В.А. Магницкий - Общая геофизика (скан) (1119281), страница 30
Текст из файла (страница 30)
3.9 сплошной кривой. Таким образом, термически неравновесное состояние океана и атмосферы приводит к формированию у поверхности универсальной термической структуры — холодной пленки океана, представляющей собой реакцию теплого океана на тепломассообмен с атмосферой.
ТЕМПЕРА ТУРА ПОВЕРХНОСТИ ОКЕАНА (ТПО) Температура поверхности океана (или температура радиационного слоя) является одним из основных факторов, определяющих интенсивность процессов тепломассообмена между океаном и атмосферой. В связи с этим встает вопрос: что нужно понимать под ТПО? Термическое состояние поверхности океана зависит от скорости подвода и отвода тепла в радиационном слое. В то же время граница раздела вода — воздух представляет собой поверхность фазового перехода для молекул воды, для которой в условиях открытого моря можно применить условия квазиравновесного состояния. Это, как показано Н.Е. Кочиным (1949), позволяет говорить о непрерывности температуры (В) и давления (е) вдоль кривой фазового равновесия на диаграмме (В, е), которая с хорошим приближением вычисляется из уравнения Клапейрона — Клаузиуса, записанного для границы раздела вода — воздух.
При этом условие равновесия сводится к тому, что температуры воды (В ) и воздуха (В ), на поверхности раздела вода— воздух будут равны В 1 о — — В ~ =В„где В, — равновесная температура на поверхности и ее можно принять равной температуре насыщения В = В(е ) вблизи границы раздела при давлении в паровой фазе е . Приведенные соотношения дают представление о распределении температуры вблизи поверхности океана. В свою очередь давление водяного пара (упругость) является быстро растущей функцией температуры . Равновесная температура поверхности океана поддается экспериментальному определению по тепловому излучению океана. Все эти причины делают целесообразным выделить В, в качестве исследуемой температуры поверхности океана. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса в этой области записывается в виде йр)ЙТ = = 1 (ТЬи, где Š— скрытая теплота парообразования.
Давление при этом выражается как р = ро ехр ( — Г./ЯТ), что с учетом Е >> ЯТ подтверждает сделанный вывод. 1бб -- -ИНСТРУМЕЯТЛЛЬНБ)Е МатОДИРЕТИСтРАЩИИ ПРОФИЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ХОЛОДНОЙ ПЛЕНКЕ, ПРИВОДНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ И ДНЕВНОМ ОДНОРОДНОМ СЛОЕ ОКЕАНА с;СЕ),с мс 40 1б7 Ранние 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 открытого моря. Такие работы проводились только на внутренних небольших водоемах (прудах и озерах) или на прибрежном мелководье при штилевых 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, расположенном на 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 при волнении в 3 балла в море практически отсутствуют (рис.
3.10). Зная спектр .волнения, можно подобрать параметры буя так, чтобы его частотная характеристика перешла из колебательной в апериодическую. Таким образом 30 достигалась "привязка" буя к физической поверхности моря 20 и, следовательно, обеспечивалась стабилизация скорости движе- 10 ния термодатчика относительно о поверхности океана при воздей- о 405 01 стви и на буй гравитационных 0Р ~Р ~И ~,~ч (длиннопериодных) волн. Рис 3.10.
Спектр волновых возмущений Что касается стабилиэации морской поверхности при волнении в дВИжЕНИя буя ПрИ ВОЗдЕйСтВИИ 3 бвлла (по В.В ЕФимовУ, 1981) о о 3Я о О~ й ~4 й о / '% СЭ 1- на него капиллярных волн, то здесь стабилизирующим фактором может служить только метод быстрого зондирования, для которого капиллярные волны и волны ряби можно считать неподвижными — "замороженными" относительно буя. Понятно, что чем выше скорость зондирования, тем точнее будут выполняться условия "замороженности". Однако значение скорости зондирования ограничено сверху постоянной переходного процесса датчика температуры т. Расчет показывает, что при т — 1,5 ° 10 З с оптимальная скорость зондирования составляет 0,15 м/с.
При регистрации профиля температуры в море судно ложится в дрейф, а поплавковая система с термозондом отпускается на сигнальном кабеле от судна на расстояние 70-100 м. Этим исключаются возмущения поверхностного слоя моря от корпуса судна. Общий вид буя показан на рис. 3.11. Новая аипаратура, построенная по указанному принципу, состоит из термозонда 1, протяжного устройства 2, позволяющего перемещать термозонд по вертикали со скоростью 0,15 м/с, блока электронного усилителя сигнала 3, блока автоматического запуска регистратора 4, пульта управления 5, регистратора б (одним из возможных вариантов которого является электронный осциллограф с фотоприставкой), блока питания 7, поплавковой системы 8, контейнера 9. Все блоки, за исключением 5, б, 7, находятся на буе.
В качестве датчика температруры в аппаратуре используется дифференциальная термопара. Ее конструкция и электрическая схема приведены на рис. 3.12. Измерительный спай 1, составленный из сваренных встык медной и константановой проволок (Я вЂ” 30 мкм), натянут на ножки П-образного держателя 2. Такая конструкция обеспечивает хороший термоконтакт приемника со средой (водой).
Спай сравнения термопары 3 вместе с электронным усилителем 4 размещен в небольшом Ч!" герметичном контейнере 5. Последний при работе удерживается поплавковой системой под водой 1 Г на глубине 0,3 м, и этим обеспе- ! чивается термостатирование сная сравнения (суточный ход темпе! ! ! ! ратуры в однородном поверхност- 5~! ном слое моря составляет 1 —:3'С). б! Абсолютная температура контей- 3 ( нера измеряется независимо плаъ тиновым термометрОм сопрОтив- Рис.
3. 12. Конструкция и электрическая ления б с точностью 0,05 К. схема датчика температуры 169 й ° ° ° й ! НФФНФФНВФН ЙВЙМВФю- ~~ ПКФРмФ61ВФН Кйййййййфй НВМЙВЯНВМН МВММВММВИМ У И ~~ВЙМВММВЫМ Рис. 3.13. Образец регистрации профиля температуры в холодной пленке (а) и пере- ходная характеристика термозонда (б) На рис. 3.13, а приведен образец регистрации профиля температуры, типичный для условий открытого моря, а на рис. 3.13, б в том же 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.
ПРЯМЫЕ РЕГИСТРАЦИИ ПРОФИЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В УСЛОВИЯХ ОТКРЫТОГО МОРЯ 170 В настоящее время имеются многочисленные регистрации профиля температуры в холодной пленке, полученные разными исследователями в различных акваториях Мирового океана и в различное время года при различных гидрометеорологических условиях (Космическое землеведение, 1992) . Анализ этих многочисленных данных наблюдений позволил сделать вывод о существовании двух типов вертикальной структуры распределения температур в приповерхностном слое: а) монотонно изменяющегося по глубине, б) с локальным максимумом температуры вблизи поверхности. Эти типы соответствуют двум режимам теплообмена в приповерхностном слое (на рис. 3.14, а, б приведены характерные 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 — воздух не терпят разрыва; 2) температура поверхности океана всегда ниже температуры прилегающих слоев воды; 3) слой со значительными градиентами температуры локализован в первых двух-трех миллиметрах глубины сразу под поверхностью моря; 4) перепады температуры в холодной пленке в среднем не превышают 0,5 —:1,5 К; 5) холодная пленка существует в любое время суток, а в шторм после разрушения гребня волны быстро (за 10 —:12 с) восстанавливается до прежних параметров; 6) обработка и анализ данных прямых регистраций профиля температуры показали, что профиль температуры в холодной пленке следует экспоненциальному закон и может быть ааписаи в виде В(е) — В,= [ — В,) [1 — ехр(-!)е), где Эй) О 8, Ю8 Рис 3.14.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
