Молекулярные движения

Опубликовал admin в июля 24, 2012 в рубрике Океан

Другой известный нам процесс вертикального переноса обусловливается скорее молекулярным движением, чем сдвигом скоростей метрового масштаба, вызываемым внутренними волнами. Молекулярные движения возникают вследствие того, что тепло диффундирует от точки к точке гораздо быстрее, чем соль, в результате чего соседние слои воды могут в определенных условиях быстро выйти из равновесия. В двухслойной системе с участием тепла и соли можно было бы ожидать, что состояние будет являться устойчивым всегда, когда плотность верхнего слоя меньше плотности нижнего слоя. Однако в зависимости от реального распределения тепла и соли могут возникнуть три различных ситуации: внутренне неустойчивое положение и положение, при котором сохраняются раздельные слои, в каждом из которых происходит конвективное размешивание.



В результате лабораторных опытов, проведенных сотрудником Кембриджского университета Дж. С. Тернером и сотрудником Вудсхолского океанографического института Генри Стоммелом, было установлено, что внутренне устойчивая система образуется в том случае, если верхний слой является одновременно более теплым и менее соленым, чем нижний слой; оба указанных компонента совместно способствуют формированию устойчивого перепада плотности на поверхности раздела. Внутренне неустойчивая система образуется в том случае, когда верхний слой имеет более высокую температуру и соленость, чем нижний слой, при условии, что нижний слой первоначально является более тяжелым из-за его более низкой температуры. Третья система, характеризуемая конвективным размешиванием каждого слоя в отдельности, формируется, если верхний слой имеет меньшую температуру и меньшую соленость, чем нижний слой, при условии, что в этом случае нижний слой первоначально имеет большую плотность вследствие своей солености.
Если создать экспериментально две последние системы, придав им резкие поверхности раздела, то перепад температур сгладится в результате диффузии за несколько минут, тогда как перепад солености останется фактически неизменным. Причина этого заключается в том, что тепло диффундирует приблизительно в сто раз быстрее, чем соль. В первом случае, когда теплая, более соленая вода залегает сверху, быстрая потеря тепла через поверхность раздела приводит к тому, что вода, расположенная непосредственно над поверхностью раздела, становится тяжелее, чем менее соленая вода, находящаяся непосредственно под этой поверхностью; менее соленая вода одновременно поглощает тепло и становится более легкой. В результате образуется конвекционная система, напоминающая доску, разлинованную на мельчайшие клеточки, представленные чередующимися ячейками соленой и менее соленой воды: первые опускаются, вторые поднимаются вверх; такое явление известно как конвекция в виде «солевых пальцев». Во втором случае (когда теплая соленая вода находится внизу) устойчивость системы на поверхности раздела увеличивается вследствие того, что происходит быстрая диффузия тепла вверх, но при этом происходит сильное конвективное перемешивание в пределах каждого слоя.
Процесс конвекции в виде «солевых пальцев» поддерживается только в ограниченных пределах глубин под поверхностью раздела. В определенный момент отрицательный поток плавучести, обусловленный опусканием соленой воды, приводит к образованию толстого слоя, в котором происходит слабое опрокидывающее турбулентное движение; таким образом, возникает слой хорошо перемешанной воды, где температура и соленость характеризуются средними величинами относительно первичных слоев. В опускающемся до большой глубины столбе воды под
первоначальной поверхностью раздела может образоваться ряд чередующихся маломощных зон «солевых пальцев» и мощных слоев хорошо смешанной воды, обусловливающий образование ступенчатых профилей с уменьшающимися температурой и соленостью. Подобным же образом над слоем теплой соленой воды возникает самоограничивающееся конвекционное движение. В этом случае над первичной поверхностью раздела формируется постепенно семейство ступенек. На вертикальном профиле такой системы наблюдается ступенчатое возрастание температуры и солености с увеличением глубины. Представляется, что в зависимости от той или иной резкости поверхности раздела может развиваться серия последовательных ступеней, если градиенты температуры и солености имеют аналогичное направление, очевидно, вследствие того, что незначительные флуктуации скорости разрушают первоначальные градиенты, образуя зоны с повышенной диффузией тепла.

Оставить комментарий