Субмезомасштабные процессы на шельфе, континентальном склоне и в прикромочной ледовой зоне Арктики

судно: НИС «Профессор Молчанов»
отряд: субмезомасштабной гидрофизики
район исследований: Карское море, море Лаптевых
даты: июль-август 2024 г.

Актуальность задачи:
В последние десятилетия в Арктике происходят сильные изменения - уменьшается ледяной покров, меняются характеристики стратификации и циркуляции вод. В этих изменениях немалую роль могут играть гидрофизические процессы с относительно небольшими масштабами по времени и пространству (так называемые субмезомасштабные процессы), но именно из-за малых масштабов их очень сложно изучать как во время экспедиций (требуются специальные методические подходы и не стандартная аппаратура), так и на основе математических моделей (нужно высокое пространственное разрешение и требующее совершенствования математического описания этих процессов).

Что это за процессы? Это внутренние волны, которые образуются под водой в области пикноклина, могут распространяться на сотни километров и иметь высоту до 40-50 метров. Это также малые вихри, которые образуются на границах течений и могут переносить водные массы и морской лед на большие расстояния. Волны и вихри могут оказывать влияние на скопление питательных веществ и планктонных организмов, что привыкает рыб и соответственно важно для практической деятельности человека в море.

На сегодняшний день ученым известно, что субмезомасштабные процессы могут играть важнейшую роль в переносе тепла, питательных веществ и загрязнений в океане. Но в Арктике таких работ до сих пор очень мало, потому что их исследование требует совершенно иной парадигмы выполнения измерений. В нашей работе мы используем совершенно новый подход - на судно оперативно поступают данные со спутников высокого разрешения, мы их оперативно анализируем, находим районы с интересующими нас процессами, идем туда, на месте выполняем разведку дроном, и потом "прицельно" проводим серию измерений с помощью CTD-зондов, нескольких термокос (длинных [50-60 м] измерителей температуры воды, опускаемых с палубы или закрепленных к буям), измерителей течений (ADCP), а также микроструктурного зонда (оценивает уровень турбулентности в морской воде). Только такой подход позволяет получить 3-D информацию о структуре процессов, их скоростях (динамике) и их влиянии на перемешивание водных масс.

Здесь важно отметить, что только наша команда регулярно проводит такого рода наблюдения в Арктике. Поэтому если вам интересно научиться использовать не стандартные методы измерений, понять "чем дышит" Северный Ледовитый океан на малых масштабах, насколько интенсивные процессы происходят в его глубинах и на морской поверхности - вам к нам!

Работа будет вестись по следующим направлениям:
1) Внутренние волны в Карском море: структура, динамика, турбулентность на основе
2) Внутренние волны в море Лаптевых: структура, динамика, турбулентность
3) Внутренние волны в проливе Вилькицкого: механизмы генерации, структура, динамика, турбулентность
4) Вихри в прикромочной ледовой зоне Арктики: структура, динамика, турбулентность, влияние на морской лед
5) Турбулентный режим на границах фронтов и течений в Арктике, включая области континентального склона
6) Динамика субмезомасштабных процессов в Арктике на основе съемки БПЛА
7) Совершенствование методики комплексных наблюдений за субмезомасштабной пространственно-временной изменчивостью характеристик гидрофизических полей

Алексей Зимин. Работы Зимина А.В. посвящены вопросам поиска закономерностей разномасштабной пространственно-временной изменчивости гидрофизических полей в приливных морях. Им были разработаны методики исследования и совокупного анализа субмезомасштабной изменчивости характеристик океанологических полей и процессов на акватории приливного моря на основе целенаправленного сочетания спутниковых и контактных наблюдений. Зимин А.В. является руководителем проектов РФФИ, РНФ. Под его руководством защищено несколько диссертаций на соискание степени кандидата наук.

Игорь Козлов. Работы Козлова И.Е. посвящены созданию методов анализа измерений спутниковых радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА) и внесли значительный вклад в развитие представлений о динамических процессах в арктических и внутренних морях России. Им были разработаны методы оценки характеристик океанских внутренних волн, вихрей, фронтальных зон и параметров ледяного покрова по данным спутниковых РСА-измерений. На их основе впервые были определены «горячие точки» генерации и характеристики внутренних волн и вихрей в Арктике. Козлов И.Е. является руководителем проектов РФФИ, РНФ, инициативных проектов Европейского и Японского космических агентств. Работал приглашенным исследователем в Вудсхольском океанографическом институте (США), Центре им. Нансена (Норвегия). Лауреат конкурса медалей РАН для молодых ученых, премий всероссийских научных конференций.

Опубликованные работы по теме задачи:
В последние годы мы получили много интересных результатов, вот некоторые из них:
1) Kozlov I.E., Kopyshov I.O., Frey D.I., Morozov E.G., Medvedev I.P., Shiryborova A.I., Silvestrova K.P., Gavrikov A.V., Ezhova E.A., Soloviev D.M., et al. (2023). Multi-Sensor Observations Reveal Large-Amplitude Nonlinear Internal Waves in the Kara Gates, Arctic Ocean. Remote Sensing. Vol. 15., P. 5769. - это статья про огромные внутренние волны в проливе Карские Ворота.
2) Kozlov I.E., Atadzhanova O.A., Zimin A.V. (2022). Internal solitary waves in the White Sea: hot-spots, structure, and kinematics from multi-sensor observations. Remote Sensing, Vol. 14, 4948. - статья про внутренние волны в Белом море.
3) Kozlov I.E., Plotnikov E.V., and Manucharyan G.E. (2020). Brief Communication: Mesoscale and submesoscale dynamics in the marginal ice zone from sequential synthetic aperture radar observations, The Cryosphere, 14, 2941–2947 статья про вихри в прикромочной ледовой зоне пролива Фрама.
4) Submesoscale Eddies in the White Sea Based on Satellite Radar Measurements / A. V. Zimin, O. A. Atazhanova, D. A. Romanenkov [et al.] // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. – 2021. – Vol. 57, No. 12. – P. 1705-1711 - статья про малые вихри  в Белом море.
5) Короткопериодные внутренние волны в шельфовых районах с интенсивной приливной динамикой / Е. И. Свергун, А. В. Зимин, Д. А. Романенков, Е. В. Софьина // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. – 2022. – Т. 58, № 6. – С. 690-705.  - статья про причины генерации внутренних волн на разных типах шельфа.
6) Свергун, Е. И. Наблюдения внутренних волн второй моды в Белом и Баренцевом морях / Е. И. Свергун, А. В. Зимин, Г. В. Жегулин // Морской гидрофизический журнал. – 2022. – Т. 38, № 2(224). – С. 185-195. – статья посвященная совершенствованию методов анализа характеристик внутренних волн.

Что предстоит делать: 1) Обучиться и помогать делать измерения термокосами, CTD-зондом, ставить и снимать буйковые станции, а далее выполнять анализ этих измерений для оценки параметров внутренних волн/вихрей/фронтов/границ течений.
2) Обучиться и помогать делать измерения микроструктурным зондом, а далее провести анализ изменений характеристик морской турбулентности под влиянием различных процессов.
3) Обучиться и помогать выполнять съемку с БПЛА (типа Mavic), а далее обрабатывать эти измерения для оценки различных параметров внутренних волн, вихрей, фронтов, границ течений, морского льда.

Методы, приборы, ПО, с которыми предстоит работать:
Студент освоит методы анализа океанологических измерений на основе CTD, отдельных термокос и их полигонов, микроструктурного зонда на основе специального ПО. Кроме того, студент освоит методы обработки и анализа спутниковых данных и БПЛА-съемки. Часть методов обработки реализовано наставниками из нашего отряда в Matlab и Python, другая часть - специальное ПО, поставляемое вместе с приборами. Обработка спутниковых данных проводится в ПО ESA SNAP и Matlab, данных дрона - в Маtlab.
Приборы: CTD-зонд Sea & Sun Technology CTD-48Mc, микроструктурный зонд Sea & Sun Technology MSS-90L, термокосы TPArctic, термоксосы на базе дрейфующих буев «Волна-01», БПЛА Mavic 2 Pro, Mavic Enterprise Dual.

Обязательные требования: Для работы с приборами (CTD, термокосы, микроструктурный зонд) необходимо иметь хотя бы минимальную физическую подготовку, т.к. понадобится опускать/поднимать приборы за борт с рук.
Необходимы базовые знания в области физики океана, желателен опыт анализа океанологических измерений/спутниковых данных в области океанологии, базовые знания в Matlab/Python. Хорошие знания английского языка будут плюсом. Если нужно, всему научим, главное интерес, желание и "горящие глаза".
Специализация, уровень образования: физическая океанография, бакалавры, магистры, аспиранты

Дополнительные документы: не требуются

Финансирование: проезд и проживание покрывается организаторами