Ледяные круги на Байкале: одна из гипотез — образуются под действием долгоживущих подводных вихрей и осенних ветров
На льду озёр Байкал и Хубсугул (на севере Монголии) периодически возникают крупные кольцеобразные структуры диаметром несколько километров, указывающие на неоднородность ледяного покрова. Из-за размера их можно проследить только при помощи аэро- или спутниковой съёмки, однако они встречаются достаточно часто и привлекают внимание уже двадцать лет. Происхождение их до сих пор остаётся неясным. Учёные предложили одно из возможных объяснений их образования, связав их с периодически возникающими водяными вихрями подо льдом.
Около двадцати лет назад внимание исследователей Байкала привлекли крупные кольцевые структуры, обнаруживаемые на спутниковых фотографиях ледяного покрова. Они образовывались в разных местах озера в зимние и весенние месяцы. Круги с диаметром от 2 до 8 км (в среднем 5—7 км) обычно выглядят как более светлый центр (толстый лёд) и тёмный ободок окружности (тонкий лёд) и существуют от нескольких дней до нескольких месяцев. Однако встречались и другие формы; возможно, правильная кольцевая форма структур иногда была хуже различима из-за снегового покрова. Образование таких кругов ретроспективно установили также по архивным спутниковым снимкам CORONA за 1969 г. и далее по снимкам LANDSAT середины 1970-х годов. Всего найдено 45 таких колец. Первоначально предполагалось, что они вызваны выходом метана на поверхность в этих местах, однако впоследствии стало ясно, что корреляции этих кругов с источниками метана в озере нет. Позже они были обнаружены в южном «двойнике» Байкала — озере Хубсугул в Монголии, а также на озере Телецкое на Алтае. Из этого пока что можно было заключить, что они формируются в озёрах значительной глубины, промерзающих в зимние месяцы. Возможно, значение играет и сильно вытянутый в длину профиль всех трёх этих озёр. Эти структуры представляют не только научный интерес (см. правую фотографию на открывающей картинке). Кроме того, они стали информационным поводом для изданий, описывающих различные сенсации («места посадки НЛО», «места Силы» и пр.).
Группа исследователей из нескольких институтов России и Франции по результатам двухлетнего подробного изучения нескольких таких структур предложила возможное объяснение их формирования. Результаты полевых работ 2016—2017 гг. опубликованы в конце 2019 года в журнале Limnology and Oceanography.
Положение ледяных структур несколько лет назад увязали с особыми линзовидными водяными вихрями (с двояковыпуклой поверхностью), которые образовывались под ледяным покровом. Удалось показать, что положение вихрей соответствовало ледяным кругам, а вихри существовали до и во время их формирования. Кроме того, по спутниковым снимкам LANDSAT в инфракрасном диапазоне установили, что температура воды в вихре на несколько градусов выше, чем в окружающих водах. Однако впоследствии обнаруживали и другие вихри с подобными свойствами, которые не всегда сопровождались образованием ледяного круга.
Зимние и весенние экспедиции на озеро Байкал предполагали установку сети измерительных станций в месте образования ледяного кольца, включая лунки с пропущенными в них 100-метровыми тросами, на которых на разных глубинах устанавливались датчики температуры и потока. Также использовались данные по солёности воды, плотности и толщинам ледяного покрова. Это позволило подробно исследовать динамику вихрей и создать приблизительную трёхмерную карту течения и температуры воды для этих образований. Так, область, затронутая вихрем, обычно простиралась на 10-12 километров, то есть ощутимо шире, чем наблюдаемые ледяные кольца, а его центральная часть (где температура не испытывала аномалий) обычно находилась на глубине около 45 метров. Выше практически до поверхности и ниже до глубин около 200 метров изотермы имеют линзовидную форму: вихрь распространяет толщи воды с умеренной температурой, поднимая их с глубины 45 м к поверхности в районе эпицентра в виде «купола» относительно тёплой воды (1,2 °C по сравнению с 0,2 °C на поверхности) и так же опуская их на глубину до 200 м. Течение в вихре направлено против часовой стрелки (антициклонное течение), а полный оборот водной массы происходит за три дня. Кроме того, один из исследованных вихрей за время наблюдения менял своё положение, сдвинувшись на несколько километров.
Данные наблюдений позволили более уверенно связать образование ледяных кругов с такими вихрями, включая оценки размеров и времени развития кольцевых прота́лин на поверхности льда исходя из свойств вихря, однако природа самих вихрей пока что остаётся неясной. Допускают, что они не образовываются под поверхностью льда, но формируются осенью, в частности, в результате ветрового нагона и перемешивания холодных и тёплых слоёв, причём роль здесь играет и извилистая форма береговой линии (переток и течения сложной формы из многочисленных байкальских бухт, таких, как Баргузинский залив).
Нужно отметить, что эта описанная исследователями модель — только одна из теорий образования «странных колец», увязывающая их с приповерхностными течениями. В настоящее время разные исследовательские группы в России разрабатывают как минимум четыре теории их образования. Так, ближайшая конкурирующая гипотеза сотрудников Лимнологического института СО РАН в Иркутске рассматривает как основную причину не поверхностные, а глубинные течения, затрагивающие всю толщу воды.
Подобные вихри находят и в открытых морях. Однако обычно обнаруживают их случайно, а из-за быстрой миграции их сложно отслеживать. Такие структуры в обширных закрытых водоёмах без миграции льда, как озеро Байкал, стационарны, или перемещаются на небольшие расстояния, кроме того, заранее известны места их предпочтительного возникновения. Поэтому на Байкале в распоряжении учёных — идеальные условия для их продолжительного наблюдения с установкой сети измерительных точек. Отсутствие многочисленных, влияющих в открытом море факторов, например, сильных течений, также упрощает разработку реалистических математических моделей таких структур.