Вертикальное распределение температуры и солености воды в океане

Итак, океан поглощает большую часть солнечной радиации, которая проходит через его поверхность, причем это поглощение носит объемный, а не поверхностный характер. Океан как бы запасает тепло и нагревается. Но тепло, поглощенное водной массой в какой-либо точке (на глубине), не остается в этой точке постоянно. В океане существует целый ряд процессов, которые обусловливают перенос тепла от точки к точке, формируя как вертикальное распределение температуры в океане, так и гори­зонтальную структуру поля температуры.

Познакомимся с тем, как выглядит вертикальное распреде­ление, или. как принято чаще говорить, вертикальный профиль температуры в океане. Сначала вспомним о возможном харак­тере движения воздушных и водных масс — ламинарном и тур­булентном. Этим вопросом занимался известный гидродинамик Рейнольде. Им был введен критерий, носящий его имя и имею­щий вид

Re = UL/u,

Гл. 8. Термодинамика океана 159

где U, L, v — масштабы скорости, длины, и коэффициент кинематической вязкости соответственно. По результатам сво­их опытов Рейнольде определил, что в трубах переход от ла­минарного характера движения к турбулентному происходит при Re S2000.

Сначала считалось, что это значение числа Рейнольдса, полу­чившее название критического, универсально и справедливо для всех потоков (в трубах, каналах, руслах рек, морских течениях), т. е. что в потоке любой конфигурации и масштаба переход от ламинарного к турбулентному характеру движения будет про­исходить при Re = 2 000. Дальнейшие исследования показали, что это не так, и можно с помощью некоторых технических ухищрений «затянуть» ламинарный режим до Re = 40 000, но можно получить турбулентное течение и при Re = 100. Однако величина числа Re = 2 000, декларированная Рейнольдсом, и до сих пор служит некоторым ориентиром.

Если применить этот критерий к океану и взять наиболее характерные значения величин, входящих в число Re, а именно U = 1 м/с, L — 6 км и молекулярную кинематическую вязкость воды, равную v — 0,01 • 10~⁴ м²/с, то Re = 6 • 10⁹. Согласно тако­му значению числа Re океан должен быть сильно турбулизиро-ван, т. е. сильно перемешанным. При таких значениях числа Re все физические характеристики океана должны быть выровнены по глубине, в том числе и температура воды. Однако уже первые измерения вертикального распределения температуры воды в различных частях Мирового океана показали, что это не так. Многочисленные последующие экспедиции, во время которых проводились измерения температуры воды на различных глуби­нах, показали наличие сложного распределения температуры по глубине [25, 41, 44].

Характерные виды распределений температуры T(z) по глу­бине показаны на рис. 8.2, 8.3. Как видно из рисунков, ни о каком полном перемешивании вод океана говорить не при­ходится, несмотря на огромное значение числа Re. Хорошо перемешанным можно считать только верхний слой океана тол­щиной Я ~ 10—100 м, который получил название верхнего ква­зиоднородного слоя (ВКС). Толщина его может меняться от десятков до сотен метров, а в мелких морях и до дна, в зави­симости от гидрометеорологических условий. К ВКС примыкает слой сезонного термоклина (СТ) — слой с большими градиентами температуры и солености. ВКС и СТ образуют так называемый

_________________ Гл 8 Термодинамика океана__________________ 161

деятельный слой океана (ДСО) — слой, который подвержен непо­средственному влиянию процессов энерго-, тепло- и массообмена с атмосферой, здесь же поглощается основная доля проника­ющей в воду солнечной радиации При сильном охлаждении толщина ДСО может достигать нескольких сотен метров.

Ниже сезонного термоклина лежит главный термоклин (ГТ), охватывающий наибольшую часть океанических вод. Главный термоклин — область, где идет постепенное изменение темпера­туры и солености с глубиной, но вертикальные градиенты этих величин значительно меньше, чем в слое сезонного термоклина Структура главного термоклина формируется уже не процесса­ми непосредственного взаимодействия океана с атмосферой, а глобальными процессами общей циркуляции вод Мирового оке­ана И, наконец, несколько десятков метров толщи вод, примы­кающие к дну океана, образуют придонный пограничный слой, физические параметры которого зависят от рельефа дна, от трения о дно, от взаимодействия с главным термоклином

Представление о непрерывном, плавном изменении с глуби­ной плотности, температуры, солености, других характеристик существовало довольно долго и не укладывалось в рамки сильно турбулизированного, хорошо перемешанного океана И только с появлением зондирующей аппаратуры с высоким разрешени­ем было обнаружено, что океан переслоен в значительно боль­шей степени, чем это следует из предшествующих измерений В океане и в большинстве природных водоемов существуют мно­гочисленные четко выраженные слои, которые хотя и транс­формируются в течение года, однако совсем не исчезают и не перемешиваются (рис 8.4) [138] Пунктирная линия на графике зависимости скорости звука от глубины соответствует зависи­мости скорости звука от давления (глубины) при постоянстве солености и температуры

Поверхности раздела в океане существуют достаточно про­должительное время (месяцы, а в отдельных районах океана даже годы) Казалось бы, что диффузия и теплопроводность должны достаточно быстро сглаживать тонкоструктурные неоднородности Однако этого не происходит Эти структурные образования являются активными элементами, определяющими перенос энергии и вещества в океане Явление долговремен­ного существования протяженных слоев и разделяющих их высокоградиентных прослоек было открыто американским ученым Г Стоммелом и членом-корреспондентом АН СССР К Н Федоровым и получило название тонкой термохалинной структуры вод океана [138] В рейсе 1967 года они в серии тонких

Рис. 8.4. Результаты измерения температуры Т (левая кривая), со­лености 5 (правая кривая) и скорости звука с (профили получены с интервалом 10 мин) в верхнем квазиоднородном слое Индийского океана. Шкала скорости звука относится ко второму профилю

измерений зарегистрировали ступенчатую структуру морской воды Тиморского моря.

Причиной такой повсеместной переслоенности океанических вод является устойчивая стратификация, или устойчивое рас­пределение плотности. Исследования со стратифицированны­ми жидкостями показали, что для перемешивания жидкости с устойчивым распределением плотности по вертикали необходи­мы мощные внешние источники энергии. Вообще говоря, такие внешние источники энергии, которые работают в этом направле­нии, в океане есть — это ветер, обусловливающий ветро-волновое перемешивание, и конвекция в осенне-зимний период. Несмот­ря на то что эти источники довольно мощные, их мощности в лучшем случае хватает только на перемешивание ВКС и на увеличение его толщины, т.е. на увеличение глубины залегания СТ. Чаще же всего они приводят к возникновению хорошо пере­мешанных тонких слоев (вернее прослоек) воды, разграниченных друг от друга слоями с большими градиентами физических вели­чин. Толщины их — от единиц сантиметров до десятков метров. Такие слои наблюдаются и в ВКС, и были зафиксированы на глубине 3 км.

Экспериментальное обнаружение тонкой термохалинной структуры океана и атмосферы является одним из наиболее важных открытий последних десятилетий XX века. Замечатель­ной особенностью тонкой термохалинной структуры является ее устойчивость. Даже мощные циклоны, штормы, волны не

Гл 8 Термодинамика океана 163

разрушают эти структуры, которые могут иметь горизонталь­ные размеры в сотни километров. Механизмы, приводящие к образованию таких структур, изучены недостаточно.

Если обозначить в момент времени г в точке (х, у) мгновен­ное распределение по вертикали температуры T_Xjy^_T(z), то для него можно записать

Аналогичные выражения можно записать для солености и плот­ности морской воды. Первый член с правой стороны — класс явлений, составляющих предмет классической океанографии; второй член — неоднородности, относящиеся к явлению тонкой термохалинной структуры; третий член — микротурбулентность по Рейнольдсу; L иг — значения пространственных и временных масштабов, разграничивающих структурные элементы водных масс, обусловленные топкой слоистой структурой и турбулент­ностью. Как правило, изрезанность вертикальных профилей со­лености больше, чем изрезанность температурных распределе­ний. Морская вода обладает еще одним интересным свойством. Если в атмосфере скорости молекулярной диффузии тепла и влаги почти одинаковы, то скорости диффузии тепла и соли в океане разнятся на два порядка (К^ = 1,4- Ю~³ см²/с, К^ = = 1,04- 10~⁵ см²/с), что приводит к такому явлению как диф­ференциально-диффузионная конвекция, являющаяся одним из механизмов, обусловливающих формирование тонкой термоха­линной структуры морских вод.

Конвекция в многокомпонентной среде, какой является океан (атмосфера, мантия Земли также являются такими средами), проявляется обычно в двух формах: в первом случае форми­руются горизонтальные высокоградиентные прослойки, во вто­ром — возникают так называемые «солевые пальцы», представ­ляющие собой тонкие вертикальные потоки. В однородной среде тепловая конвекция проявляется в виде вертикальных струй, или факелов [127]. Обе формы конвекции надежно зарегистрированы в океане. Кора и мантия Земли представляют собой многоком­понентную систему сложного состава, содержащую твердое ве­щество и флюид. Многие минералы сохранили следы конвекции в жидкой фазе. Многокомпонентная конвекция вызывает слож­ную вертикальную слоистую структуру звездных и планетных

Гл 8 Термодинамика океана

атмосфер Многокомпонентной конвекцией объясняется ячеи­стая структура фотосферы Солнца Типичную для многокомпо­нентной конвекции слоистую структуру имеют облачные систе­мы Многокомпонентная конвекция является одним из наиболее распространенных природных явлений Смена типа конвекции в природных условиях со слоистой на факельную или интрузион-ную часто сопровождается выделением большого объема раст­воренных газов, что приводит к катастрофическим явлениям К таким явлениям относятся периодические выбросы углекислого газа из озер Ниос и Моноун (Камерун, 1984, 1986) Выброс угле­кислого газа из озера Ниос в августе 1986 г привел к гибели более чем 1700 человек Озеро Ниос расположено в кратере потухшего вулкана, его глубина равна 208 м, площадь около 2 км Высокая концентрация углекислого газа в глубинных слоях приводит к формированию сложной стратифицированной слоистой структу­ры На рис 8 5 приведены вертикальные профили солености и температуры, измеренные на озере Ниос [175] Рисунки хорошо передают слоистый характер распределения

Гл 8 Термодинамика океана

Рис 8 6 Картина конвективных течений жидкости над нагретым го­ризонтальным цилиндром в однородной (а) и в стратифицирован­ной (б) жидкости

Плотность стратифицированной среды

зависит от солености 5 и коэффициента солевого сжатия /3, а — коэффициент теплового расширения Стратификация характе­ризуется периодом плавучести

В однородной жидкости наблюдается всплывающая струя По мере ее удаления от нагревателя (всплытия), хотя и ско­рость и температура струи убывают, движение становится турбу­лентным Картина в стратифицированной среде принципиально другая - возникает сложная структура течений Характерными элементами структуры многокомпонентной конвекции являются восходящий первичный факел и система конвективных ячеек Разделяющие ячейки высоко! радиентные прослойки представ­ляют собой особый класс внутренних пограничных течений, от­сутствующих в однородной среде [59, 148] Конвективные ячейки излучают в среду внутренние волны нулевой частоты или дисси-пативно-гравитационные волны На приведенных фотографиях

Гл. 8. Термодинамика океана

Рис. 8.7. Эволюция конвективного течения около плоского вертикаль­ного теплообменника при слабой стратификации: а, б, в — т = 8, 20, 32 мин соответственно

четко показано различие в характере конвективного движения в однородной и многокомпонентной средах. В зависимости от ве­личины теплового потока и характеристик среды над точечным источником наблюдаются пять типов течений (диффузное, слои­стое, ламинарно-слоистое, показанное на фотографии, пальцево-слоистое и интрузионное).

Описанные особенности картины многокомпонентной конвек­ции над цилиндром сохраняются и при переходе к точечному источнику тепла и при боковом нагреве устойчиво стратифи­цированной среды. На рис. 8.7 показаны теневые фотографии конвекции при боковом нагреве в линейно-стратифицированном растворе поваренной соли [149]. Среда слабо стратифицирова­на, период плавучести равен 33 с, масштаб температуры AT = = 0,7 °С. В развитии термоконцентрационной конвекции от плос­кого источника тепла можно выделить три фазы: формирование высокоградиентных прослоек, замыкание вихревых ячеек в зоне охлаждения, установления течения и согласование его структу­ры. Картина сохраняется и при развитии конвекции от плоско­го источника холода. Скорость развития структур замедляет­ся с уменьшением стратификации. В условиях данного опыта конвективные вихревые валы с шагом порядка высоты ячеек синхронно образуются спустя продолжительное время (t — 5-7 мин) после начала нагрева и постепенно трансформируются в конвективные ячейки (рис. 8.7, а, б). Эксперименты показали, что качественно структура течения при боковом охлаждении сохраняется и при фазовых переходах. Эти процессы играют определяющую роль при замерзании льда и таянии айсбергов.

Таким образом, как показывают данные натурных исследо­ваний, вертикальное распределение температуры и солености

_________________ Гл. 8. Термодинамика океана______________________ 167

имеет сложный характер, содержит большое количество струк­турных образований разных масштабов и различной природы. Исследование этих особенностей, механизмов их возникновения и трансформации является одной из важнейших задач гидрофи­зики.