Зонд электропроводности

Опубликовал admin в июля 24, 2012 в рубрике Океан

Часть моей диссертационной работы состояла в разработке зонда, регистрирующего электропроводность. Это устройство применялось при более поздних исследованиях и позволило рассчитывать соленость (а, следовательно, и плотность) в сантиметровом масштабе. Нами наблюдались местные инверсии плотности, которые не могут существовать длительное время и поэтому представляют собой временное «опрокидывание» воды. Концентрации энергии, способные вызывать такие турбулентные явления, нередко свидетельствуют о наличии внутренних, или подповерхностных, волн.
Благодаря внутренним волнам энергия распространяется в толще стратифицированной жидкости во многом подобно тому, как волны переносят энергию на поверхности. Способность морской поверхности поддерживать волновое движение является следствием действия силы, восстанавливающей плавучесть, которая появляется за счет разности плотностей между воздухом и водой. Ниже поверхности (моря) контрасты плотности значительно более слабы и возникают как постепенные изменения на границах слоев, являющихся гораздо более расплывчатыми, чем граница воздуха и воды.


Поэтому внутренние волны обычно характеризуются более значительными амплитудами и более длинными периодами, чем поверхностные волны. Самый резкий перепад плотности в океане наблюдается в нижней части перемешанного слоя; более размытый переход совпадает с зоной быстрого уменьшения температуры в термоклине. Внутренние волны амплитудой 10 метров обычно проходят через термоклин с периодом около 20 минут. По-видимому, внутренние волны до какой-то степени развиты во всем океане. Хотя, в конечном счете, энергия этих волн поступает в результате воздействия волн и приливов, способ превращения этой энергии во внутренние колебания еще плохо изучен. Полагают, что имеются два главных механизма, обеспечивающих такой переход. Первый из них – это движение постоянных и приливных течений в условиях неровного морского дна; контуры этих неровностей обусловливают локальные колебания в массе воды, движущейся около дна. Вторым вероятным механизмом является резонансное взаимодействие поверхностных волн, при котором часть энергии преобразуется в энергию внутренних волн. Если принять во внимание, что в глубоководных частях океана стратификация слабая, то можно прийти к выводу, что внутренние волны распространяются по наклонным траекториям и тем самым обеспечивают перенос энергии из области, где она порождается, во внутренние части океана.
В результате движения внутренних волн значительной диссипации энергии не происходит, если только они не приводят к состоянию неустойчивости. Одна из форм неустойчивости, известная под названием «неустойчивости Кельвина-Гельмгольца», возникает в том случае, когда волны с высокой частотой распространяются вдоль довольно резких перепадов плотности. Медленно появляясь первоначально в виде маленьких бугорчатых волн на гребне внутренней волны, такие неустойчивости быстро образуют завитки, свидетельствующие о большой микроструктурной активности. Лабораторными исследованиями, проведенными С. А. Торпом в Национальном океанографическом институте Англии, было показано, что эти образования, в конечном счете, разбиваются на пятна турбулентности, которые быстро выполаживаются окружающей стратифицированной жидкостью, причем образуется тонкослоистая зона, тогда как движение размешивания распространяется вниз. Используя окрашенные трассирующие вещества, команда подводных пловцов (ныряльщиков) Британского военно-морского флота под руководством Джона Д. Вудса из Саутгемптонского университета смогла на мелководных участках у острова Мальта наблюдать и фотографировать внутренние волны и отдельные неустойчивости сдвига, которые ими порождаются. Эти неустойчивости сильно напоминают те, что наблюдал Торп при своих лабораторных исследованиях. Хотя рост неустойчивости продолжается всего одну или две минуты, турбулентность все еще проявляется в течение пяти или десяти минут после возникновения сдвига, а окрашенная полоса сохраняется в течение многих часов. При замерах температуры, выполненных нами в Тихом океане на более значительных глубинах, были обнаружены хорошо заметные образования в форме буквы «S» на расстояниях от полуметра до трех метров по вертикали. Они напоминают подобные неустойчивости на начальных стадиях развития. Перемешивающую эффективность отдельной неустойчивости определить трудно, но, вероятно, она довольно низка, потому что ослабевание процесса происходит быстро. Факты, собранные в прибрежных водах на глубинах до нескольких сотен метров, заставляют полагать, что неустойчивости, обусловленные внутренними волнами, появляются в той или иной точке от одного до шести раз в день и что их средний эффект эквивалентен коэффициенту турбулентного перемешивания от половины до одного квадратного сантиметра в секунду, то есть округленно он имеет величину, необходимую для перемешивания в диффузионной модели термоклина. Осуществляя длинные ряды наблюдений в районах, расположенных в средней части океана, можно было бы определить среднюю для океана скорость перемешивания, и это явилось бы одним из способов проверки различных моделей термоклина.

Оставить комментарий