Файл: Егоров Н.И. Физическая океанография.pdf

кипения, молекулярная вязкость, теплопроводность и диффузия, имеют меньшее значение и поэтому освещаются менее детально.

Плотность, удельный вес и удельный объем морской воды.

Одну из важнейших характеристик морской воды составляет плот­ ность, с которой тесно связаны такие понятия, как удельный вес и удельный объем. От распределения плотности воды зависит гори­ зонтальная и вертикальная циркуляция вод Мирового океана. В свою очередь, плотность морской воды зависит от ее температуры, солености и давления, из которых наибольшей изменчивостью во времени и пространстве обладает температура воды.

зывать отношение веса единицы объема воды при той температуре, которую она имела в момент наблюдений, к весу единицы объема дистиллированной воды при 4° С, т. е. при температуре ее наиболь­ шей плотности. Как следует из определения, понятие плотности, принятое в океанографии, не соответствует физическому понятию

стеме СГС). Океанографическое понятие плотности соответствует принятому в практике понятию удельного веса, который является величиной безразмерной.

t

Численно плотность морской воды 5 — равна физической плот­

ности, так как масса одного кубического сантиметра дистиллиро­ ванной воды при температуре 4° принимается за единицу. Однако при производстве различных физических расчетов, в которых ис­ пользуется плотность морской воды, следует помнить о ее размерно­ сти. Так как плотность морской воды больше единицы (среднее зна­ чение для океанов равно 1,025 г/см3), то по предложению Кнудсена

определяется как отношение веса единицы объема морской воды при температуре 17,5° (соответствующей средней комнатной темпе­ ратуре) к весу единицы объема дистиллированной воды той же тем­

пературы. Соответственно удельный вес S — определяется как от­

ношение веса единицы объема морской воды при температуре 0°С к весу единицы объема дистиллированной воды при температуре

4° С.

54

Вместо истинных значений удельных весов в практике для со­ кращения записей пользуются условными удельными весами, опре­ деляемыми из соотношений

Условный вес при температуре 0°С — о0 называют стандартным условным весом морской воды.

Во многих случаях бывает удобнее пользоваться не плотностью

а^ - 0 , 9 ] • Ю3.

Врезультате исследований, выполненных комиссией Междуна­ родного совета по изучению морей (Кнудсен и др., 1901 г.), были установлены соотношения между удельным весом при 0°С и при

17° С, с одной стороны, и содержанием хлора (С1%о) и соленостью (S%о) морской воды, с другой. Они выражаются следующими урав­ нениями:

(Т0 = —0,069 + 1,4708С 1— 0,001570СI2 + 0.0000398С I3,

его = —0,093 + 0,8149S — 0.000482S2+ 0.0000068S3,

р17,5 = (0,1245 + О,94О0о+0,000155о2) X 1,00129.

По этим уравнениям составлены таблицы «Соответствия величин С1, S, По и Р17.5», включенные в сборник «Океанологические таб­ лицы», Н. Н. Зубов, Гидрометеоиздат, 1957 (табл. 7).

Соответственно значениям pi7,5 вычисляется условная плотность морской воды Ot по формуле

0( =Pl7,5 — Е.

Значения поправки в зависимости от pi7,5 и температуры воды t даются в «Океанологических таблицах» (табл. 8).

Когда требуется определение условной плотности о* с более вы­ сокой точностью, вычисления производятся через условный удель­ ный вес 0 о по формуле Кнудсена

0f= . 2 * (о0+ 0,1324) [1 — Л( + В( (0о — 0,1324) ].

55

А* = * (4,7867 — 0,098185*+0,0010843*2) • КП3, Bt— t (18,030 — 0,8164*+0,001667*2) • Ю”6.

Значения величин V«> Ди Bt при различных температурах t даны в «Океанологических таблицах» (табл. 9).

По плотности морской воды определяется удельный объем, как величина, обратная плотности. В «Океанологических таблицах» дана таблица перевода условной плотности ot в условный удельный объем vt (табл. 12) и таблица для непосредственного определения vt по температуре и солености для океанских вод (табл. 11).

Определение условного удельного объема может производиться

ис помощью специальных графиков, называемых Т^-диаграммами

ивключаемых в специальные сборники номограмм и графиков для океанографических расчетов. Эти диаграммы представляют систему

изолиний условного удельного объема, нанесенных в прямоуголь­ ной системе координат Т (температура) и S (соленость).

Приведенные формулы и рассчитанные по ним таблицы и диа­ граммы позволяют определять плотность и удельный объем морской воды при атмосферном давлении, принимаемом в океанографии за нулевое значение, т. е. в поверхностном слое. В природных условиях (in situ) морская вода находится на различных глубинах и подвер­ жена воздействию гидростатического давления вышележащих слоев, которое вызывает сжатие воды и соответствующее уменьше­ ние ее удельного веса (увеличение плотности). Поэтому при опре­ делении истинных значений плотности и удельного объема морской воды, которые она имеет на глубине своего залегания, необходимо учитывать ее сжимаемость.

Сжимаемость морской воды. Давление воды р в океане уве­ личивается на каждые десять метров глубины примерно на 1 бар, который равен 106 дин/см2.

В физике величина 1 дин/см2 также называется баром. Следова­ тельно, 1 бар, принятый в океанографии, равен 106 бара, принятым в физике. Величину давления, равную 0,1 бара, называют дециба­ ром. 0,001 бара — миллибаром. Следовательно, на каждый метр глубины давление увеличивается на один децибар. Это обстоятель­ ство позволяет легко переходить от глубины, выраженной в метрах, к давлению, выраженному в децибарах.

Под действием давления вышележащих слоев происходит сжа­ тие морской воды и уменьшение удельного объема а на величину

—-— . Отношение изменения удельного объема под действием давdp

da

ления —j— к значению удельного объема а называют и с т и н н ы м

56

к о э ф ф и ц и е н т о м с ж и м а е м о с т и м о р с к о й в о д ы k. Следовательно,

Вместо истинного значения коэффициента сжимаемости при вы­

Для расчетов среднего коэффициента сжимаемости морской воды Экманом была предложена эмпирическая формула, которая дает удовлетворительный результат только для воды соленостью от 13,0 до 38,53%о и с температурой более 20° С. Поэтому при прак­ тических расчетах условного удельного объема vPts вместо фор­ мулы (2.4) пользуются формулой, предложенной Бьеркнесом,

Поправки 6ip , 6sp , 6sip представляют добавки к 8P за счет от­ клонения t и 5 от 0° до 35%0. Все поправки даются в «Океанологи­ ческих таблицах» (табл. 15—18).

Сжимаемость морской воды невелика. Однако при изучении мно­ гих процессов, как например: исследование плотностных течений,, адиабатических изменений температуры, устойчивости, скорости звука и других, ее неучет может привести к весьма существенным ошибкам.

Интересно отметить, что, несмотря на малую сжимаемость мор­ ской воды, уровень реального Мирового океана расположен при­ мерно на 30 м ниже того уровня, который он бы занимал при усло­ вии несжимаемости воды.

57

Термические свойства морской воды. К термическим свойствам морской воды относятся ее температура, удельная теплоемкость, те­ плопроводность, температура наибольшей плотности и замерзания, теплота испарения (конденсации) и плавления (льдообразования). В зависимости от исследуемых тепловых процессов в океане роль тех или иных характеристик неодинакова. Так, например, на льдо­ образование существенное влияние оказывают соотношение между температурой замерзания и наибольшей плотности, теплота плавле­ ния (льдообразования), которые не имеют значения при исследова­ нии процессов в морской воде при температурах выше температуры замерзания.

Однако при рассмотрении практически любых тепловых процес­ сов невозможно обойтись без учета теплоемкости и турбулентной теплопроводности.

Удельная теплоемкость. Удельная теплоемкость определяется количеством тепла, которое необходимо затратить на нагрев 1 г ве­ щества на 1°С. Удельная теплоемкость зависит от давления, под которым находится тело, и от его объема. Для твердых тел и жид­ костей более важной физической характеристикой является тепло­ емкость при постоянном давлении ср, которая может быть практи­ чески измерена. Теплоемкость при постоянном объеме cv имеет зна­ чение только при изучении некоторых процессов, протекающих в морской воде, например, распространение звука. В этих случаях она определяется по теплоемкости при постоянном давлении, так как измерить ее непосредственно затруднительно.

Теплоемкость морской воды ср зависит от ее температуры t и

уменьшается с увеличением солености и температуры. Она умень­ шается и с увеличением давления. Так, например, морская вода со­ леностью 34,85%о при температуре 0°С имеет теплоемкость при дав­ лении 1000 децибар (на глубине 1000 м) 0,926, а при давлении10

10 000 децибар 0,872----КаЛ— .

г-град

58