Стратификация водных масс океана

Как упоминалось выше, океан — это в основном устойчиво стратифицированная среда, т. е. более плотные слои располага­ются под менее плотными слоями. Чем больше вертикальный градиент, тем больше энергии нужно затратить для перемешива­ния морской воды. Слои воды с большими градиентами затруд­няют перенос через них тепла, соли, микроорганизмов. Однако в отдельные отрезки времени некоторые слои океана могут быть и неустойчиво стратифицированными, например при ночном и осеннем охлаждении. В таком состоянии водная масса долго находиться не может, под действием силы Архимеда происходит перемещение более плотных частиц вниз. Скорость этих переме­щений зависит от вертикального распределения плотности воды. Таким образом, для характеристики стратификации водных масс нужны какие-то величины.

Одной из таких величин является полная вертикальная устойчивость вод океана

Это выражение является предпочтительным, так как поле ско­рости звука в океане известно лучше, чем уравнение состояния для p_w(T,S, P).

Термодинамические процессы в океане

Систему океан-атмосфера можно рассматривать как тепло­вую машину, где нагревателем служит океан, холодильником — атмосфера, а в качестве рабочего вещества выступает водяной пар. Все процессы на Земле, сопровождающиеся тепловыми яв­лениями, описываются термодинамикой. При этом океан и ат­мосфера являются открытыми термодинамическими системами, т. е. неравновесными. Между этими системами на границе их раздела существуют потоки вещества и энергии, которые могут привести и приводят к формированию упорядоченных структур, т. е. к процессу самоорганизации открытых термодинамических систем. Такие структуры получили название диссипативных. Их изучение является предметом нелинейной неравновесной термо­динамики, которая стала быстро развиваться с начала 70-х годов XX в. Общим для всех явлений образования упорядоченных структур при необратимых процессах в нелинейных открытых системах является совместное движение большого количества

Гл. 8. Термодинамика океана 169

(групп) молекул. Немецким ученым Хаккеном для таких про­цессов самоорганизации был предложен специальный термин — синергетика (от греческого synergia — совместное или коопера­тивное действие). Физическая природа синергетики состоит в том, что в нелинейной области, вдали от равновесного состояния система теряет устойчивость, и малые флуктуации приводят к новому режиму, а именно к совокупному движению многих частиц. Совместное упорядоченное движение обеспечивает более эффективные энергетические потоки, чем молекулярные процес­сы. Описанные выше конвективные движения в многокомпонент­ной среде являются хорошим примером диссипативных струк­тур. Важным моментом многокомпонентной конвекции является также смена режимов конвекции.

Самоорганизация диссипативных структур имеет место и в атмосфере, и в океане, а именно на границе их раздела, охва­тывая при этом пограничные слои — приводный пограничный слой атмосферы и приповерхностный слой океана. Второе на­чало термодинамики дает возможность пока лишь качественно описать формирование диссипативных структур, охватывая весь огромный пространственно-временной диапазон масштабов этих структур, начиная от микроструктурных образований до гло­бальных, определяющих климат и погоду.

Применительно к системе океан-атмосфера можно привести следующие примеры: микроконвективные ячейки Марангони, возникающие в миллиметровом поверхностном слое воды; круп­номасштабные структуры, такие как облачные системы, ураганы и тайфуны, возникающие на границе раздела двух неравновес­ных сред; циркуляционные структуры Ленгмюра и термобар. Процессы формирования и эволюции неравновесных диссипатив­ных систем до настоящего времени остаются малоизученными.

Находясь в термически неравновесном состоянии, океан и атмосфера обмениваются энергией и массой. И в атмосфере, и в океане при этом формируются условия, приводящие к возникно­вению крупномасштабных движений воздушных и водных масс, которые и составляют общую циркуляцию атмосферы и океана.

Циркуляции Ленгмюра, повсеместно наблюдаемые в широ­ком диапазоне гидрометеорологических условий на поверхности морей и озер, также являются примером диссипативных струк­тур. Возникновение циркуляции Ленгмюра обеспечивает более интенсивное вертикальное перераспределение тепла и импульса в приповерхностном слое водоема.

170 Гл 8 Термодинамика океана

Циркуляции Ленгмюра, которые иногда называют также вихрями Ленгмюра, представляют собой разнонаправленные ко­герентные вихревые структуры с горизонтальными осями, па­раллельными направлению приводного ветра Циркуляции Ленг­мюра создают особый гидрофизический, гидрохимический и гидробиологический режимы в верхних слоях океанов, морей, озер и водохранилищ [12, 104].

Другим явлением, которое можно трактовать, как проявле­ние диссипативных структур, является термический бар. В от­личие от циркуляции Ленгмюра термобар обеспечивает перенос тепла в горизонтальном направлении из теплоактивной зоны в теплоинертную зону озера. Формирование термобара в пресных водоемах связано с аномальным состоянием пресных вод — мак­симальной плотностью вод при температуре 3,98 °С. Термобар может формироваться в весенний и осенний периоды.

Глава 9 Динамика океана