Как ветер влияет на распространение речной воды в море

Скорость и направление ветра влияют на положение, форму и размер речного плюма — тонкого опресненного слоя воды, формирующегося в месте впадения реки в море. Ученые из Института океанологии им. П. П. Ширшова впервые напрямую измерили эту зависимость и узнали, что при изменении направления ветра плюм может полностью перестроиться за 10–20 минут. Речные стоки выносят огромное количество загрязнений — нефтепродуктов, пестицидов, тяжелых металлов и пластикового мусора, распространение которых в море определяется динамикой речных плюмов. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).

В месте, где в море впадает река, образуется речной плюм — большой по площади, но тонкий поверхностный слой, обособленный от нижележащих морских вод. Речная вода не сразу перемешивается с морской из-за разницы солености и плотности, поэтому она фактически растекается поверх моря. Несмотря на то что объем всех речных вод, впадающих в Мировой океан, невелик по сравнению с объемом прибрежных морских вод (около 0,05%), речные плюмы занимают до 20% всей площади шельфа Мирового океана. Реки переносят в океан большое количество минеральной взвеси (мельчайших твердых частиц), биогенных веществ и антропогенных загрязнений с континента, влияют на океанические течения и температуру воды. Поэтому можно сказать, что плюмы играют роль связующего звена между материковыми и океаническими природными системами.

Пока сохраняется приток речных вод, плюм существует постоянно, однако на его положение, форму и размер влияют направление и скорость ветра — воздушный поток практически «сдувает» верхний, менее плотный слой воды в одну или другую сторону. В течение последних десятилетий ученые активно исследовали отклик речных плюмов на ветровое воздействие, однако практически все работы были основаны на численном моделировании. Провести непосредственные измерения того, как именно это происходит в природе, очень сложно, и до недавнего времени таких измерений никто не делал, поэтому многие ключевые аспекты этого процесса оставались неизвестными. Первыми влияние ветра на динамику речного плюма на основе прямых измерений исследовали сотрудники Института океанологии им. П. П. Ширшова (Москва) и Центра морских исследований МГУ (Москва).

С помощью квадрокоптеров ученые провели практически непрерывную аэрофотосъемку плюма реки Бзыбь, расположенной на территории Абхазии и впадающей в Черное море. Наблюдения велись в течение трех дней в светлое время суток и сопровождались измерением скорости и направления ветра раз в минуту. Вместе с тем исследователи отслеживали температуру и соленость воды на разной глубине и скорость течения в плюме. На основе этих данных ученые оценили, с какой скоростью плюм откликается на изменение ветрового воздействия и как именно это происходит. В частности, удалось восстановить скорость движения внешней границы плюма с беспрецедентно высоким пространственным разрешением (порядка 10 м) и с точностью до минуты. Оказалось, что внешняя граница плюма движется примерно в 20 раз медленнее, чем дует ветер, а реагирует на его изменение довольно быстро, в течение 10–20 минут. Если ветер умеренный (менее 5 м/с), при развороте его направления плюм полностью перестраивается в течение нескольких часов — вплоть до смены вдоль берегового направления распространения на 180 градусов. Однако оно меняется только в приустьевой части, то есть где река непосредственно впадает в море, а внешняя часть плюма отрывается и перемешивается с морскими водами.

«Наши измерения принципиально важны для понимания и моделирования того, как речные воды распространяются в море и перемешиваются с ним и как этот процесс меняется со временем. Для рек Черноморского побережья и других густонаселенных районов это в первую очередь связано с антропогенными загрязнениями в прибрежной зоне моря: с речным стоком выносится огромное количество нефтепродуктов, пестицидов, тяжелых металлов, пластикового мусора. Кроме того, материковые стоки влияют на гидрофизическую структуру и динамические процессы в прибрежных водах, поэтому полученная информация ценна для океанологических, климатических и экологических исследований»,— рассказал руководитель проекта по гранту РНФ Александр Осадчиев, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института океанологии им. П. П. Ширшова.

Важность проведенных исследований также заключается в том, что объектом наблюдения стал малый речной плюм, то есть образованный небольшой по размеру рекой. Несмотря на то что на долю малых рек приходится около четверти стока пресной воды и практически половина стока взвешенных веществ в Мировой океан, до сих пор их изучают гораздо реже, чем плюмы больших рек.

Использованы материалы статьи Response of a Small River Plume on Wind Forcing; Alexander Osadchiev, Roman Sedakov, Alexandra Barymova; журнал Frontiers in Marine Science, январь 2022 г.