В.А. Магницкий - Общая геофизика (скан) (1119281), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Турбулентные коэффициенты вязкости, температуропроводности и диффузии в отличие от их молекулярных аналогов не являются физическими константами среды, а меняются от точки к точке потока и зависят от его характеристик, Коэффициенты горизонтального турбулентного обмена в гидро- сфере и атмосфере на несколько порядков превышают соответствующие коэффициенты вертикального обмена. Это объясняется прежде всего огромным преобладанием горизонтальных областей, охваченных турбулентным обменом, над вертикальными. Кроме того, вертикальный градиент плотности, существующий во всех природных потоках, влияет главным образом на интенсивность вертикальной турбулентности.
Столь существенное различие в вертикальном и горизонтальном турбулентном обмене привело к тому, что в гидро- сфере и атмосфере процессы горизонтального и вертикального перемешивания обычно рассматриваются раздельно. Из полуэмпирических теорий турбулентности наибольшее распространение получили гипотезы Буссинеска, введшего понятие коэффициента турбулентного обмена, теория Прандтля, предложившего гипотезу пути смещения, которая позволила получить логарифмический закон распределения с высотой средней скорости, хорошо оправдывающийся данными натурных наблюдений, и теория Кармана, позволившая выразить путь перемешивания через осредненные характеристики поля скорости. Полуэмпирические теории турбулентности оказались весьма плодотворными и не потеряли своего значения по сей день.
Однако они не могут раскрыть механизмы турбулентного движения, внутреннюю структуру пульсационного поля в турбулентном потоке. Помимо уравнений Рейнольдса для описания турбулентного движения используется уравнение баланса турбулентной энергии несжимаемой жидкости, позволяющее оценить вклад различных механизмов в генерацию и релаксацию турбулентной энергии потока: дŠ— = б+Р+ Ф+О, д1 (5.25) дя — д7 д7 д7 — + и — + й — + и — = АЛ7. д1 дх ду дл (5.26) 213 здесь Š— средняя плотность кинетической энергии пульсационного движения. Первый член в правой части характеризует генерацию турбулентной энергии за счет осредненного движения или, наоборот, переход энергии пульсационного движения в энергию среднего течения.
Последняя ситуация получила название эффекта отрицательной вязкости. Второй член характеризует генерацию турбулентной энергии за счет сил плавучести (сил Архимеда). Третий член обусловлен диффузией турбулентной энергии за счет ее неравномерного распределения в потоке. Четвертый член отражает потери турбулентной энергии за счет диссипативных процессов.
Уравнение баланса турбулентной энергии в последнее время все чаще привлекается для замыкания системы уравнений Рейнольдса. Однако это уравнение, позволяющее полнее понять процессы, протекающие в турбулентном потоке, содержит ряд новых неизвестных. Таким образом, этот путь не приводит к замыканию системы уравнений турбулентности и требует привлечения дополнительных гипотез, позволяющих выразить эти неизвестные через осредненные характеристики потока. Для описания процессов тепло- и массопереноса в гидросфере и атмосфере одних уравнений динамики недостаточно. В этом случае привлекается уравнение диффузии примеси: В качестве примеси ю могут выступать теплосодержание с рТ, соленость жидкости 5,;~~, влажность воздуха о, концентрация взвесей д и т.д.
Коэффициент А является коэффициентом молекулярной диффузии того свойства, которое рассматривается в конкретном случае. Уравнения диффузии примеси для турбулентного потока получаются из уравнения (5.26) аналогично тому, как получены уравнения Рейнольдса из уравнений Навье — Стокса. ПОГРАНИЧНЫЕ СЛОИ В ГЕОФИЗИКЕ Как уже отмечалось, ключевым моментом в исследовании турбулентного движения является изучение процесса генерации турбулентности, т.е. механизма вихреобразования, и именно в тех областях потока, где эти явления наиболее интенсивны. Из наблюдений, выполненных в природе, и экспериментальных работ известно, что преобладающая часть турбулентной энергии, генерируемой потоком, приходится на пограничные слои (- 80~~).
Пограничные слои формируются в контактных зонах литосфера — гидросфера — атмосфера и на границах раздела водных и воздушных масс с различными физическими характеристиками. Интегральные характеристики потоков находятся в прямой зависимости от процессов, протекающих в пограничных слоях. Таким образом, пограничным слоям принадлежит ведущая роль в формировании турбулентной структуры потоков в целом.
Изучение пограничных слоев, исследование их структуры, генерации и релаксации в них вихревых образований и, наконец, выявление ведущего механизма и основных закономерностей процесса обмена в них имеет особую значимость. Роль пограничных слоев в геофизике исключительна еще и в силу их широкой распространенности. Пограничные слои не только существуют в приземном слое атмосферы и в придонных слоях океана, формируются на границе раздела вода — воздух и на границах водных и воздушных течений, но буквально пронизывают всю толщу океанических вод и атмосферы, проявляясь в виде тонкой термохалинной структуры океана и метеорологических фронтов. Наиболее распространенными типами пограничных слоев в геофизике являются следующие: динамические и тепловые пограничные слои на гладких и шероховатых поверхностях; плоские турбулентные слои смешения, формирующиеся на границе раздела слоев жидкости, движущихся относительно друг друга; отрывные течения, возникающие за плохо обтекаемыми телами.
И наконец, это наиболее сложный и играющий важнейшую роль в геофизических процессах пограничный слой вода-воздух, характеризующийся энергетически прозрачной, подвижной и легкодеформируемой границей раздела. Как пра- 214 вило, все пограничные слои, реализующиеся в геофизических объектах, осложнены наличием неравномерного распределения плотности, что в значительной степени затрудняет исследование их структуры и протекающих в них процессов.
Характернейшей особенностью всех перечисленных турбулентных пограничных слоев является общность механизма обмена в них. Это так называемый "взрывной" механизм обмена, при котором сравнительно медленная стадия развития пограничного слоя сменяется быстрой стадией его разрушения. При этом в пограничных слоях генерируются вихревые структуры, которые затем проникают в основной поток. После разрушения пограничный слой вновь начинает формироваться и весь процесс повторяется, приобретая как бы пилообразный характер. Таким образом, турбулентным пограничным слоям свойственна квазипериодическая форма движения, характеризующаяся наличием структурных образований, которые и дают главный вклад в производство пульсационной энергии.
В настоящее время наиболее изучены приземный и приводный пограничные слои атмосферы. Отличительной чертой этих пограничных слоев является постоянство по высоте потоков импульса, тепла и массы: Для пограничных слоев существен учет молекулярных механизмов тепло-, массо- и энергообмена. ГЛАВА б ДИНАМИКА А ТМОСФЕРБ! ВОЗДУШНЫЕ МАССЫ И ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА В АТМОСФЕРЕ Воздушные массы различают по областям (очагам), где формировались их свойства.
В высоких широтах формируются арктические воздушные массы, которые временами могут проникать далеко в умеренные широты, принося резкие похолодания, высокую прозрачность воздуха и повышенное содержание озона. В более низких широтах формируется воздушная масса, называемая полярной или, точнее, умеренной. Обширная область низких широт занята тропическим воздухом. Тропический воздух отличается, кроме высокой температуры, также малой прозрачностью, низким содержанием озона и характерной облачностью: высокими и тонкими облаками в континентальном тропическом воздухе и сильной конвективной облачностью в морском воздухе.
Тропический воздух, временами вторгаясь далеко на север, приносит потепление, характерную дымку и ясную погоду. 215 Иногда особо выделяют и экваториальную воздушную массу— очень теплую и влажную в течение всего года. Границы воздушных масс и, следовательно, сами воздушные массы находятся в постоянном движении и перемещении. Распространяясь в далекие от своего очага области, они становятся там причиной резкого изменения погоды. Большое значение для сельского хозяйства имеют летние вторжения очень теплого и сухого континентального тропического воздуха, называемые суховеями, на европейскую территорию и в степи Казахстана. При дальнейшем распространении воздушная масса изменяет свои свойства.
Дольше всех при трансформации воздушной массы сохраняются ее оптические свойства и типичное содержание озона. Главные и большие изменения погоды в умеренных и высоких широтах связаны с атмосферными фронтами. Фронты возникают как области сходимости воздушных течений и представляют собой поверхность раздела двух воздушных масс по температуре, влажности, облачности, осадкам, ветру и т.д. При своем движении фронт вызывает быстрые изменения всех этих свойств-. Пересечение поверхности фронта с поверхностью Земли или уровнем р = сопМ называется линией фронта. Частичное смешивание воздуха двух воздушных масс у поверхности фронта превращает ее в переходную — фронтальную — зону заметной толщины (иногда приблиЯ~ зительно 100 км), в которой, например, температура меняется постепенно от значения в теплой воздушной г~ а А ~ к массе до значения в холодной.
! Уд Рассмотрим равновесие двух воз- душных масс, разделяемых стацио- Т, =Ф нарным фронтом (рис. 6.1). В любой У точке А'фронта давления со стороны теплой воздушной массы р1 и холодной р2 равны и должны быть равны Рис. 6.1. Поверхность раздела (Фрон- нормальные к фронту (вдоль Оси х) та), параллельная оси у и наклоненная под угвом ~х к оси х Т у тем вляющиЕ вЕ ра 1 = ' 2. ВЗяв две ная под углом и к оси х. Т1, е1 — температура и скорость движения тепло- точки А и В на фронте на расстоянии го воздуха, 7',, и — температура и сй, имеем, очевидно, вдоль сЬ, что скорость движения холодного воздуха Др = ~р ИЛИ где дх, Ыу„сй — проекции сй на оси координат. Если ось у направлена вдоль линии фронта и А и В выбраны в плоскости, параллель- ной УОХ, то Ыу = О.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
