Anticyclonic Eddies in the northeastern Japan/East Sea: simulation, observation and formation mechanisms

المحيط ليس مجرد ورقة مسطحة ومنتظمة من المياه؛ بل هو سائل هائج وطبقي، حيث تتدفق تيارات ضخمة بجانب جيوب مائية دوارة تدور مثل دوامات عملاقة بطيئة الحركة. هذه الجيوب الدوارة، المعروفة باسم الدوامات (eddies)، يمكن أن يصل عرضها إلى مئات الكيلومترات وتستمر لعدة أشهر، حاملة معها الحرارة والملوحة والمغذيات عبر مسافات شاسعة. في بحر اليابان/البحر الشرقي، وهو مسطح مائي شبه مغلق يحده روسيا وكوريا واليابان، ينقسم المحيط إلى عالمين متميزين: منطقة جنوبية دافئة ومالحة، ومنطقة شمالية باردة وعذبة، يفصل بينهما حدود متغير يسمى "الجبهة شبه القطبية". وبينما درس العلماء لفترة طويلة الدوامات في الجنوب الدافئ والشمال الغربي البارد، ظلت منطقة محددة غرب جزيرة هوكايدو اليابانية لغزاً. هذه المنطقة هي ملتقى طرق ديناميكي حيث تصطدم التيارات الدافئة بالجبال البحرية المعقدة والسواحل الحادة، مما يخلق عاصفة مثالية من الاضطراب المحيطي، ومع ذلك لم يتم رسم خرائطها أو فهمها بشكل منهجي من قبل.

لقد نجح فريق من الباحثين من أكاديمية العلوم الروسية الآن في ملء هذه الفجوة، حيث وجهوا اهتمامهم إلى المياه غرب هوكايدو للكشف عن كيفية ولادة هذه الدوامات، وكيف تتحرك، وما الذي يحركها. ومن خلال الجمع بين عمليات المحاكاة الحاسوبية عالية الدقة والقياسات الواقعية لعقود، اكتشفوا أن هذه المنطقة هي مصنع منتظم لكل من الدوامات التي تدور باتجاه عقارب الساعة (الدوامات المضادة للدوران) والدوامات التي تدور عكس عقارب الساعة (الدوامات الدورية). تركز الدراسة بشكل مكثف على دوامة واحدة تدور باتجاه عقارب الساعة تشكلت في صيف عام 2015، وتتبع دورة حياتها الكاملة من ظهورها الأول حتى تلاشيها النهائي. وجد الباحثون أن هذه الدوامة لم تكن حادثاً عشوائياً، بل كانت حدثاً يمكن التنبؤ به، مدفوعاً بعدم استقرار فيزيائي محدد ناتج عن تسارع تيار دافئ والتفافه حول الساحل المتعرج للجزيرة.

لفهم هذه الظاهرة، بنى العلماء "توأماً رقمياً" مفصلاً للمحيط في هذه المنطقة. استخدموا نموذجاً حاسوبياً يسمى (ROMS)، والذي يقسم البحر إلى شبكة من المربعات الصغيرة التي يبلغ عرض كل منها كيلومترين فقط، ويقسمه رأسياً لالتقاط العمق. تم تغذية هذا النموذج ببيانات حقيقية عن الرياح، ودرجة حرارة الهواء، والتيارات المحيطية، ليعمل على محاكاة الأعوام من 2014 إلى 2016. ولضمان أن النموذج الحاسوبي يقول الحقيقة، قام الفريق بمطابقة مخرجاته مع مصدرين آخرين: صور الأقمار الصناعية التي تتبع ارتفاع سطح البحر للكشف عن التيارات، وعقود من قياسات درجة الحرارة والملوحة تحت الماء التي أخذتها السفن. كما نظروا أيضاً في مسارات العوامات الطافية التي أُطلقت في المحيط، والتي عملت كمتتبعات فيزيائية، لتظهر بالضبط أين تتحرك المياه. وعندما تم دمج كل هذه الطرق المختلفة، كانت جميعها تروي القصة نفسها: دوامة ضخمة من المياه الدافئة تتشكل بالفعل وتدور في المنطقة.

بدأت حياة دوامة عام 2015، التي يسميها الباحثون (AE2015)، في أواخر يوليو. بدأت كدوران صغير، يبلغ عرضه حوالي 50 كيلومتراً، جنوب شبه جزيرة شاكوتان. وبينما كان تيار تسوشيما الدافئ يتدفق على طول الساحل الغربي لهوكايدو، انقسم إلى فرعين؛ أحد الفرعين التصق بالساحل، بينما اتجه الآخر نحو الشمال الغربي، وكان عند نقطة التحول هذه قد وُلدت الدوامة. وعلى مدار الأشهر القليلة التالية، نمت الدوامة بشكل كبير. وبحلول سبتمبر، توسعت لتصل إلى حوالي 100 كيلومتر عرضاً عند السطح، وبحلول أكتوبر، وصلت إلى حجم ناضج يبلغ عرضها ما يصل إلى 200 كيلومتر. ومع ذلك، لم يكن هذا النمو موحداً؛ فبينما انتشر الجزء العلوي من الدوامة على نطاق واسع، ظل قلبها ضيقاً نسبياً، حيث امتد لنحو 50 كيلومتراً فقط عند أعماق 200 متر وأكثر. انجرفت الدوامة نحو الشمال الغربي، مندمجة مع دوامات أصغر في طريقها، قبل أن تصطدم أخيراً بدوامة ثابتة راسية في جبل بحري، حيث تلاشت في أواخر أكتوبر.

الاكتشاف الأكثر أهمية في الدراسة يتعلق بالمحرك الذي دفع هذا النمو. غالباً ما يبحث العلماء عن أنواع محددة من عدم الاستقرار لتفسير كيفية تشكل الدوامات. أحد الأنواع الشائعة يتعلق باختلافات الكثافة بين طبقات المياه، بينما يتعلق نوع آخر بسرعة دوران المياه نفسها. ومن خلال تحليل فيزياء المياه، وتحديداً كمية تسمى "الدوامية الكامنة لإرتل" (Ertel's potential vorticity)، حدد الباحثون أن القوة الرئيسية وراء (AE2015) كانت "عدم الاستقرار العطالي" (inertial instability). يحدث هذا عندما يتدفق التيار بسرعة كبيرة ويلتف بحدة شديدة بحيث لا تستطيع المياه الحفاظ على توازنها، مما يؤدي إلى انفصالها والدوران في شكل دوامة. أظهرت المحاكاة أنه بينما كان التيار الدافئ يندفع بجانب جزيرة أوكوشيري وشبه جزيرة شاكوتان، فإن التغير الحاد في الاتجاه خلق الظروف المثالية لهذا النوع من عدم الاستقرار لتحفيز الدوامة. وبينما كان هناك نوع آخر من عدم الاستقرار، يُعرف باسم "عدم الاستقرار المتماثل" (symmetric instability)، إلا أنه لعب دوراً ثانوياً فقط، حيث عمل كـ "معزز" ضخم الدوامة بعد تشكلها بالفعل، بدلاً من كونه الشرارة التي أطلقتها.

كشفت الدراسة أيضاً أن نشاط الدوامات هذا ليس حدثاً لمرة واحدة، بل هو سمة متكررة في المنطقة. ومن خلال تحليل بيانات الأقمار الصناعية الممتدة من عام 1993 إلى عام 2025، رسم الفريق خرائط لـ "النقاط الساخنة" حيث تظهر هذه الدوامات بشكل متكرر. ووجدوا أن الدوامات التي تدور باتجاه عقارب الساعة تتشكل باستمرار في وسط حوض اليابان وعلى طول الحدود الشمالية، بينما تميل الدوامات التي تدور عكس عقارب الساعة إلى التجمع على طول المنحدر القاري والساحل. تعمل الجبال البحرية والشكل المعقد للخط الساحلي كـ "مراسي"، توجه مكان تشكل هذه الدوامات ومدى استمرارها. وأكد الباحثون أن دوامة عام 2015 لم تكن سوى مثال واحد على نمط منتظم، مدعوم ببيانات تاريخية تظهر ظهور دوامات مماثلة في نفس المواقع في أعوام 1974 و1980 و1981 وغيرها من الأعوام.

إن فهم هذه الديناميكيات هو أكثر من مجرد تمرين أكاديمي؛ فلها آثار واقعية على الحياة البحرية في شمال غرب المحيط الهادئ. فمن المعروف أن الدوامات تضخ المغذيات من أعماق المحيط إلى السطح، مما يخلق مناطق تغذية غنية للعوالق والأسماك. ومن خلال رسم خرائط لأماكن تشكل هذه الدوامات وكيفية تحركها، يمكن للعلماء التنبؤ بشكل أفضل بالأماكن التي سيكون فيها المحيط أكثر إنتاجية. تؤكد الدراسة أن المياه غرب هوكايدو هي منطقة حيوة ونشطة حيث يتم إعادة تشكيل طاقة المحيط باستمرار من خلال التفاعل بين التيارات الدافئة واليابسة. لم يجد الباحثون مجرد دوامة واحدة؛ بل كشفوا عن القواعد الأساسية التي تحكم منطقة كاملة من البحر، مظهرين أن ما يبدو كاضطراب فوضوي هو في الواقع عملية منظمة للغاية وقابلة للتكرار، مدفوعة بفيزياء التيار وشكل قاع البحر.