Файл: Егоров Н.И. Физическая океанография.pdf

море плотность тока чрезвычайно велика по сравнению со средней плотностью токов на суше. Это создает большие перспективы для изучения процесса в общепланетарном масштабе, а не только для исследования Мирового океана. Большая плотность, а следова­ тельно, меньшие относительные ошибки при измерении, доступ­ ность, по сравнению с земной корой, проникновения на глубины дают возможность более глубокого, полного и точного изучения причин и динамики теллурических токов в целом.

Первые измерения теллурических токов в океане были сделаны в Атлантике В. В. Шулейкиным в 1957 г.

Поле теллурических токов испытывает постоянные вариации в связи с вариациями геомагнитного поля. Поэтому единичные из­ мерения поля теллурических токов в океане могут дать лишь ориен­ тировочные, чисто качественные оценки. Величина напряженности электрического поля в морской воде за счет вариаций колеблется в широких пределах (от нескольких до сотен мВ/км).

Очевидно, можно считать установленным, что с глубиной плот­ ность теллурических токов линейно увеличивается.

Индукционные (Фарадеевы) токи. Они возникают при движении морской воды в магнитном поле Земли. Согласно закону электро­ магнитной индукции Фарадея возбуждаемая при этом ЭДС опре­ деляется по формуле

(электромагнитный измеритель течения), применяемая для изме­ рения течений в поверхностном слое океанов и морей на ходу судна. Токи, индуцируемые течениями, следует рассматривать как квазипостоянные индукционные токи. Для средних широт, где Hz 0,5 Э, напряженность электрического поля, индуцируемая те­ чениями, при Vi —2 узла составляет 50 мВ/км.

Индуцированные токи, текущие вокруг океанских островов, могут вызывать локальные эффекты, обусловливающие уменьшение магнитных вариаций на море. Следует ожидать аномальных эффек­ тов также вблизи границ между океанами и материками, обуслов­ ленных той же токовой системой.

Измерения естественного электрического поля водной толщи показывают, что полученные значения потенциала, очевидно, связаны с магнитогидродинамическим эффектом, проявляющимся в возникновении индуцированного электромагнитного поля и токов, сопутствующих течениям.

Морские течения (например, ветровые) вызывают местные изме­ нения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли, срав­ нимые с амплитудой его суточных вариаций.

Токи, обусловленные концентрационным эффектом. В морской воде имеют место локальные электрохимические процессы,

возникающие в результате диффузии ионов между слоями с различ­ ной концентрацией солей. Величина потенциала электрического поля, обусловленного диффузионными процессами, может быть определена по известной формуле Нернста, в которую введен попра­ вочный множитель за ионную активность морской воды. Для рас­ творов хлористого натрия, соответствующих концентрациям мор­ ской воды, формула имеет вид

Ed = —11,6/Clg-^—,

•bi -

где Si и S2 — соленость сопредельных водных масс, К — коэффи­ циент ионной активности морской воды, Ed — концентрационная разность потенциалов.

Токи, обусловленные биоэлектрическим эффектом. В формиро­ вании естественного электрического поля океана имеет существен­ ное значение и биоэлектрический эффект. Разность потенциалов, как показали эксперименты, проводившиеся в 1966 г. на Черном море, обусловлена скоплением микроорганизмов (например, сапро­ фитных бактерий и фитопланктона), локализующихся в слое повы­ шенного градиента плотности.

Токи, обусловленные суспензионным эффектом. Разность потен­ циалов создается за счет различных концентраций взвесей в со­ предельных водных массах. Наиболее значительно эффект проявля­ ется в бассейнах с пониженной соленостью. Величина разности потенциалов возрастает с увеличением концентрации суспензий и уменьшением размеров взвешенных частиц.

Конвекционные электродинамические токи возникают при кон­ вективном перемешивании ионизированных слоев морской воды в магнитном поле Земли. Они очень слабы и не могут быть измерены.

Электрические процессы в атмосфере (грозовое электричество), очевидно, оказывают существенное влияние на формирование элек­ трического поля и на токовую систему в верхних слоях океана. Однако ничего определенного об этом сказать пока нельзя.

Структура электрического поля.1 Удельный вес каждого из рас­ смотренных факторов может быть разным в отдельных районах Мирового океана. Измерения естественного электрического поля водной толщи обнаружили неоднородность его структуры. По ха­ рактеру структуры электрического разреза все зарегистрированные при вертикальных зондированиях кривые электрического потен­ циала можно подразделить пока на три типа (по мере увеличения числа наблюдений в различных районах океана, очевидно, значи­ тельно увеличится и количество типов).

Первый тип характеризуется возрастанием потенциала на 4— 6 мВ в верхнем слое, глубже потенциал меняется незначительно. Этот тип кривых характерен для Саргассова моря, моря Лаптевых

1 По Р. М. Деменицкой, А. М. Городницкому, 1Л. М. Казанскому, Н. Н. Трубятчинскому.

34

и юго-западной части Черного моря, где течения довольно слабые

(рис. 1.3).

Второй тип характеризуется возрастанием потенциала на 12— 20 мВ до горизонта 500 м, глубже, до горизонта 1000 м, происходит

с большими скоростями водных потоков

(рис. 1.4).

Третий тип характеризуется изменением потенциала перемен­ ного знака в пределах 3—5 мВ в верхнем 200—300-метровом слое, далее до горизонта 600—900 м наблюдается падение потенциала

естественного электрического поля в от- 1200

Структура электрического поля, величина и интенсивность вариаций в значительной степени зависят от характера магнитного поля района. Исходя из теоретических разработок Максвелла, Прайса и др., были сделаны попытки создать методы расчета

Глава II

СТРОЕНИЕ, ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОРСКОЙ ВОДЫ

§ 6. Современные представления о молекулярном строении воды

Вода состоит из 11,19% водорода и 88,81% кислорода, причем характерно, что по объему водорода в 2,00285 раз больше, чем кис­ лорода.

Аномалии воды. При рассмотрении воды как физического тела в ней можно заметить много особенностей — аномалий, отличаю­ щих ее от большинства других физических тел. Наиболее важные из них следующие:

1.Из кинетической теории следует, что плотность тела при по­ вышении температуры должна уменьшаться. Плотность воды при повышении температуры от 0 до 4° С увеличивается. При 4° плот­ ность становится наибольшей и при дальнейшем повышении темпе­ ратуры уменьшается.

2.При замерзании вода увеличивает свой объем (почти на 10%). Плотность пресного льда равна 0,9 г/см3. Плотность большинства

других тел, кроме висмута и галлия, увеличивается при переходе из жидкого состояния в твердое.

3.Вода обладает большой удельной теплоемкостью. При плавле­ нии льда (0°) отмечается увеличение удельной теплоемкости с 0,49

втвердой фазе до 1,009 в жидкой. Затем теплоемкость воды до тем­ пературы около 40° уменьшается и только после этого начинает уве­ личиваться.

4.Лед обладает исключительно большой теплотой плавления, равной 79,4 калорий на грамм, т. е. вода и лед при 0° отличаются по содержанию скрытой энергии почти на 80 калорий.

5.Скрытая теплота парообразования очень велика — 539 кало­ рий на грамм при температуре 100°.

6.Диэлектрическая постоянная воды е при 20° равна 81 единице СГСЭ, а у большинства других тел она находится в пределах от 2 до 3 единиц.

37

Прямым следствием такой большой диэлектрической постоян­ ной, с химической точки зрения, является большое ионизирующее свойство воды (расщепление растворенных веществ на ионы) и па­ раллельная ей большая способность к растворению.

7.Коэффициент преломления света в воде п= 1,34. Между тем

как по волновой теории света, он должен был бы быть равным п =

= Уе =9.

Все эти аномалии объясняются строением молекулы и особен­ ностями структуры воды.

Молекулярное строение морской воды. Для выяснения строе­ ния молекулы воды рассмотрим, как расположены два атома (по­ ложительных иона) водорода относительно одного атома (отрица­ тельного иона) кислорода. Это можно сделать, исследуя тепловое движение молекулы, которое можно представить как сумму шести составляющих. Три из них характеризуют поступательное движение вдоль трех взаимно перпендикулярных осей, а три другие — враща­ тельное— вокруг тех же осей. Эти составляющие характеризуют шесть степеней свободы молекулы.

Максвелл и Больцман доказали, что при тепловом движении молекулы газа (а следовательно, и водяного пара) на каждую из степеней свободы приходится одинаковое количество кинетической

*-4 кт-

Полная кинетическая энергия грамм-молекулы любого газа, со­ держащей N молекул, будет

где М = 6,02472-1023 г/моль — постоянная Авогадро.

Произведение из постоянной Больцмана k и постоянной Авога­

С кинетической энергией связана теплоемкость газа при посто­ янном объеме, которая может быть подсчитана из соотношения

38