Тонкая термохалинная структура вод Мирового океана
Характерной особенностью осредненных профилей температуры, солености, а следовательно, и плотности, практически на всех широтах, за исключением иногда полярных областей, является наличие более или менее перемешанного верхнего слоя, слоя скачка с большим или незначительным градиентом температуры (сезонным термоклином) и области с плавным изменением термохалинных характеристик (главного… Читать ещё >
Тонкая термохалинная структура вод Мирового океана (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Примечательной особенностью водных масс Мирового океана является открытая сравнительно недавно их тонкая термохалинная структура.
Распределение по вертикали гидрофизических характеристик в океане (осредненных за какой-либо период) имеет разнообразный вид, но на каждом отдельном профиле этого распределения можно проследить общие закономерности. Важнейшей из них является наблюдаемое на профилях расслоение вод, которое характеризуется большой устойчивостью во времени1. Степень расслоения вод неодинакова для различных гидрофизических полей. Полям температуры и солености свойственна существенная изменчивость по вертикали, что и определяет вид стратификации других гидрофизических характеристик (плотности, скорости звука и др.).
Измерения, выполненные с помощью высокочувствительных зондов, показали, что вертикальные распределения температуры, плотности, солености, скорости течения в океане чрезвычайно изрезаны (рис. 5.3.1[1][2]).
Характерной особенностью осредненных профилей температуры, солености, а следовательно, и плотности, практически на всех широтах, за исключением иногда полярных областей, является наличие более или менее перемешанного верхнего слоя, слоя скачка с большим или незначительным градиентом температуры (сезонным термоклином) и области с плавным изменением термохалинных характеристик (главного термоклина). Ниже главного термоклина (на глубинах больше 1.5—2,0 км) практически не наблюдается вертикального градиента в распределении температуры и солености.
Рис. 5.3.7. Распределение температуры (а) и солености (б) на поверхности и по глубине в Японском море.
Структурные особенности, вертикальный масштаб которых превышает 1 м, хорошо воспроизводятся при повторном зондировании и, следовательно, являются относительно долгоживущими образованиями, сохраняющимися в течение времени от нескольких часов до нескольких суток.
Если обозначить в момент т в точке (х, у) мгновенные распределения по вертикали температуры, солености и плотности как T^xCz), St (z), р^т (z), то для этих величин можно записать следующие выражения:
Здесь т и L — значения временного и пространственного масштабов, разграничивающие структурные элементы, обусловленные тонкой слоистой структурой и весьма изменчивой турбулентной микроструктурой[3].
Первые члены в (5.3.1) соответствуют стационарному и однородному в горизонтальной плоскости значению рассматриваемой величины и характеризуют класс явлений, который изучается классической океанографией. Третьи члены в правой части (5.3.1) отражают неоднородности, связанные с микротурбулентностью и получившие название «микроструктура». Вторые члены правой части выражений (5.3.1) соответствуют тем неоднородностям, которые относятся к явлению тонкой термохалинной стратификации океанических вод, определяемому как «тонкая структура». Океаническим водам свойственно также наличие участков с инверсионным ходом плотности по глубине. Примером такого слоя может служить поверхностная пленка в океане, где градиент температуры на один — два порядка выше, чем самые резкие градиенты, наблюдаемые в термоклине.
Тонкая термохалинная структура в океане формируется на фоне гидростатической устойчивости водных масс и определяет генерацию и распределение микротурбулентности в толще вод Мирового океана. Для того чтобы изменить гидростатически устойчивое поле плотности, необходимо либо затратить энергию против архимедовых сил, что приведет к повышению потенциальной энергии жидкости, либо высвободить часть потенциальной энергии и перевести ее в кинетическую. Следовательно, существуют два типа процессов, приводящих к образованию тонкой структуры океана. В первом случае для ее формирования необходимо наличие внешних источников кинетической энергии, расходуемой на повышение потенциальной энергии жидкости. В качестве таких источников могут выступать течения, приливные явления, инерционные колебания. Во втором случае происходит расход доступной потенциальной энергии жидкости, при этом часть освобожденной потенциальной энергии безвозвратно теряется, а гидростатическая устойчивость жидкости повышается.
Вопрос моделирования структуры деятельного слоя океана в последнее время приобрел особую актуальность. Это связано с тем, что верхний слой является зоной наиболее активных физических процессов и служит основной сферой жизнедеятельности морских организмов. Изучение его структуры представляет непосредственный интерес для океанического рыбного промысла, подводного мореплавания, гидроакустики и др. Одновременно исследование характеристик пограничного слоя океана является одним из важнейших этапов в построении общей модели циркуляции атмосферы и океана, без которой невозможен прогресс в математических методах прогноза погоды. Численные долгосрочные прогнозы погоды сейчас находятся на такой стадии, что их дальнейшее совершенствование возможно лишь при учете воздействия на атмосферу океана как мощного инерционного аккумулятора теплоты, который активно влияет на погодные условия. Поэтому надежность моделирования процессов в океане, особенно процессов в его деятельном верхнем слое, приобретает исключительную важность.
Следует отметить, что первые убедительные данные о микроструктуре водных масс были измерены именно оптическими методами учеными из Института океанологии имени П. П. Ширшова РАН (лаборатория оптики океана). В 1980;е гг. было проведено несколько специализированных гидрооптических рейсов, в которых выполнены уникальные эксперименты по распространению лазерных импульсов в водной толще (в том числе с использованием подводных обитаемых аппаратов) и получены важные данные о мелкои мезомасштабной изменчивости гидрооптических характеристик. Были определены основные параметры тонкой структуры, исследованы механизмы ее генерации и трансформации, ее роль в процессе переноса тепла и солей в океане. Результаты работ вошли в монографию «Физика океана» в двух томах[4].