В.А. Магницкий - Общая геофизика (1119278), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Давление при этом выражаетсякак р = р0 exp ( — ь ! RT), что с учетом L » R T подтверждает сделанный вывод.ИН СТ Р УМ ЕН Т АЛ ЬН Ы Е М Е Т О Д Ы РЕГИ СТРАЦ И ИП Р О Ф И Л Я Т ЕМ П ЕРАТ УР Ы В ХО Л О Д Н О Й ПЛЕНКЕ,П Р И В О Д Н О М СЛ ОЕ А Т М О С Ф Е Р ЫИ Д Н Е В Н О М О Д Н О РО Д Н О М СЛОЕ ОКЕАНАРанние работы по изучению термической структуры пограничного слоя моря основывались на измерении температуры на дискретных уровнях в поверхностном слое водоема с шагом дискретности, соизмеримым и даже превышающим, как это сейчас видно, толщину холодной пленки. Очевидно, что указанная методика не позволяла проводить измерения при волнении в условиях открытогоморя. Такие работы проводились только на внутренних небольшихводоемах (прудах и озерах) или на прибрежном мелководье приштилевых условиях погоды и в лабораториях. В начале 1970-х гг.была разработана новая методика регистрации профиля температуры в холодной пленке.
Сущность методики заключается в следующем: малоинерционный датчик температуры быстро перемещается в исследуемых слоях воздуха и воды в вертикальном направлении при непрерывном переходе через границу раздела двух сред.При этом ведется синхронная регистрация распределения по вертикали температуры на электронном осциллографе, расположенномна борту судна.Для уменьшения влияния ветровых волн (гравитационных и капиллярных) на равномерность движения датчика относительно поверхности океана датчик и система протяжки располагаются на легком трехпоплавковом плотике (буе).Известно, что волновые возмущения с частотой выше 0,5 Гц приволнении в 3 балла в море практически отсутствуют (рис.
3.10). Знаяспектр волнения, можно подоS(f),CM*Cбрать параметры буя так, чтобыего частотная характеристикаперешла из колебательной в апериодическую. Таким образомдостигалась “привязка” буя кфизической поверхности моряи, следовательно, обеспечиваласьстабилизация скорости движения термодатчика относительноповерхности океана при воздействии на буй гравитационных(длиннопериодных) волн.Рис. 3.10. Спектр волновых возмущенийЧто касается стабилизации морской поверхности при волнении вдвижения буя при воздействии 3 балла (по В.В.
Ефимову, 1981)Рис. 3 . 11. Общая схема измерительной системына него капиллярных волн, то здесь стабилизирующим факторомможет служить только метод быстрого зондирования, для которого капиллярные волны и волны ряби можно считать неподвижными — “замороженными” относительно буя. Понятно, что чем вышескорость зондирования, тем точнее будут выполняться условия “замороженности ”. Однако значение скорости зондирования ограниченосверху постоянной переходного процесса датчика температуры т.Расчет показывает, что при г ~ 1,5 • 10“ с оптимальная скоростьзондирования составляет 0,15 м/с.При регистрации профиля температуры в море судно ложитсяв дрейф, а поплавковая система с термозондом отпускается на сигнальном кабеле от судна на расстояние 70-100 м.
Этим исключаютсявозмущения поверхностного слоя моря от корпуса судна. Общий видбуя показан на рис. 3.11. Новая анпаратура, построенная по указанному принципу, состоит из термозонда 7, протяжного устройства 2,позволяющего перемещать термозонд по вертикали со скоростью0,15 м /с, блока электронного усилителя сигнала 5, блока автоматического запуска регистратора 4 , пульта управления 5 , регистратора 6(одним из возможных вариантов которого является электронный осциллограф с фотоприставкой), блока питания 7, поплавковой системы Я, контейнера 9.
Все блоки, за исключением 5, 6, 7, находятсяна буе.В качестве датчика температруры в аппаратуре используется дифференциальная термопара. Ее конструкция и электрическая схемаприведены на рис. 3.12. Измерительный спай 7, составленный из сваренных встык медной и константановой проволок ( 0 ~ 30 мкм), натянут на ножки П-образного держателя 2.
Такая конструкция обеспечивает хороший термоконтактприемника со средой (водой).Спай сравнения термопары 3вместе с электронным усилителем 4 размещен в небольшомгерметичном контейнере 5. Последний при работе удерживаетсяпоплавковой системой под водойна глубине 0,3 м, и этим обеспечивается термостатирование спаясравнения (суточный ход температуры в однородном поверхностном слое моря составляет 1-е-3°С).Абсолютная температура контейнера измеряется независимо платиновым термометром сопротив Рис.
3.12. Конструкция и электрическаясхема датчика температурыления 6 с точностью 0,05 К.Рис. 3.13. Образец регистрации профиля температуры в холодной пленке (а) и переходная характеристика термозонда (б)На рис. 3.13, а приведен образец регистрации профиля температуры, типичный для условий открытого моря, а на рис. 3.13, 6 в томже масштабе времени — переходная характеристика термозонда.Из сравнения этих кривых видно, что измерительная система воспроизводит исследуемые процессы практически без искажений и,следовательно, позволяет надежно регистрировать профили температуры в холодной пленке при волнении.П Р Я М Ы Е РЕ ГИ С Т РА Ц И И П Р О Ф И Л Я Т ЕМ П ЕРАТУРЫВ У С Л О В И Я Х ОТКРЫ ТОГО М О Р ЯВ настоящее время имеются многочисленные регистрации профиля температуры в холодной пленке, полученные разными исследователями в различных акваториях Мирового океана и в различноевремя года при различных гидрометеорологических условиях (Космическое землеведение, 1992).Анализ этих многочисленных данных наблюдений позволил сделать вывод о существовании двух типов вертикальной структурыраспределения температур в приповерхностном слое: а) монотонноизменяющегося по глубине, б) с локальным максимумом температуры вблизи поверхности.
Эти типы соответствуют двум режимам теплообмена в приповерхностном слое (на рис. 3.14, а, б приведеныхарактерные регистрации профиля температуры, относящиеся к указанным режимам).Основные особенности структуры профиля температуры в холодной пленке для указанных типов распределения состоят в следующем: 1) профили температуры в тонких пограничных слоях атмосферы и океана при переходе через границу раздела вода—воздухне терпят разрыва; 2) температура поверхности океана всегда нижетемпературы прилегающих слоев воды; 3) слой со значительнымиградиентами температуры локализован в первых двух-трех миллиметрах глубины сразу под поверхностью моря; 4) перепады температуры в холодной пленке в среднем не превышают 0,5-ь 1,5 К;5) холодная пленка существует в любое время суток, а в шторм после разрушения гребня волны быстро (за Юн-12 с) восстанавливается до прежних параметров; 6) обработка и анализ данных прямыхрегистраций профиля температуры показали, что профиль температуры в холодной пленке следует экспоненциальному закону и можетбыть записан в виде в(г) —6S = (6W—0Л fl —exp ( —/3z)l, гдеРис.
3.14. Два вида профиля температуры вподповерхностном слое моря: а — монотонноузменяющийся по глубине и 6 —с локальным максимумом вблизи поверхности моряРис. 3.15. Геометрия определениятолщины слоя h. Отрезок 0s N — касательная к профилю температурыв Х0Чке z - ОQz — температура на глубине z, 6$ — температура поверхности моря,6W— температура в квазиоднородном поверхностном слое моря и /J —коэффициент затухания.Глубина залегания холодной пленки характеризуется так называемой толщиной приведенного слоя А. В гидродинамике пограничных слоев она определяется выражением h = XM(6W— 6S) / д, гдеАм — коэффициент теплопроводности, 6S и 6W — температуры поверхности и квазиоднородного слоя соответственно, q — плотностьпотока тепла.
Физический смысл параметра Л виден из рис. 3.15. Этота толщина, которую имел бы термический пограничный слой слинейным профилем (где Ам = const) при условии, что через негопереносился бы такой же поток, как при реальном профиле температуры. Из этой модели следует, что у поверхности моря (при z = 0)градиенты температуры, определенные из профилей в приведенномслое и в холодной пленке, равны. Следовательно, (dO(z)/dz)j | q == /3 (6W— 6S) = (i9W— 6s) /h и /J = 1/ А. Примечательно, что значениетемпературы на глубине z = А определяется из выражения 0(A) —6S ==[* - ехР ( -z /A ) ] z=h ~ (<9w ~ es) • 0,63. Из рис.
3.15видно, что полученное соотношение дает возможность по регистрациям профиля в холодной пленке графически определить толщину приведенного слоя по отрезку в^К = А, пересекающему кривуюпрофиля в точке К . К примеру, натурные регистрации профилятемпературы на многосуточной станции (48 часов), полученные воткрытом районе Черного моря, показали, что среднее значениетолщины приведенного слоя холодной пленки составляет величинуТг48 = 1,8 мм, при этом в дневные часы 7£д = 1,6 мм и в ночное время суток 7гн = 2 мм.ДИ Н АМ И ЧЕСК АЯ СТРУКТУРАКВАЗИ ОД НО РО ДН ОГО ПОВЕРХНО СТН ОГО СЛОЯ ОКЕАНАХарактерной особенностью термической структуры поверхностного квазиоднородного слоя океана является резкое падение температуры у границы раздела вода-воздух.
Причиной указанной инверсиив профиле температуры может являться только изменение динамической структуры поверхностного слоя, заключающееся в затухании турбулентности у поверхности океана и переходе к ламинарному режиму движения вблизи поверхности океана. К сожалению,еще не все естествоиспытатели разделяют положение о существовании у поверхности океана в холодной пленке ламинарного подслоя.Отчасти это можно объяснить наличием работ, где авторы (см., например, Малевский-Малевич, 1963), исходя из своих экспериментов,как правило, лабораторных, приводят значения коэффициентов теплопроводности, в 2-6 раз превышающие истинное значение.Л АМ И Н АРН Ы Й ПОДСЛОЙХ О Л О Д Н О Й ПЛЕНКИ ОКЕАНАСуществование ламинарного подслоя в холодной пленке в условиях открытого моря, впервые инструментальным методом было установлено и описано А.М. Гусевым с соавторами (1976).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
