Работа выполнена в Институте океанологии им. П.П.Ширшова Российской Академии Наук, г.Москва.
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук Б.М.Бубнов
доктор физико-математических наук, профессор В.В.Жмур
доктор физико-математических наук, профессор Л.Н.Карлин
Ведущая организация: Физический факультет Московского
Государственного Университета им. м.в.Ломоносова
Защита состоится "24" декабря 1997 г. в "1400" часов на заседании специализированного Совета Д.002.86.01 по присуждению ученой степени доктора наук в Институте океанологии им. П.П.Ширшова Российской Академии Наук, по адресу: 117851, Москва, Нахимовский проспект, д.36.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Институте океанологии им. П.П.Ширшова Российской Академии Наук. Автореферат разослан "22" ноября 1997 г.
Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат географических наук
С.Г.Панфилова
- 3 -
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Введение.
1. Структурообразующие процессы, океанические фронты и фронтальные явления в контексте данной работы............ 5
2. Краткая характеристика метода лабораторного моделирования в океанологии..................................... 13
3. Основные задачи, структура диссертационной работы и положения, выносимые на защиту.................................. 16
Часть I. Фронтогенез в турбулентной стратифицированной жидкости. Дифференциальный тепло- и массообмен через мелкомасштабные плотностные фронты и обусловленное им внутриводное ледообразование в полярных морях.
1.1. Ступенчатое расслоение непрерывно стратифицированного пикноклина под действием мелкомасштабного турбулентного перемешивания как фронтогенетический процесс............ 19
1.2. Лабораторное исследование закономерностей ступенчатого расслоения непрерывно стратифицированной жидкости под действием механической турбулентности.............................. 29
1.3. Лабораторное исследование закономерностей обмена теплом и солью через стратифицированную прослойку
между турбулентными слоями.................................... 36
1.4. Внутриводное ледообразование на мелкомасштабных плотностных фронтах между распресненными и морскими
водами в полярных морях....................................... 4 6
1.5. Модель переохлаждения приповерхностного распресненного слоя из-за дифференциального обмена теплом и солью через мелкомасштабный плотностной фронт с нижележащим слоем холодной и соленой морской воды...................... 56
1.6. Интерпретация результатов наблюдений контактного внутриводного ледообразования в летнем разводье на СП-29
и СП-31....................................................... 61
1.7. О тепловых эффектах смешения морских вод с различной температурой и соленостью и об осуществимости механизма "концентрационного" переохлаждения и ледообразования 82
1.8. Лабораторное исследование изменения солевого состава морской воды из-за дифференциального обмена через стратифицированную прослойку в двуслойной конвективной системе............................................................ 91
- 37
s=1.2-3.9 см. Решетки располагались в каждом из слоев на одинаковом расстоянии (z=15 см) от фронтального раздела. Это обеспечивало идентичность турбулентного воздействия на фронтальный раздел. Характеристики турбулентности для данного типа решеток в зависимости от ш, (0, s и z многократно измерялись (Воропаев, 1979; Xuequane, Hopfinger, 1976) достаточно хорошо известны и параметризованы. В расчетах мы использовали следующие параметризации (Xuequane, Hopfinger, 1976): U = С-m°*5 or s1•5z"1; L = K'z, где U и L - среднеквадратичная скорость турбулентных пульсаций и интегральный масштаб турбулентности соответственно, а С= 0.3 и ')(= 0.1 - эмпирические константы. Значения этих
параметров в наших опытах в основном составляли: 11=0.1-0.25 см/с, L= 1.5 см. Несколько опытов в предварительной серии наблюдений проводились при существенно более сильной турбулизации слоев: U =
1.0 см/с, при начальном перепаде солености между слоями As0 = 250°/00 (Воропаев, Зацепин, Крылов, 1987). При этом, согласно Тернеру (Тернер, 1977, Turner, 1968), определяющие безразмерные параметры эксперимента, число Ричардсона (Ri= gApL/pu2 ~ gPASL/U2) и число Пекле (Pe=UL/k) изменялись в следующих пределах: 0< Ri< З103, 102< Рет< 2.5‘1.0й, Pes = 102‘Рет, а в
предварительной серии опытов - 0 <Ri <200 и Рет=103; здесь g -ускорение силы тяжести, Лр, As - перепады плотности и солености между слоями, р - средняя плотность жидкости, Р - коэффициент соленостного сжатия, k={kT,ks), PeT=UL/kT и Pes=UL/ks термическое и соленостное числа Пекле соответственно. Плотностное соотношение имело характерное значение Rp = 0(102).
Опыты, начинавшиеся с момента включения механизма колебаний решеток, продолжались вплоть до выравнивания температуры между
- 38 -
слоями. Препад солености при этом, как правило, не исчезал, и стратификация сохраняла двуслойный характер. В каждом опыте в последовательные моменты времени измерялись температура и соленость в перемешиваемых слоях, а также снимались профили температуры (термистором МТ-54) и электропроводности (одноэлектродным датчиком) с пространственным разрешением не хуже 2-3 мм. По данным этих измерений рассчитывались скорости обмена теплом и солью между слоями (скорости вовлечения) Ur=(5T/6t)(Н/ЛТ), Us=(5s/6t)(H/As), где Дт, As - перепады
температуры и солености между слоями, измерялись толщины термического ht и соленосгного hs разделов (по методике, описанной в (Crapper, Linden, 1974)) и вычислялись эффективные коэффициенты обмена: KT=UTh и Ks=U^h, где h « hs - толщина
плотностного раздела. Кроме количественных измерений проводились наблюдения плотностной структуры фрпонтального раздела с помощью теневого прибора. Значения размерных параметров UT, Us, hT и hs изменялись в опытах (Зацепин, Протасов, 1990; Зацепин, Крылов, 1992; Krylov, Zatsepin, 1992) в следующих пределах: UT= 310"4-3'10"2см/с; Us = 10"5 - 3*10"2 см/с; hT, hs = 0.3 - 6 см.
Анализ результатов эксперимента позволил установить, что обмен теплом и солью между слоями может происходить в различных физических режимах (рис.1.3.2). Оказалось, что реализация того или иного режима, а также структура плотностной раздела зависят главным образом от значения числа Ричардсона. Когда плотностной перепад через фронтальный раздел очень велик (Ri >> 102), в ее
центральной части существует "молекулярное ядро" - прослойка, в которую турбулентность не проникает и через которую тепло- и массообмен осуществляется за счет молекулярной диффузии и
- Киев+380960830922