Учебное пособие «Физика природной среды»



страница11/26
Дата10.05.2016
Размер1.48 Mb.
1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   ...   26

3. ТЕРМИКА МОРЯ

В части «Термика моря» рассматриваются вопросы распространения и преобразования лучистой энергии Солнца и длинноволнового излучения в атмосфере, а также термодинамического взаимодействия океана и атмосферы.



3.1. Вертикальная температурная структура океанов и морей

По вертикальному распределению температуры в океанах и морях можно выделить слои, характеризующиеся специфическими физическими свойствами и условиями формирования океанологических полей.



Непосредственному воздействию энерго- и массообмена с атмосферой подвержен деятельный слой (ДС), нижняя граница которого определяется глубиной проникновения годовых температурных колебаний. Внутри этого слоя выделяют приповерхностный или верхний квазиоднородный слой (ВКС) практически с выровненным распределением температуры и сезонный термоклин (СТ) с резким возрастанием температурного градиента. Толщина квазиоднородного слоя изменяется в пространстве и во времени, составляя несколько десятков метров в период весенне-летнего нагрева и захватывая весь деятельный слой до нескольких сотен метров при осенне-зимнем охлаждении незамерзающих морей.

Ниже деятельного слоя располагаются глубинные воды или главный термоклин (ГТ), вертикальная и горизонтальная структура которого формируется глобальными процессами общей океанической циркуляции. В этом слое определяющую роль играет адвективный перенос тепла в меридианальном и зональном направлениях.

Ниже главного термоклина располагаются придонные воды, образуя придонный пограничный слой (ПС). Толщина его составляет несколько десятков метров, а физические параметры зависят от рельефа дна и взаимодействия с главным термоклином.

3.2. Пограничные слои океана и атмосферы и их взаимодействие

3.2.1. Деятельный слой океана

Под деятельным слоем океана обычно понимается поверхностный слой воды порядка нескольких сотен метров, на нижней границе которого практически затухают температурные колебания годового периода. Формирование термогидродинамического режима этого слоя обусловлено, в основном, процессами энерго- и массообмена с атмосферой на его верхней границе, объемного поглощения лучистой энергии и турбулентного перемешивания в воде. Толщина деятельного слоя океана составляет около 80–150 м в умеренных и увеличивается до 300–400 м в полярных и тропических широтах. Определяющими силами в нем являются: сила градиента давления, сила Кориолиса и турбулентного трения.



Формирование верхнего квазиоднородного слоя происходит в период весенне-летнего прогрева океанов и морей при устойчивой вертикальной стратификации, затрудняющей развитие турбулентности, главным источником которой является ветроволновое перемешивание, ограниченное по глубине. Толщина его в этот период составляет несколько десятков метров. С началом осенне-зимнего охлаждения и возникновением неустойчивой вертикальной стратификации в поверхностном слое воды ветроволновое перемешивание усиливается действием плотностной конвекции. Толщина перемешанного слоя начинает быстро возрастать и к концу зимнего периода сезонный термоклин вырождается. При этом верхний квазиоднородный слой распространяется на весь деятельный слой океана.

3.2.2. Пограничный слой атмосферы

Под пограничным слоем атмосферы понимается прилегающий к Земле нижний слой воздуха высотой 1000–1500 м, термодинамический режим которого определяется непосредственным воздействием процессов энерго- и массообмена на подстилающей поверхности и турбулентным перемешиванием. Как и в деятельном слое океана, основными в пограничном слое атмосферы являются силы: градиента давления, Кориолиса и турбулентного трения.

В вертикальной структуре пограничного слоя атмосферы выделяются приводный (над океаном) или приземный (над сушей) слои воздуха высотой 30–60 м, в которых влиянием сил Кориолиса и градиента давления можно пренебречь по сравнению с силами турбулентного трения, а потоки импульса, тепла и влаги считать постоянными по высоте.

По сравнению с приземным приводный слой атмосферы обладает по меньшей мере двумя особенностями: повышенной влажностью и подвижностью подстилающей поверхности. Первая из них способствует более интенсивному поглощению лучистой энергии Солнца и теплового излучения океана и атмосферы, что в определенных условиях может иметь существенное значение, пока еще недостаточно исследованное. Вторая — подвижность воды — приводит к возникновению поверхностного волнения и дрейфовых течений под действием ветра. Волнение осложняет вертикальную структуру приводного слоя появлением в воздушном потоке затухающих с высотой индуцированных колебаний на основных энергонесущих частотах спектра волн. При сильных штормовых ветрах и обрушивании волн возможно появление водяной пыли и брызг в воздухе и пузырьков воздуха в воде, так что сама граница раздела вода — воздух становится неопределенной и превращается в некоторый слой двухфазной жидкости. Количественное описание процессов энерго- и массообмена для таких условий еще не разработано и требует специальных методов.



3.2.3. Взаимодействие пограничных слоев

Изложенная схема вертикальной структуры пограничных слоев океана и атмосферы соответствует некоторым осредненным условиям. В действительности, отдельные реализации профилей ветра, температуры и влажности в воздухе, скоростей течения, температуры и солености в воде, согласно многочисленным измерениям, обнаруживают значительно более сложную структуру. Для характеристики ее в океанологических исследованиях последних лет установилась специальная терминология: тонкая структура и микроструктура. Изучение взаимодействия турбулентности, тонкой структуры, микроструктуры и волновых движений в формировании гидрофизических полей является сейчас одним из наиболее актуальных направлений. К этим вопросам мы еще вернемся в последующем изложении.

В динамическом взаимодействии пограничных слоев океана и атмосферы решающая роль принадлежит атмосфере. Воздушные потоки, воздействуя на поверхность воды, вызывают ветровые волны и дрейфовые течения, служащие источником динамической турбулентности в воде. Проблема передачи энергии ветра воде, генерации ветровых волн и течений, так же как и методы расчета их основных характеристик при различных гидрометеорологических ситуациях, еще далеки от однозначного и полного решения.

В термическом взаимодействии определяющую роль играет тепловое состояние деятельного слоя океана и, в частности, температура на его поверхности. Поглощая лучистую энергию Солнца, океан подогревает атмосферу снизу, снабжая ее теплом за счет явного и скрытого тепла и теплового излучения с поверхности воды. Неравномерное по пространству поступление тепла от океана в атмосферу вызывает соответствующую неравномерность поля давления и движение воздушных масс, в свою очередь воздействующих на поверхность воды при динамическом взаимодействии.

Таким образом, в общем процессе взаимодействия пограничных слоев наиболее четко проявляется их единство и обратные связи между океаном и атмосферой.

1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   ...   26


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница