Deci, oceanul absoarbe cea mai mare parte a radiației solare care trece prin suprafața sa, iar această absorbție este mai degrabă voluminoasă decât superficială. Oceanul, așa cum este, depozitează căldura și se încălzește. Dar căldura absorbită de masa de apă în orice punct (la adâncime) nu rămâne constantă în acest moment. În ocean, există o serie de procese care sunt responsabile pentru transferul de căldură de la un punct la altul, formând ca distribuția temperaturii pe verticală în ocean, și hori-zontally temperatură câmp structură.
Să ne cunoaștem cum arată distribuția verticală sau. așa cum se obișnuiește să spui mai des, profilul vertical al temperaturii în ocean. În primul rând, să ne amintim caracterul posibil al mișcării aerului și a masei de apă - laminar și turbulent. Această problemă a fost tratată de binecunoscuta hidrodinamică Reynolds. El a introdus un criteriu care îi poartă numele și are forma
Ch. 8. Termodinamica oceanului 159
La început sa crezut că valoarea numărului Reynolds, semi-ajuns să fie numit critică, este universal și valabil pentru toate fluxurile (în conducte, canale, albiilor, curenții marini), m. E. Că în fluxul de orice tranziție de configurare și scală de la laminar la curgere turbulentă natura mișcare va veni despre la Re = 2 000. Alte studii au arătat că acest lucru nu este adevărat, și puteți utiliza unele trucuri tehnice „strânge“ laminar la Re = 40000, dar puteți obține un flux turbulent, iar la Re = 100. Cu toate acestea, valoarea numărului Re = 2 000, declarați Reynolds, și încă servește ca un ghid.
Dacă aplicăm acest test la ocean și să ia valorile cele mai tipice ale cantităților incluse în numărul de Re, adică U = 1 m / s, L - 6 km și vâscozitate cinematică moleculară de apă egală cu v - 0,01 • 10
4 m 2 / s, apoi Re = 6 • 10 9. În conformitate cu această valoare a numărului Re, oceanul trebuie să fie puternic turbulizat, adică puternic amestecat. La astfel de valori ale numărului Re, toate caracteristicile fizice ale oceanului trebuie să fie nivelate în profunzime, incluzând temperatura apei. Cu toate acestea, primele măsurători ale distribuției verticale a temperaturii apei în diferite părți ale Oceanului Mondial au arătat că acest lucru nu este cazul. Numeroase expediții ulterioare, în timpul cărora au fost măsurate temperaturile apei la diferite adâncimi, au arătat prezența unei distribuții complexe a adâncimii [25, 41, 44].
Tipurile tipice de distribuții de temperatură T (z) de-a lungul adâncimii sunt prezentate în Fig. 8.2, 8.3. După cum se poate observa din figuri, nu se vorbește despre amestecarea completă a apelor oceanului, în ciuda semnificației enorme a numărului Re. Un amestec bine amestecat poate fi considerat doar stratul superior al oceanului cu grosimea I
10-100 m, numit stratul cvasihomogen superior (VCS). Grosimea sa poate varia de la zeci la sute de metri, în mări adânci și în fund, în funcție de condițiile hidrometeorologice. Un strat de termoclină sezonieră (CT) este adiacent la VCS, un strat cu gradienți mari de temperatură și salinitate. VCS și CT formează așa-numitul
_________________ Ch 8 Termodinamica oceanului __________________ 161
strat activ al oceanului (DSO) - strat, care este expus la influența sredstvenno proceselor Nepo energie, căldură și schimb de masă cu atmosfera, există, de asemenea, se absoarbe fracție penetrează radiația solară principală ghidajelor în cazul apei puternice de răcire grosime DSO poate ajunge la câteva sute de metri.
Sub termoclină sezonieră se află principala termoclantă (HT), care acoperă cea mai mare parte a apelor oceanice. thermocline Main - o zonă în care se produce o schimbare treptată tempera-excursii și salinitate cu adâncimea, dar gradientilor verticale ale acestor mărimi mult mai puțin decât sezonieră strat thermocline structura termoclinei formate mai procesează interacțiunea directă a oceanului cu atmosfera și procesele globale circulația generală oceane de apă și, în cele din urmă, câteva zeci de metri coloană de apă, prima podea tic ocean, pentru a forma un strat limită de jos, parametrii fizici de care depind de relieful de jos de la TREN Sunt pe partea de jos, din interacțiunea cu termoclinei principal
Noțiunea de schimbare continuă, fără dificultăți de densitate pe termen adancimi, temperatura, salinitatea și alte caracteristici au existat pentru o lungă perioadă de timp și nu se încadrează în cadrul puternic turbulize, ocean bine amestecat a fost doar odată cu apariția aparatului sondă cu o rezoluție mare, s-a constatat că peresloen ocean în mult mai mult decât rezultă din măsurătorile anterioare.În ocean și în cele mai multe rezervoare naturale, există multe straturi clar definite, care, deși transformă într-un strat subțire ani e, dar nu dispar și nu sunt amestecate (Figura 8.4) [138] Linia punctată în graficul vitezei sunetului care corespunde adâncimii vitezei sunetului asupra presiunii (adâncimea) la temperatură constantă și salinitate,
Interfața în ocean, există destul de pro-o durată de timp (luni, iar în unele zone ale oceanului chiar ani) S-ar părea că difuzia și conductivitatea termică trebuie să fie suficient de rapid pentru a netezi bine-neomogenitati, cu toate acestea, acest lucru nu se întâmplă Aceste caracteristici structurale sunt elemente active care determină transferul de energie și materie fenomen ocean dolgovremen-TION existenței unor straturi lungi și împărtăși straturile lor gradient înalt a fost descoperit de savantul american si un membru al G-Stommel corespunzătoare Științe ndentom a URSS KN Fedorov și a fost numit structura fină a termosalin apele oceanului [138] ei sunt Seria subțire voiajul 1967
Fig. 8.4. Rezultatele măsurătorilor de temperatură T (curba din stânga) cu 5-lene (curba dreapta) și viteza sunetului c (profiluri obținute la intervale de 10 min) într-un strat de cvasi-omogenă superioară Oceanul Indian. Scala de viteză a sunetului se referă la al doilea profil
a măsurat structura treptată a apei de mare din Marea Timorului.
Motivul acestei transfuzii omniprezente a apelor oceanice este o stratificare susținută sau o distribuție constantă a densității. Investigațiile cu lichide stratificate au arătat că pentru amestecarea unui lichid cu o distribuție stabilă a densității de-a lungul verticalei, sunt necesare surse externe puternice de energie. În general, astfel de surse externe de energie care funcționează în această direcție sunt în ocean - vântul produce amestecarea eoliană și convecția în perioada toamnă-iarnă. În ciuda faptului că aceste surse sunt destul de puternice, puterea lor în cel mai bun caz este suficientă doar pentru a amesteca VCS și pentru a-și crește grosimea, adică pentru a crește adâncimea de apariție a CT. Cel mai adesea ele duc la apariția unui nou bine interfera cu straturi subțiri (sau mai degrabă straturi) de apă, delimitate unele de altele prin straturi de gradiente mari de plumb fizic-ching. Grosimea lor este de la centimetri la zeci de metri. Aceste straturi sunt observate în VCS și au fost înregistrate la o adâncime de 3 km.
Descoperirea experimentală a structurii termohaline fine a oceanului și a atmosferei este una dintre cele mai importante descoperiri ale ultimelor decenii ale secolului XX. O trăsătură remarcabilă a unei structuri subțiri termohaline este stabilitatea sa. Chiar și cicloane puternice, furtuni, valuri nu sunt
Ch 8 Termodinamica oceanului 163
distruge aceste structuri, care pot avea dimensiuni orizontale de sute de kilometri. Mecanismele care conduc la formarea unor astfel de structuri nu au fost studiate suficient.
Dacă vom desemna distribuția verticală instantanee a temperaturii TXj y ^ T (z) la momentul t în punctul (x, y), atunci pentru ea putem scrie
Expresii similare pot fi scrise pentru salinitatea și densitatea apei de mare. Primul termen din partea dreaptă este clasa fenomenelor care constituie subiectul oceanografiei clasice; al doilea termen este neomogenitățile legate de fenomenul unei structuri termohaline subțiri; al treilea termen este microturbulența Reynolds; L ig - valorile scalelor spațiale și temporale, delimitând elementele structurale ale masei de apă, cauzate de o structură stratificată arsă și de turbulențe. De regulă, ruptura profilurilor verticale ale articulației este mai mare decât cea a distribuțiilor de temperatură. Apa de mare are o altă proprietate interesantă. Dacă rata de difuzie moleculară în atmosferă este aproape aceeași, ratele de difuzie a căldurii și a sării în ocean diferă cu două ordini de mărime (K ^ = 1,4X Ю
3 cm2 / s, Kg = 1,04-10
5 cm2 / s), ceea ce conduce la un astfel de fenomen ca DIF-diferentiale-difuzie, convecție, care este unul dintre mecanismele care determină formarea unei structuri subțiri termoha a devenit cu adevărat apele marine.
Convecția într-un mediu multicomponente care este oceanul (atmosfera, mantaua Pământului sunt, de asemenea, astfel de medii) se manifestă de obicei în două forme: în primul caz, gradient înalt strat orizontal formă ruyutsya, în OMC set - nu sunt așa-numitele „degete de sare“, prezentat fluxuri verticale subțiri. Într-un mediu omogen, convecția termică se manifestă sub formă de jeturi verticale sau torțe [127]. Ambele forme de convecție sunt înregistrate fiabil în ocean. Crusta și mantaua Pământului este un sistem multicomponent de compoziție complexă care conține o substanță solidă și un fluid. Multe minerale au păstrat urme de convecție în faza lichidă. Convecția multicomponentă provoacă o structură complexă verticală în straturi stelare și planetare
Ch 8 Termodinamica oceanului
Ch 8 Termodinamica oceanului
Figura 8 6 Imaginea fluidului convectiv curge peste un cilindru orizontal încălzit într-un lichid omogen (a) și stratificat (b)
Densitatea unui mediu stratificat
depinde de salinitate 5 și de coeficientul de comprimare a sării / 3, a este coeficientul de expansiune termică Stratificare este caracterizată de o perioadă de flotabilitate
Lichidul omogen se observă cu jet de bule Deoarece departe de încălzire (urcare), deși SKO creștere și temperatura cariei jet, mișcarea devine turbo valență Pictura într-un mediu stratificat este fundamental diferită - o structură complicată de curgere a elementelor caracteristice ale structurii unei convectie multicomponent este ascendentă primar sistem de lanternă și celule convective de separare a celulei este mare! reprezentare radientnye strat lyayut o clasă specială curenților de frontieră interne, cu-emit în prezența mediului intern de la zero frecvență sau unde-pativno gravitațională lungime de undă-Disse într-un mediu omogen [59, 148] Celulele convective de pe fotografiile de mai sus
Ch. 8. Termodinamica oceanului
Fig. 8.7. Evoluția debitului convectiv în apropierea unui schimbător de căldură vertical, plat, cu stratificare slabă: a, b, c - m = 8, respectiv 20, respectiv 32 min
arată în mod clar diferența în natura mișcării convective într-un mediu omogen multicomponent. În funcție de ve măști și caracteristici de curgere a căldurii din mediul de deasupra sursei punctiforme observate cinci tipuri de fluxuri (difuze, stratificat, laminar laminate prezentate în fotografie, digital stratificat și intruzive).
Caracteristicile descrise imagine multicomponent convectiv-TION deasupra cilindrului și reținută în tranziția la o sursă punctuală de căldură și un stratifi lateral termic mediu stabil de calificare. În Fig. 8.7 prezintă încălzirea prin convecție imagini umbră într-o parte ser fiziologic liniar stratificat [149]. Miercuri stratifitsirova pe perioada slab flotabilitate este de 33 s, scala de temperatură AT = = 0,7 ° C In dezvoltarea termokontsentratsionnoy convectie COSV-o singură sursă de căldură poate fi împărțită în trei etape: formarea celulelor intercalații de circuit vortex gradient înalt în zona de răcire, stabilirea unui flux și coordonarea struktu-riu. Imaginea este stocată și dezvoltarea de convectie plat a doua sursă rece. Ritmul de dezvoltare încetinește structuri cu stratificare descrescătoare. În condițiile acestui experiment convectivi arbori vortex cu o înălțime pas de ordinul a celulelor sincronă formate după o lungă perioadă de timp (t - 5-7 minute) după începerea încălzirii și transformat treptat în celulele convective (Figura 8.7, b.). Experimentele au arătat că structura fluxului de vedere calitativ cu răcire laterală și depozitate la tranziții de fază. Aceste procese joacă un rol decisiv în înghețarea Iceberguri topirea gheții și.
Astfel, după cum arată studiile pe teren, distribuția verticală a temperaturii și a salinității
_________________ Ch. 8. Termodinamica oceanului ______________________ 167
are un caracter complex, conține un număr mare de formațiuni structurale de diferite scări și de natură diferită. Studiul acestor trăsături, mecanismele formării și transformării lor este una dintre cele mai importante sarcini ale hidrofizicii.
Articole similare
-
Distribuția temperaturii apei pe suprafața oceanelor și mărilor lumii
-
Temperatura și salinitatea apei, mișcarea apei în oceanele lumii
Trimiteți-le prietenilor: