаку вращения в них вихри делятся на циклонические и антициклонические. Далее их можно разделить на вихри, перемещающиеся вместе с содержащейся в них морской водой, и волны.

Наблюдения последних лет показали, что в океане существуют вихри с масштабами меньше синоптических, т.е. имеющие диаметр в десятки километров и менее. Такие вихри за их характерный спиралеобразный вид называют вихрями закручивания, или спиральными вихрями. На перифериях таких вихрей развиваются вихри еще меньших размеров, даже их иерархия. Спиральные вихри способны образовывать цепочки вихрей.

Мелкомасштабные вихревые течения называют водоворотами; они имеют горизонтальные масштабы от метров до километров и образуются при обтекании неровностей дна или берегов, при водообмене в проливах, схождении/расхождении течений или слиянии рек.

На границах вихрей и вихревых структур, а также в областях сдвига скорости течения на границах течений часто можно видеть образование темных полос или пятен, обычно расположенных вдоль конвергентных зон. Для их интерпретации обычно привлекают два объяснения: первое, что обычно довольно часто наблюдается в океане, это – скопление пленок ПАВ в конвергентных зонах, связанных с этими структурами. Второй эффект – гидродинамическая модуляция ряби градиентами течений, которая при определенных соотношения скорости течения и скорости ветра может привести к образованию сликовых областей. Основная отличительная особенность – расположение сликов рядом с сигнатурами океанских фронтов, вихрей или сдвигов скорости течения: они «вовлечены в явление», а не игнорирую его».

Типы вихрей и вихревых движений в океане (Ц - циклонические; A - антициклонические; наиболее предпочтительное вращение подчеркнуто) [Гинзбург, 1992; Ivanov and Ginzburg, 2002]

Ринги, синоптические и спиральные вихри в поле температуры поверхности океана (ТПО) хорошо видны на снимках из космоса, полученных в инфракрасном диапазоне спектра (рис. 1-2). Вихри могут быть также обнаружены на поверхности океана по температурным фронтам на их периферии: в интенсивных вихрях перепад температур может составлять 0,5-3°С. В рамках мультидатчикового подхода вихри и вихревые структуры могут быть выявлены по пониженной/повышенной температуре морской поверхности, а иногда и по содержанию хлорофилла – комбинации спутниковых изображений, полученных в видимом (сканеры цвета/спектрорадиометры SeaWiFS, MERIS, MODIS) и ИК диапазонах (ИК-радиометры: AVHRR) (рис. 1а,б - 2а,б).

На радиолокационных изображениях (РЛИ) вихри и вихревые структуры отображаются (рис. 3-15) по двум причинам:

1). За счет скопления в конвергентных зонах (линии схождения поверхностных течений) вихрей пленок поверхностно-активных веществ (ПАВ), чаще всего биогенных, подавляющих гравитационно-капиллярного волнение (ГКВ), что и визуализируют спиральную структуру вихря (темные спиральные полосы на РЛИ) при ветрах не более 5 м/с;

2). За счет амплитудной модуляции ГКВ (изменения их характеристик) в зонах сдвига скорости вихревых течений, что также визуализирует спиральную структуру вихря (светлые спиральные полосы на РЛИ), но уже при ветре 5-8 м/с.

Рис. 1а. Теплые ринги Гольфстрима в поле температуры по данным спутника NOAA(11.06.1997, 22:31 UTC). © NOAA

 

Рис. 1б. Молодой теплый ринг и меандр Гольфстрима в поле температуры по данным спутника NOAA(6.10.1997, 19:17 UTC). © NOAA

Рис. 2а. Антициклонические вихри на границе Основного Черноморского течения в западной части Черного моря на изображении спектрорадиометра MERIS(3.06.2007, 08:19 UTC). © ESA

 

Рис. 2б. Эти же вихри в поле температуры, хлорофилла и исходящего излучения (на длине волны 551 нм) по данным спектрорадиометра MODISна ИСЗ Aqua(2.06.2007, 10:55 UTC). © NASA, МГИ НАНУ

Рис. 3. Вихревые дорожки за о-вами Ратманова в Беринговом проливе на радиолокационном изображении спутника ERS-1. © ESA

Рис. 4. Классический вихрь в заливе в районе Багамских остров на радиолокационном изображении КА «Алмаз-1» (7.10.1992, 17:21 UTC). © НПО машиностроения

Рис. 5. Вихри в Японском море в месте схождения двух течений на радиолокационном изображении спутника ERS-1. © ESA

Рис. 6. Вихри в восточной части Норвежского моря на границе Северо-Атлантического течения на радиолокационном изображении спутника ERS-1 (19.07.1997). © ESA

Рис. 7. Субмезомасштабные вихри в восточной части Норвежского моря на границе Северо-Атлантического течения на радиолокационном изображении спутника ERS-1 (22.07.1997). © ESA

 

Рис. 8. Микромасштабные вихри в Японском море на радиолокационном изображении спутника ERS-1. © ESA

Рис.9. Микромасштабные вихри в Японском море на радиолокационном изображении спутника ERS-1. © ESA

Рис. 10. Микромасштабные вихревые структуры в Тихом океане (к юго-востоку от Южных Курильских о-вов) на радиолокационном изображении спутника ERS-1 (22.09.1995, 01:03 UTC). © ESA

Рис. 11. Теплый ринг в заливе Техуантепек Тихого океана (к западу от побережья Мексики) на радиолокационном изображении спутника ERS-2 (14.03.1996, 04:52 UTC). © ESA

Рис. 12. Граница теплого ринга Гольфстрима на радиолокационном изображении КА «Алмаз-1» (7.09.1991, 22:31 UTC). © НПО машиностроения

Рис. 13. Вихри и вихревые структуры на границе течения Куросио у восточного побережья о. Тайвань на радиолокационном изображении спутника ERS-2 (5.10.1998, 02:26 UTC). © ESA

Рис. 14. Вихри и вихревые структуры на границе течения Куросио у восточного побережья о. Тайвань на радиолокационном изображении спутника ERS-2 (29.03.1999, 02:26 UTC). © ESA

Рис. 15. Вихри и грибовидные структуры в северной части Каспийского моря на радиолокационном изображении спутника ERS-1 (12.10.1993, 18:54 UTC). © ESA