В.И. Трухин, К.В. Показеев, В.Е. Куницын - Общая и экологическая геофизика (1119248), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Несмотря на то что эти источники довольно мощные, их мощности в лучшем случае хватает только на перемешивание ВКС и па увели 1ение его толщины, т.е. на увеличение глубины залегания СТ. Чаще же всего они приводят к возникновепи|о 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 ХХ века.
Замечательной особенностью тонкой термохвлинной структуры является ее устойчивость. Даже мощные циклоны, штормы, волны пе Рис.8.4. Результаты измерения температуры Т (левая кривая), солености Я 1правая кривая) и скорости звука с 1профили полу )ены с интервалом 10 мин) в верхнем квазиоднородном июе Индийского океана. Шкала скорости звука относится ко второму профилю У'л. 8. Термодинамики охвина разрушают зти структуры, которые могут иметь горизонтальные размеры в сотни километров. Механизмы, приводящие к образованию таких структур, изучены недостаточно.
Если обозначить в момент времени т в точке (х, и) мгновенное распределение по вертикали температуры Т ю,(в), то для него можно записать '~'х,у,т(в) = (7'(в)) + 7'ь г + ~'х у г(в)' 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; А и т . значения просгранственных и временных маспггабов, разграничивающих структурные злементы водных масс, обусловленные тонкой 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 па два порядка (К' = 1,4 10 в смз~'с, К'~ = = 1,04 10 ~ см"/с), что приводит к такому явлению как дифференциально-диффузионная конвекция, являющаяся одним из механизмов, обусловливающих формирование тонкой термохалиппой 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 высокоградиентпые прослойки, во втором — возникают так называемые «соленые пальцы э, представляющие собой тонкие вертикальные потоки.
В однородной среде тепловая копвекция 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. В. 7армодинамика оксана '1'емпература, 'С 22,4 22,5 22,6 22,7 Температура, 'С 22,0 22,2 22,.4 о4 65 56 67 к ~69 71 62 0,68 0,69 0,70 0,71 0.,72 Соленость, г/кг 0,55 0,60 0,65 0,70 Соленость, г/кг Рис. 8.5. Вертикальные профили температуры (жирная линия) и соле- ности (тонкая линия), измеренные на озере Ниос в декабре 2002 г.
На рис. 8.6 приведены теневые фотографии конвекции над нагретым горизонтальным цилиндром в однородной жидкости и в линейно-стратифицированном растворе поваренной соли [151]. атмосфер. Многокомпонентной конвекцисй обьясняется ячеистая структура фотосферы Солнца. Типичную для многокомпонентной конвекции слоистую структуру имеют облачные системы. Многокомпонентпая конвекция является одним из наиболее распространенных природных явлений. Смена типа конвекции в природных условиях со слоистой на факельную или интрузионную 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 углекиолого 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 кмз. Высокая концентрация углекислого газа в глубинных слоях приводит к формированию сложной стратифицировапной слоистой структуры. На рис.
8.5 приведены вертикальные профили солености и температуры, измеренные на озере Ниос [1751. Рисунки хорошо передают споистый характер распределения. !'л. 8. рермодннимиии оиеини Рис. 8.6. Картина конвективных течений жидкости над нагретым горизонтальным цилиндром в однородной 1а) и в страгифицирован- ной (о) жидкости Плотность стратифицированной среды Р(,Р, Т, Я) = Рв11 — а ЬТ+ ЧЬЯ) зависит от солености,5' и коэффициента солевого сжатия 11, о-- коэффициент теплового расширения.
Стратификация характеризуется периодом плавучести 2иг, ГЛ Ть = — = йиг % ~~д' г1!и р где Л = -- масштаб изменчивости плотности. гЬ 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 мпогокомпонентпой конвекции являются восходящий первичный факел и система конвективных ячеек. 1иазделяющие ячейки высокоградиентные прослойки представляют собой особый класс внутренних пограничных теченвйи отсутствующих в однородной среде ~59, 148].
Конвективные ячейки излучают в среду внутренние волны нулевой частоты или диссипативно-гравитационные волны. ~а приведенных фотографиях !'л. 8. Термодинамика океана Рис.8.7. Эволюция конвективиого течения около плоского вертикального теплообменника при слабой стратификации: а, 6, в т = 8, 20, 32 мин соответственно четко показано различие в характере конвсктивного движения в однородной и многокомпопеитпой средах. В зависимости от величивы теплового потока и характеристик среды над точечным источником наблюдаются пять типов течений (диффузное, слоистое, ламинарно-слоистое, показашюе на фотографии, пальцевослоистое и интрузионное). Описанные особенности картипы мпогокомпонентной 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 й.Т = = 0.,7'С. В развитии термокопцентрациоипой коивекции от плоского источника тепла можно выделить три фазы: формирование высокоградиептпых 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 (~ = 5 7 мин) после начала нагрева и постепенно трансформируются в конвективпые 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 Рль 8. 7врмодинимиии оиеини имеет сложный характер, содержит большое количество структурных образований разных масштабов и различной природы.
Исхледование этих особенностей, механизмов их возникновения и трансформации является одной из важнейших задач гидрофизики. Стратификация водных масс океана Как упоминалось выше, океан это в основном устойчиво стратифицироваппая среда, т.е. более плотные слои располагак>тся 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 гчои 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 НРи, Я Ри ~~Ри плотность морской воды. При Е, > О, — > О на"Ре блюдается устойчивая стратификация, при Р', < О, — "' < О ~Ь неустойчивая стратификация.
Если процесс перемещения частицы воды по вертикали адиабатический изменение плотности определяется адиабатическим дРи градиентом плотности ~ †) , а изменение плотности среды ~д )М' иР» определяется ', то возникает сила Архимеда, пропорциональдри ( дри ная разности — ' — ~ — '( . Эта сила и обеспечивает персрас- ~Ь де пределепие водных масс по вертикали. Гл. 8. 7прмодинпмикп окопно 168 Стратификацию в устойчиво стратифицированных средах оценивают также величиной частоты Вяйсяля — Брента, имеющей вид «12 0 пР ' пр Здесь адиабатический градиент плотности. Для оценки относительного влияния градиентов солености ~~Ри и температуры на устойчивость вод градиенты плотности— пл / 1ри '1 и ~ — ~ нужно выразить через вертикальные градиенты со/ярк '1 лености и температуры 143~. Так как 1 — ') —, где соо я Сзо давление, то величину % скорость звука в морской воде, Р можно представить в виде 2 д 2 Р Это выражение является предпочтительным, так как поле скорости звука в океане известно лучше, чем уравнение состояния для р,„(Т, .Я, Р)1.
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 па Земле, сопровождающиеся тепловыми явлениями, описываются термодинамикой. При этом океан и атмосфера являются открытыми термодинамическими системами, т. е. неравповеспыми. 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
