Файл: Егоров Н.И. Физическая океанография.pdf

2)промежуточные воды с максимумом солености, образующиеся

врезультате водообмена океана с замкнутыми морями с отличным от океана термохалинпым строением. Это средиземноморская вод­

море, а также водная масса моря Тимор в Индийском океане; 3) промежуточные воды с максимумом температуры, проникаю­

щие в высокие широты. Это атлантическая водная масса в Север­ ном Ледовитом океане и антарктическая промежуточная водная масса в Южном океане, показанная в приложении 8.

Несколько особняком стоит промежуточная водная масса на юго-востоке Тихого океана — восточно-субтропическая промежуточ­ ная вода, образование которой происходит аналогично образованию антарктической водной массы, но в более низких широтах. Область распространения основных промежуточных водных масс Мирового океана показана в приложении 10.

Стратосферные (глубинные и придонные) водные массы можно разделить па два основных вида — воды, образующиеся в высоких широтах северного полушария и характеризующиеся максимумом солености, и воды, образующиеся в высоких широтах Южного океана и характеризующиеся минимумом солености («максимум» и «минимум» нужно понимать здесь в относительном смысле, когда рассматриваются только стратосферные воды). Стратосферные воды перемещаются из областей высоких широт навстречу друг другу, и там, где они приходят в соприкосновение, воды северного полушария оказываются глубинными, а воды южного полушария — придонными; термохалинные характеристики таковы, что антаркти­ ческие воды всегда оказываются ниже водных масс северного про­ исхождения. Распространение стратосферных вод показано в при­ ложении 11.

Перечень основных водных масс Мирового океана, индексы ко­ торых даны в приложениях 5—8, сведен в табл. 11. Здесь водные массы классифицированы по океанам, их положению по вертикали (глубине), а также по размещению с севера на юг.

Перечисленные водные массы обнимают акваторию, исключаю­ щую районы формирования стратосферных водных масс; именно акваторию, с юга ограниченную линией антарктической конверген­ ции, а с севера — полярными фронтами Атлантического и Тихого океанов. Водные массы, лежащие к северу и к югу, отличаются большей «термохалинной сложностью», что затрудняет выделение отдельных термохалинных индексов. К этим водам (если исключить Арктический бассейн) относятся: субарктические (приповерхност­ ные) воды Северной Атлантики; субарктические воды северной ча­ сти Тихого океана; антарктические воды в Южном океане — поверх­ ностные и промежуточные.

Несмотря на трудность (и даже невозможность) выделения тер­ мохалинных индексов указанных вод, ГЗ-области их существова­ ния указаны для Южного океана в приложении 8, для Тихого океана в приложении 7.

91

Т а б л и ц а 11 Основные водные массы Мирового океана и их ^-индексы

Касаясь субарктических вод, отметим попутно отличие их для Атлантического и Тихого океанов; первые отличаются ярко выра­ женной гомохалинпостью (однородностью солености) по вертикали (средняя соленость составляет 34,9%о), вторые — ярко выраженной гомотермичностыо (однородностью температуры) (средняя темпе­ ратура по вертикали _уэ)_С) • По-видимому, именно этим различием объясняется широкое" распространение в Тихом океане промежуточ­ ных субарктических вод по сравнению с Атлантическим океаном.

Глава III

ПЕРЕМЕШИВАНИЕ И УСТОЙЧИВОСТЬ ВОД ОКЕАНА

§11. Понятие о перемешивании

Вокеане непрерывно действуют процессы, изменяющие верти­ кальное и горизонтальное распространение его физико-химических характеристик:

—поглощение и излучение тепла;

—осадки и испарение;

■— замерзание и таяние;

— поступление пресных вод с суши и в некоторой степени жиз­ недеятельность организмов и другие процессы.

Так как эти процессы не одинаковы в различных частях океаана и на различных глубинах, с ними связаны неравномерность распределения физических характеристик и, следовательно, воз­ никновение горизонтальных и вертикальных градиентов этих ха­ рактеристик.

Появление градиентов вызывает другие процессы, направлен­ ные на выравнивание физических характеристик и называемые пе­ ремешиванием.

Выделяют молекулярное, конвективное и турбулентное переме­ шивание.

М о л е к у л я р н о е перемешивание обусловлено хаотическим тепловым движением молекул, проникающих из слоя в слой и вы­ зывающих выравнивание физических свойств как в вертикальном,

и спокойного движения в виде параллельных струй, называемого ламинарным.

Однако движения океанических вод — течения, волны, прили­ вы — при определенных условиях теряют динамическую устойчи­ вость: градиенты скорости движения частиц увеличиваются, воз­ никают вихри, ламинарный режим движения переходит в турбу­ лентный.

Т у р б у л е н т н о е движение отличается от ламинарного отсут­ ствием плавных, ясно очерченных линий тока, неупорядоченностью

93

во времени и пространстве поля скорости, приводящей к переме­ шиванию струй. Происходит ли движение в ламинарном или тур­ булентном режиме, зависит от соотношения сил инерции и сил вязкости, характеризуемого числом Рейнольдса

(3.1)

v

L — характерный линейный масштаб движения, определяемый раз­ мерами потока в поперечном направлении, и —характерная ско­ рость течения, v — кинематическая вязкость жидкости.

Благодаря силам инерции частицы воды, обладающие различ­ ной скоростью движения, сближаются и возникают значительные градиенты скорости, приводящие ламинарное движение к динами­ ческой неустойчивости и образованию вихрей. Силы вязкости, нао­ борот, выравнивают скорости в близких точках, препятствуя вихреобразованию. Чем больше величина Re, т. е. чем больше преоб­ ладание сил инерции над силами вязкости, тем менее устойчиво упорядоченное ламинарное движение и тем больше возможности его перехода в турбулентный режим. Это происходит при некото­ ром критическом значении числа Рейнольдса ReKp. Очевидно, что из-за многообразия и многомасштабности движений в океане, для каждого вида движений в зависимости от и, L и выбранных мас­ штабов осреднения значение ReKp может быть различным.

Турбулентное перемешивание может происходить как в верти­ кальном, так и в горизонтальном направлениях. Характерной осо­ бенностью его является необходимость наличия сооответственно вертикальных п горизонтальных градиентов скорости.

К о н в е к т и в н о е перемешивание возникает при уменьшении плотности воды с глубиной, происходит оно только в вертикальном направлении и не зависит от того, находятся ли перемешиваемые слои в движении или нет. Конвективное перемешивание может на­ блюдаться как одновременно с турбулентным, так и независимо от него.

Общая теория перемешивания, приводящего к выравниванию физических характеристик морской воды, была предложена Шмид­ том. Сущность этой теории состоит в следующем.

Предположим для простоты, что перемешиваемые слои воды го­ ризонтальны, а перемешивание происходит в вертикальном на­ правлении. Выберем какое-нибудь свойство этих слоев Ъ, опреде­ ляемое тем, что при его изменении в единице массы изменяется и некоторая другая характеристика В, причем между изменениями величин b и В существует линейная зависимость

dB — § db,

где р — некоторая физическая постоянная.

Например, если положить, что b — температура воды, В — количе­ ство тепла, то р будет характеризовать теплоемкость воды.

94

входят свойства воды и их градиенты и которая характеризует интенсивность перемешивания. Эту величину Шмидт назвал к о э ф ­ ф и ц и е н т о м п е р е м е ш и в а н и я ( о б ме н а ) . Размерность этого коэффициента, очевидно, будет г/см • с.

Таким образом,

Эта формула определяет изменение характеристики В при пере­ мешивании через единицу поверхности в единицу времени.

Определим теперь, используя полученное равенство (3.2), из­ менение характеристики В в столбе воды с основанием 1 см2 и вы­ сотой dz в единицу времени. Оно будет равно изменению характе­ ристики В на расстоянии dz, т. е. дифференциалу от соотношения (3.2). Считая коэффициент перемешивания А не зависящим от z, получим для определения изменения величины В в столбе воды в единицу времени соотношение

d?b

( 3.3)

dz2

Разделив (3.3) на массу столба воды высотой dz, основанием 1 см2 и плотностью р, т. е. на р dz, получим выражение для изме­ нения характеристики В в единицу времени, отнесенное к единице

Формула (3.4) выведена в предположении независимости коэффицициента перемешивания А от г. Если A =f(z), то формула примет вид

Так как в полученных соотношениях коэффициент перемешива­ ния А не зависит от свойства b и физической константы р, то его можно определить из наблюдений над любым свойством и харак­ теристикой из соотношения

Физический смысл величин Ь, В, Р и у приведен в табл. 12.

96