ساعدت بعثة الجامعة العائمة في دراسة عمليات الخلط في مضيق القطب الشمالي

تخلق الحرارة الشمسية والذوبان العذب ومياه الأنهار وتأثير التيارات الأطلسية الدافئة حدودًا حادة في القطب الشمالي بين الطبقة العليا العذبة والخفيفة والمياه العميقة المالحة والأكثر كثافة. يمكن أن تتأرجح هذه الحدود، المعروفة باسم البيكنوكلين، مما يولد موجات يكاد يكون من المستحيل رؤيتها من السطح. يختبئون في عمود الماء، لكن اتساعهم يصل في بعض الأحيان إلى عشرات الأمتار ويصل طولهم إلى كيلومترات. تسمى هذه الموجات بالموجات الداخلية، وهي تلعب دورًا كبيرًا في حياة المحيط. تمزج الموجات الداخلية الطبقات، وتسحب العناصر الغذائية من العمق إلى السطح، وتؤثر على توزيع العوالق والأسماك، وتخلق تيارات قوية تحت الماء تشكل خطورة على الغواصات وهياكل أعماق البحار. وعندما تنهار، فإنها تطلق طاقة تدعم الخلط المضطرب، وهي إحدى العمليات الرئيسية التي تحدد البنية الرأسية للمحيطات. في القطب الشمالي، حيث النظم البيئية هشة وحيث النشاط البشري – الشحن على طول طريق بحر الشمال، وإنتاج الهيدروكربون، والاتصالات تحت الماء – يتزايد كل عام، أصبح فهم هذه العمليات الخفية ليس مجرد فضول أكاديمي، بل حاجة ملحة. مخطط تكوين الموجات الداخلية في المحيط الطبقي / © ANU فيزياء مضيق بوابة كارا هو المكان الذي يتبادل فيه بحرا القطب الشمالي، بارنتس وكارا، المياه. تقع بين الطرف الجنوبي لأرخبيل نوفايا زيمليا وجزيرة فايجاش، ويبلغ عرضها حوالي 50 كيلومترًا فقط ولها تضاريس قاعية معقدة ووعرة بأعماق تتراوح بين عدة عشرات إلى 200 متر. تكتسب تيارات المد والجزر هنا قوة كبيرة، حيث تضغط عبر الحلق الضيق للمضيق، تمامًا كما تشتد الرياح في مضيق جبلي. في الصيف، عندما تقوم الشمس بتدفئة الطبقة العليا، ويؤدي ذوبان الجليد وجريان النهر الكثيف إلى تحلية المياه السطحية، يصبح التقسيم الطبقي في المضيق حادًا بشكل خاص. وهذا المزيج – تدفق المد والجزر القوي، والتقسيم الطبقي الحاد للمياه الصيفية، والتضاريس الوعرة مع المنحدرات والضفاف تحت الماء – هو الذي يخلق مختبرًا طبيعيًا مثاليًا لدراسة كيفية توليد الموجات الداخلية غير الخطية. الأداة الرئيسية لوصف هذه العملية هي رقم Froude – وهو كمية بلا أبعاد توضح نسبة سرعة تيار المد والجزر إلى سرعة الطور للموجات الداخلية الطويلة من الوضع الأول. وعندما يكون رقم فرود صغيرا، يكون التيار أضعف من الأمواج، وتنتشر الاضطرابات بهدوء من مكان أصلها إلى أعلى وإلى أسفل. هذا نظام دون الحرج – الحالة اليومية المعتادة للمضيق. ولكن عندما تقترب سرعة التدفق من سرعة الأمواج – يميل رقم فرويد إلى الوحدة – يحدث شيء مختلف تمامًا: نظام فوق نقدي. لم يعد من الممكن الهروب من الاضطرابات من المصدر، وتتراكم الطاقة وتتركز، وبعد أن يضعف تأثير المد والجزر، يتم إطلاق هذه الطاقة المتراكمة على شكل حزم موجية قوية غير خطية – سوليتونات، تنتشر من مكان التوليد بسرعة عالية بما يكفي للعالم تحت الماء. التقسيم الطبقي للمحيطات وانتشار الموجات الداخلية بين طبقات ذات كثافات مختلفة / © Geography Realm تناول مؤلفو العمل المشكلة من جانبين. أولاً، استخدموا نموذج المد والجزر Arc2kmTM، والذي، مع دقة مكانية تبلغ حوالي 2 كم، يستنسخ نمط سرعات المد والجزر في جميع أنحاء القطب الشمالي. أتاحت سرعات التيار النموذجية وسرعات الطور المحسوبة إنشاء خريطة لرقم فرود في جميع أنحاء المضيق ومراقبة كيفية تغير هذه الخريطة ساعة بساعة أثناء دورة المد والجزر. ثانيًا، كان لدى الباحثين مواد لا تقدر بثمن – بيانات من القياسات الميدانية المباشرة التي تم جمعها خلال انجراف السفينة “Dalnie Zelentsy” لمدة ثماني ساعات مباشرة في منطقة توليد الموجات الداخلية. أدى هذا الانجراف إلى تحويل السفينة إلى عوامة قياس عملاقة تتحرك مع الماء وتسجل باستمرار جميع التغيرات في المحيط. وأظهرت النمذجة، وأكدت بيانات الرصد، أن المضيق يعمل كمولد للموجات تحت الماء، ويطلق أجزاء جديدة من الموجات المنعزلة كل ست ساعات أو نحو ذلك. تم نشر العمل في المجلة الروسية لعلوم الأرض. قال إيليا كوبيشوف، أستاذ MIPT: “لقد لاحظنا صورة كلاسيكية للجيل النقدي، والتي تم وصفها سابقًا بشكل أساسي في الأعمال النظرية والتجارب المعملية”. “عندما تسارع تيار المد والجزر في المضيق إلى سرعة الأمواج الداخلية، توقفت الطاقة عن التبدد وبدأت في التركيز في المصدر. وبمجرد أن عاد النظام إلى ما دون الحرج، انطلقت كل هذه الطاقة المخزنة حرفيًا على شكل سلسلة من السوليتونات بسعة تصل إلى 20 مترًا. إن رؤية هذا في المحيط الحقيقي، وحتى في القطب الشمالي، خلال رحلة استكشافية للطلاب يعد نجاحًا كبيرًا وحافزًا كبيرًا لمزيد من العمل. ” تم إجراء مثل هذه الدراسة الكاملة للجيل العابر للحرج للموجات الداخلية في مضيق القطب الشمالي لأول مرة في الممارسة العالمية. وتبين أن بوابة كارا كانت بمثابة أرض اختبار طبيعية مثالية لاختبار النظرية: فالمضيق ضيق بما يكفي لتكون تيارات المد والجزر قوية، ومطبقيًا بدرجة كافية في الصيف بحيث تظل سرعة طور الموجات الداخلية منخفضة. تشكل الموجات الداخلية غير الخطية التي يبلغ اتساعها عشرات الأمتار عامل خطر خطير لخطوط الأنابيب تحت الماء وكابلات الاتصالات والبنية التحتية للنفط والغاز، ويتزايد الاهتمام بوضعها في القطب الشمالي بشكل مطرد. إن معرفة مكان وزمان توليد هذه الموجات بالضبط يسمح بأخذها في الاعتبار مسبقًا عند تصميم الهياكل تحت الماء والتخطيط للعمليات البحرية. ولا يقل العنصر البيئي أهمية: فالاختلاط الرأسي المكثف الناتج عن تدمير وتبديد الموجات الداخلية يجلب المياه العميقة الغنية بالمواد المغذية – النترات والفوسفات والسيليكات – إلى السطح، مما يحافظ على إنتاجية النظم البيئية في القطب الشمالي. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت تجربة الجامعة العائمة – 2023 بشكل مقنع أن قياسات الانجراف مباشرة في منطقة التوليد هي طريقة فعالة للغاية، وستكون البعثات المستقبلية قادرة على تطبيقها في مضايق القطب الشمالي الأخرى: في ماتوشكين شار، في مضيق بيرينغ، مضيق فرانز جوزيف لاند، في الضيق بين جزر سيفيرنايا زيمليا. يعد برنامج الجامعة العائمة تنسيقًا فريدًا يجمع بين تعليم الطلاب الجامعيين وطلاب الدراسات العليا والعمل العلمي بدوام كامل في أعالي البحار: يشارك الباحثون الشباب في جمع البيانات ومعالجتها جنبًا إلى جنب مع زملائهم ذوي الخبرة، ويكتسبون خبرة استكشافية لا تقدر بثمن ولا يمكن إعادة إنتاجها في الفصل الدراسي. في مثل هذه الرحلات تولد اكتشافات مثل تلك الموصوفة – عندما يتم الجمع بين المنظور الجديد لعالم شاب مع الوصول إلى البيانات الأوقيانوغرافية الحقيقية والتوجيه من كبار الخبراء.