Стратификация водных масс океана
Как упоминалось выше, океан — это в основном устойчиво стратифицированная среда, т. е. более плотные слои располагаются под менее плотными слоями. Чем больше вертикальный градиент, тем больше энергии нужно затратить для перемешивания морской воды. Слои воды с большими градиентами затрудняют перенос через них тепла, соли, микроорганизмов. Однако в отдельные отрезки времени некоторые слои океана могут быть и неустойчиво стратифицированными, например при ночном и осеннем охлаждении. В таком состоянии водная масса долго находиться не может, под действием силы Архимеда происходит перемещение более плотных частиц вниз. Скорость этих перемещений зависит от вертикального распределения плотности воды. Таким образом, для характеристики стратификации водных масс нужны какие-то величины.
Одной из таких величин является полная вертикальная устойчивость вод океана
Это выражение является предпочтительным, так как поле скорости звука в океане известно лучше, чем уравнение состояния для pw(T,S, P).
Термодинамические процессы в океане
Систему океан-атмосфера можно рассматривать как тепловую машину, где нагревателем служит океан, холодильником — атмосфера, а в качестве рабочего вещества выступает водяной пар. Все процессы на Земле, сопровождающиеся тепловыми явлениями, описываются термодинамикой. При этом океан и атмосфера являются открытыми термодинамическими системами, т. е. неравновесными. Между этими системами на границе их раздела существуют потоки вещества и энергии, которые могут привести и приводят к формированию упорядоченных структур, т. е. к процессу самоорганизации открытых термодинамических систем. Такие структуры получили название диссипативных. Их изучение является предметом нелинейной неравновесной термодинамики, которая стала быстро развиваться с начала 70-х годов XX в. Общим для всех явлений образования упорядоченных структур при необратимых процессах в нелинейных открытых системах является совместное движение большого количества
Гл. 8. Термодинамика океана 169
(групп) молекул. Немецким ученым Хаккеном для таких процессов самоорганизации был предложен специальный термин — синергетика (от греческого synergia — совместное или кооперативное действие). Физическая природа синергетики состоит в том, что в нелинейной области, вдали от равновесного состояния система теряет устойчивость, и малые флуктуации приводят к новому режиму, а именно к совокупному движению многих частиц. Совместное упорядоченное движение обеспечивает более эффективные энергетические потоки, чем молекулярные процессы. Описанные выше конвективные движения в многокомпонентной среде являются хорошим примером диссипативных структур. Важным моментом многокомпонентной конвекции является также смена режимов конвекции.
Самоорганизация диссипативных структур имеет место и в атмосфере, и в океане, а именно на границе их раздела, охватывая при этом пограничные слои — приводный пограничный слой атмосферы и приповерхностный слой океана. Второе начало термодинамики дает возможность пока лишь качественно описать формирование диссипативных структур, охватывая весь огромный пространственно-временной диапазон масштабов этих структур, начиная от микроструктурных образований до глобальных, определяющих климат и погоду.
Применительно к системе океан-атмосфера можно привести следующие примеры: микроконвективные ячейки Марангони, возникающие в миллиметровом поверхностном слое воды; крупномасштабные структуры, такие как облачные системы, ураганы и тайфуны, возникающие на границе раздела двух неравновесных сред; циркуляционные структуры Ленгмюра и термобар. Процессы формирования и эволюции неравновесных диссипативных систем до настоящего времени остаются малоизученными.
Находясь в термически неравновесном состоянии, океан и атмосфера обмениваются энергией и массой. И в атмосфере, и в океане при этом формируются условия, приводящие к возникновению крупномасштабных движений воздушных и водных масс, которые и составляют общую циркуляцию атмосферы и океана.
Циркуляции Ленгмюра, повсеместно наблюдаемые в широком диапазоне гидрометеорологических условий на поверхности морей и озер, также являются примером диссипативных структур. Возникновение циркуляции Ленгмюра обеспечивает более интенсивное вертикальное перераспределение тепла и импульса в приповерхностном слое водоема.
170 Гл 8 Термодинамика океана
Циркуляции Ленгмюра, которые иногда называют также вихрями Ленгмюра, представляют собой разнонаправленные когерентные вихревые структуры с горизонтальными осями, параллельными направлению приводного ветра Циркуляции Ленгмюра создают особый гидрофизический, гидрохимический и гидробиологический режимы в верхних слоях океанов, морей, озер и водохранилищ [12, 104].
Другим явлением, которое можно трактовать, как проявление диссипативных структур, является термический бар. В отличие от циркуляции Ленгмюра термобар обеспечивает перенос тепла в горизонтальном направлении из теплоактивной зоны в теплоинертную зону озера. Формирование термобара в пресных водоемах связано с аномальным состоянием пресных вод — максимальной плотностью вод при температуре 3,98 °С. Термобар может формироваться в весенний и осенний периоды.
Глава 9 Динамика океана
Дата добавления: 2016-06-05; просмотров: 2680;