Воздушные Пузырьки Дайвинг Подводный Удар Солнце
Изображение Martin Str с сайта Pixabay

ГЛАВА 10. ПЕРЕМЕШИВАНИЕ И ВЕРТИКАЛЬНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ВОД МИРОВОГО ОКЕАНА

§ 36. Понятие о перемешивании

В Мировом океане непрерывно протекают процессы, изменяющие океанологические характеристики. В результате неравномерного изменения этих характеристик возникают горизонтальные и вертикальные их градиенты, одновременно с которыми развиваются процессы, направленные на выравнивание свойств водных масс, на уничтожение градиентов. Это процессы вертикального и горизонтального обмена, т. е. перемешивания. Изменение температуры, солености и плотности с глубиной связано с вертикальными градиентами этих величин. Градиент каждой из указанных величин может быть положительным или отрицательным. Если градиент плотности положителен (плотность увеличивается с глубиной), водные массы находятся в устойчивом состоянии, если отрицательный — неустойчивы: легкие воды стремятся всплыть, а тяжелые — опуститься. Увеличение плотности под влиянием понижения температуры или увеличения солености на поверхности вызывает опускание верхних слоев воды и подъем нижних. В результате плотность воды в верхнем, перемешанном слое понижается, а в нижележащем возрастает. В слое воды, расположенном выше слоя скачка, процессы перемешивания воды происходят наиболее интенсивно; этот слой и называется деятельным слоем. Ниже слоя скачка воды становятся устойчивыми, так как здесь с глубиной температура понижается, а соленость и плотность возрастают.

Существуют два вида вертикального перемешивания: молекулярное и турбулентное (в нем выделяются разновидности — конвективное и фрикционное).

Молекулярное перемешивание

Молекулярное перемешивание представляет собой хаотическое тепловое движение молекул. Это перемешивание происходит по всей толще океана как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении, но в малых масштабах и не играет существенной роли в перемешивании вод океана.

Турбулентное перемешивание

Турбулентное перемешивание возникает вследствие внутреннего трения (вязкости) движущихся слоев воды и вихреобразования (фрикционное перемешивание). В океанах и морях фрикционное перемешивание проявляется главным образом в форме волнового (ветрового) и приливного. Ветровое перемешивание распространяется в поверхностном слое моря до глубины, равной половине длины ветровых волн. В мелководных морях ветровое перемешивание доходит до 15—20 м, а в глубоководных морях и в океанах оно может распространяться на глубину 50—200 м.

Конвективное перемешивание

Конвективное перемешивание представляет собой обмен вод, вызванный увеличением плотности поверхностных слоев за счет охлаждения или осолонения или уменьшением плотности придонных слоев за счет подогрева и опреснения. Оно имеет особенно большое значение для поверхностных слоев воды, но может
достигать и больших — глубин (4000—5000 м). Замечается оно и в океанических жёлобах.

Теория перемешивания вод

Теория перемешивания вод была разработана В. Шмидтом. Основные выводы ее можно представить следующим выражением:

изменение характеристики вод соприкасающихся слоев при перемешивании через единицу поверхности в единицу времени;

где ϒ — изменение характеристики вод соприкасающихся слоев при перемешивании через единицу поверхности в единицу времени;

градиент свойства (температуры, солености, скорости и др.) вод, участвующих в обмене

градиент свойства (температуры, солености, скорости и др.) вод, участвующих в обмене; β — физическая константа (теплоемкость, теплопроводность и др.); Аβ — коэффициент перемешивания, характеризующий интенсивность обмена.

Физический смысл процесса перемешивания и величин, его определяющих, дает табл. 15 (по В. Шмидту).

Из таблицы следует, что коэффициент обмена умноженный на физическую константу может быть различным при изменении свойств морской воды. Это — коэффициенты теплопроводности, диффузии, трения и т. д. При этом следует иметь в виду, что коэффициент турбулентной теплопроводности превосходит коэффициент молекулярной теплопроводности; соответственно и коэффициенты турбулентного трения (вязкости) и диффузии превосходят коэффициенты молекулярного трения и диффузии. Значения коэффициентов, характеризующих турбулентное перемешивание, изменяются в довольно широких пределах для разных районов Мирового океана. Так, например, коэффициент турбулентной теплопроводности для глубинных вод Филиппинской впадины 2,0—3,2 г*см/сек. (по Шмидту), для Каспийского моря 0-30 г*см/сек. (по Штокману), для Тихого океана у Калифорнии 30 г*см/сек. (по МакИвену). Эти различия свидетельствуют о том, что коэффициенты турбулентного перемешивания зависят не только от физических свойств морской воды, но и от скорости движения (наличия градиентов скорости), размеров возникающих вихрей, устойчивости слоев воды, периодов наблюдений и т. д.

Турбулентность

Турбулентность играет большую роль в таких процессах, как тепловое и динамическое взаимодействие океана и атмосферы, формирование структуры потоков, особенно в поверхностных и придонных слоях, диссипация (рассеяние) кинетической энергии волн и течений (превращение — в тепло вследствие трения), распространение газов, солей, радиоактивных и других примесей.

А. С. Монин с точки зрения турбулентности предлагает трехслойную структуру океана; он выделяет верхний (перемешанный) слой, внутренний и придонный. Верхний находится полностью в турбулентном состоянии под влиянием турбулентного обмена вызванного ветром, волнением и течениями, а также конвекцией. Этот слой однороден благодаря интенсивному перемешиванию и ограничен слоем скачка. Причем эта граничная поверхность имеет нерегулярную форму, создаваемую крупномасштабными движениями. Внутренний слой включает почти всю толщу воды, внутри которой возникает перемежающаяся турбулентность в виде отдельных пятен. Придонный слой толщиной около 10 м, создаваемый главным образом приливными течениями, полностью находится в турбулентном состоянии и отделен от внутреннего слоя поверхностью нерегулярной формы. Процессы турбулентного, молекулярного и конвективного перемешивания имеют большое значение в формировании водных масс, в распределении океанологических характеристик, в проникновении тепла и кислорода в глубины.

Таблица 15

Основные характеристики процесса перемешивания (внесистемные единицы)

Свойство bКоличественная характеристика BФизическая константа β Коэффициент AβИзменение характеристики в процессе обмена ϒ
Температура (град.)Количество тепла (кал)Теплоемкость (кал/г • град.)Теплопроводность (кал/град • см • сек.)Количество тепла (кал/см2 • сек.)
Соленость (г/г)Количество солей Масса солей (г)Диффузии (г/см • сек.) Количество солей (кал/см2 • сек.)
Скорость течения (см/сек.)Количество движения (г/см • сек.)Масса воды (г)Трения (г/см • сек.)Количество движения (г/см • сек.2).

Источник: Общая гидрология, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1973