Вертикальное распределение температуры и солености воды в океане
Итак, океан поглощает большую часть солнечной радиации, которая проходит через его поверхность, причем это поглощение носит объемный, а не поверхностный характер. Океан как бы запасает тепло и нагревается. Но тепло, поглощенное водной массой в какой-либо точке (на глубине), не остается в этой точке постоянно. В океане существует целый ряд процессов, которые обусловливают перенос тепла от точки к точке, формируя как вертикальное распределение температуры в океане, так и горизонтальную структуру поля температуры.
Познакомимся с тем, как выглядит вертикальное распределение, или. как принято чаще говорить, вертикальный профиль температуры в океане. Сначала вспомним о возможном характере движения воздушных и водных масс — ламинарном и турбулентном. Этим вопросом занимался известный гидродинамик Рейнольде. Им был введен критерий, носящий его имя и имеющий вид
Re = UL/u,
Гл. 8. Термодинамика океана 159
где U, L, v — масштабы скорости, длины, и коэффициент кинематической вязкости соответственно. По результатам своих опытов Рейнольде определил, что в трубах переход от ламинарного характера движения к турбулентному происходит при Re S2000.
Сначала считалось, что это значение числа Рейнольдса, получившее название критического, универсально и справедливо для всех потоков (в трубах, каналах, руслах рек, морских течениях), т. е. что в потоке любой конфигурации и масштаба переход от ламинарного к турбулентному характеру движения будет происходить при Re = 2 000. Дальнейшие исследования показали, что это не так, и можно с помощью некоторых технических ухищрений «затянуть» ламинарный режим до Re = 40 000, но можно получить турбулентное течение и при Re = 100. Однако величина числа Re = 2 000, декларированная Рейнольдсом, и до сих пор служит некоторым ориентиром.
Если применить этот критерий к океану и взять наиболее характерные значения величин, входящих в число Re, а именно U = 1 м/с, L — 6 км и молекулярную кинематическую вязкость воды, равную v — 0,01 • 10~4 м2/с, то Re = 6 • 109. Согласно такому значению числа Re океан должен быть сильно турбулизиро-ван, т. е. сильно перемешанным. При таких значениях числа Re все физические характеристики океана должны быть выровнены по глубине, в том числе и температура воды. Однако уже первые измерения вертикального распределения температуры воды в различных частях Мирового океана показали, что это не так. Многочисленные последующие экспедиции, во время которых проводились измерения температуры воды на различных глубинах, показали наличие сложного распределения температуры по глубине [25, 41, 44].
Характерные виды распределений температуры T(z) по глубине показаны на рис. 8.2, 8.3. Как видно из рисунков, ни о каком полном перемешивании вод океана говорить не приходится, несмотря на огромное значение числа Re. Хорошо перемешанным можно считать только верхний слой океана толщиной Я ~ 10—100 м, который получил название верхнего квазиоднородного слоя (ВКС). Толщина его может меняться от десятков до сотен метров, а в мелких морях и до дна, в зависимости от гидрометеорологических условий. К ВКС примыкает слой сезонного термоклина (СТ) — слой с большими градиентами температуры и солености. ВКС и СТ образуют так называемый
_________________ Гл 8 Термодинамика океана__________________ 161
деятельный слой океана (ДСО) — слой, который подвержен непосредственному влиянию процессов энерго-, тепло- и массообмена с атмосферой, здесь же поглощается основная доля проникающей в воду солнечной радиации При сильном охлаждении толщина ДСО может достигать нескольких сотен метров.
Ниже сезонного термоклина лежит главный термоклин (ГТ), охватывающий наибольшую часть океанических вод. Главный термоклин — область, где идет постепенное изменение температуры и солености с глубиной, но вертикальные градиенты этих величин значительно меньше, чем в слое сезонного термоклина Структура главного термоклина формируется уже не процессами непосредственного взаимодействия океана с атмосферой, а глобальными процессами общей циркуляции вод Мирового океана И, наконец, несколько десятков метров толщи вод, примыкающие к дну океана, образуют придонный пограничный слой, физические параметры которого зависят от рельефа дна, от трения о дно, от взаимодействия с главным термоклином
Представление о непрерывном, плавном изменении с глубиной плотности, температуры, солености, других характеристик существовало довольно долго и не укладывалось в рамки сильно турбулизированного, хорошо перемешанного океана И только с появлением зондирующей аппаратуры с высоким разрешением было обнаружено, что океан переслоен в значительно большей степени, чем это следует из предшествующих измерений В океане и в большинстве природных водоемов существуют многочисленные четко выраженные слои, которые хотя и трансформируются в течение года, однако совсем не исчезают и не перемешиваются (рис 8.4) [138] Пунктирная линия на графике зависимости скорости звука от глубины соответствует зависимости скорости звука от давления (глубины) при постоянстве солености и температуры
Поверхности раздела в океане существуют достаточно продолжительное время (месяцы, а в отдельных районах океана даже годы) Казалось бы, что диффузия и теплопроводность должны достаточно быстро сглаживать тонкоструктурные неоднородности Однако этого не происходит Эти структурные образования являются активными элементами, определяющими перенос энергии и вещества в океане Явление долговременного существования протяженных слоев и разделяющих их высокоградиентных прослоек было открыто американским ученым Г Стоммелом и членом-корреспондентом АН СССР К Н Федоровым и получило название тонкой термохалинной структуры вод океана [138] В рейсе 1967 года они в серии тонких
Рис. 8.4. Результаты измерения температуры Т (левая кривая), солености 5 (правая кривая) и скорости звука с (профили получены с интервалом 10 мин) в верхнем квазиоднородном слое Индийского океана. Шкала скорости звука относится ко второму профилю
измерений зарегистрировали ступенчатую структуру морской воды Тиморского моря.
Причиной такой повсеместной переслоенности океанических вод является устойчивая стратификация, или устойчивое распределение плотности. Исследования со стратифицированными жидкостями показали, что для перемешивания жидкости с устойчивым распределением плотности по вертикали необходимы мощные внешние источники энергии. Вообще говоря, такие внешние источники энергии, которые работают в этом направлении, в океане есть — это ветер, обусловливающий ветро-волновое перемешивание, и конвекция в осенне-зимний период. Несмотря на то что эти источники довольно мощные, их мощности в лучшем случае хватает только на перемешивание ВКС и на увеличение его толщины, т.е. на увеличение глубины залегания СТ. Чаще же всего они приводят к возникновению хорошо перемешанных тонких слоев (вернее прослоек) воды, разграниченных друг от друга слоями с большими градиентами физических величин. Толщины их — от единиц сантиметров до десятков метров. Такие слои наблюдаются и в ВКС, и были зафиксированы на глубине 3 км.
Экспериментальное обнаружение тонкой термохалинной структуры океана и атмосферы является одним из наиболее важных открытий последних десятилетий XX века. Замечательной особенностью тонкой термохалинной структуры является ее устойчивость. Даже мощные циклоны, штормы, волны не
Гл 8 Термодинамика океана 163
разрушают эти структуры, которые могут иметь горизонтальные размеры в сотни километров. Механизмы, приводящие к образованию таких структур, изучены недостаточно.
Если обозначить в момент времени г в точке (х, у) мгновенное распределение по вертикали температуры TXjy^T(z), то для него можно записать
Аналогичные выражения можно записать для солености и плотности морской воды. Первый член с правой стороны — класс явлений, составляющих предмет классической океанографии; второй член — неоднородности, относящиеся к явлению тонкой термохалинной структуры; третий член — микротурбулентность по Рейнольдсу; L иг — значения пространственных и временных масштабов, разграничивающих структурные элементы водных масс, обусловленные топкой слоистой структурой и турбулентностью. Как правило, изрезанность вертикальных профилей солености больше, чем изрезанность температурных распределений. Морская вода обладает еще одним интересным свойством. Если в атмосфере скорости молекулярной диффузии тепла и влаги почти одинаковы, то скорости диффузии тепла и соли в океане разнятся на два порядка (К^ = 1,4- Ю~3 см2/с, К^ = = 1,04- 10~5 см2/с), что приводит к такому явлению как дифференциально-диффузионная конвекция, являющаяся одним из механизмов, обусловливающих формирование тонкой термохалинной структуры морских вод.
Конвекция в многокомпонентной среде, какой является океан (атмосфера, мантия Земли также являются такими средами), проявляется обычно в двух формах: в первом случае формируются горизонтальные высокоградиентные прослойки, во втором — возникают так называемые «солевые пальцы», представляющие собой тонкие вертикальные потоки. В однородной среде тепловая конвекция проявляется в виде вертикальных струй, или факелов [127]. Обе формы конвекции надежно зарегистрированы в океане. Кора и мантия Земли представляют собой многокомпонентную систему сложного состава, содержащую твердое вещество и флюид. Многие минералы сохранили следы конвекции в жидкой фазе. Многокомпонентная конвекция вызывает сложную вертикальную слоистую структуру звездных и планетных
Гл 8 Термодинамика океана
атмосфер Многокомпонентной конвекцией объясняется ячеистая структура фотосферы Солнца Типичную для многокомпонентной конвекции слоистую структуру имеют облачные системы Многокомпонентная конвекция является одним из наиболее распространенных природных явлений Смена типа конвекции в природных условиях со слоистой на факельную или интрузион-ную часто сопровождается выделением большого объема растворенных газов, что приводит к катастрофическим явлениям К таким явлениям относятся периодические выбросы углекислого газа из озер Ниос и Моноун (Камерун, 1984, 1986) Выброс углекислого газа из озера Ниос в августе 1986 г привел к гибели более чем 1700 человек Озеро Ниос расположено в кратере потухшего вулкана, его глубина равна 208 м, площадь около 2 км Высокая концентрация углекислого газа в глубинных слоях приводит к формированию сложной стратифицированной слоистой структуры На рис 8 5 приведены вертикальные профили солености и температуры, измеренные на озере Ниос [175] Рисунки хорошо передают слоистый характер распределения
Гл 8 Термодинамика океана
Рис 8 6 Картина конвективных течений жидкости над нагретым горизонтальным цилиндром в однородной (а) и в стратифицированной (б) жидкости
Плотность стратифицированной среды
зависит от солености 5 и коэффициента солевого сжатия /3, а — коэффициент теплового расширения Стратификация характеризуется периодом плавучести
В однородной жидкости наблюдается всплывающая струя По мере ее удаления от нагревателя (всплытия), хотя и скорость и температура струи убывают, движение становится турбулентным Картина в стратифицированной среде принципиально другая - возникает сложная структура течений Характерными элементами структуры многокомпонентной конвекции являются восходящий первичный факел и система конвективных ячеек Разделяющие ячейки высоко! радиентные прослойки представляют собой особый класс внутренних пограничных течений, отсутствующих в однородной среде [59, 148] Конвективные ячейки излучают в среду внутренние волны нулевой частоты или дисси-пативно-гравитационные волны На приведенных фотографиях
Гл. 8. Термодинамика океана
Рис. 8.7. Эволюция конвективного течения около плоского вертикального теплообменника при слабой стратификации: а, б, в — т = 8, 20, 32 мин соответственно
четко показано различие в характере конвективного движения в однородной и многокомпонентной средах. В зависимости от величины теплового потока и характеристик среды над точечным источником наблюдаются пять типов течений (диффузное, слоистое, ламинарно-слоистое, показанное на фотографии, пальцево-слоистое и интрузионное).
Описанные особенности картины многокомпонентной конвекции над цилиндром сохраняются и при переходе к точечному источнику тепла и при боковом нагреве устойчиво стратифицированной среды. На рис. 8.7 показаны теневые фотографии конвекции при боковом нагреве в линейно-стратифицированном растворе поваренной соли [149]. Среда слабо стратифицирована, период плавучести равен 33 с, масштаб температуры AT = = 0,7 °С. В развитии термоконцентрационной конвекции от плоского источника тепла можно выделить три фазы: формирование высокоградиентных прослоек, замыкание вихревых ячеек в зоне охлаждения, установления течения и согласование его структуры. Картина сохраняется и при развитии конвекции от плоского источника холода. Скорость развития структур замедляется с уменьшением стратификации. В условиях данного опыта конвективные вихревые валы с шагом порядка высоты ячеек синхронно образуются спустя продолжительное время (t — 5-7 мин) после начала нагрева и постепенно трансформируются в конвективные ячейки (рис. 8.7, а, б). Эксперименты показали, что качественно структура течения при боковом охлаждении сохраняется и при фазовых переходах. Эти процессы играют определяющую роль при замерзании льда и таянии айсбергов.
Таким образом, как показывают данные натурных исследований, вертикальное распределение температуры и солености
_________________ Гл. 8. Термодинамика океана______________________ 167
имеет сложный характер, содержит большое количество структурных образований разных масштабов и различной природы. Исследование этих особенностей, механизмов их возникновения и трансформации является одной из важнейших задач гидрофизики.
Дата добавления: 2016-06-05; просмотров: 4921;