Файл: Океанография и морская метеорология учебник..pdf

средними экстремальными для основных типов водных масс Мирового океана, можно отнести данные водные массы к тому или иному типу.

В приведенном на рис. 33 примере значения Г, S-ин­ дексов оказались близкими к характеристикам, при­ сущим:

—поверхностной арктической (вершина Я );

—глубинной атлантической (Л);

—донной (Д).

Построение Т, S-номограмм для определения про­ центного содержания водных масс. Если основные типы водных масс в данном районе установлены, несложно построить специальную номограмму, позволяющую

угольники) смешения, вершинами которого будут сред­ ние из экстремальных значений температуры и солено­ сти установленных типов вод (рис. 34). Каждая из вер­ шин треугольника соответствует 100% данной воды. От вершины к противолежащей стороне треугольника про­ центное содержание этой воды уменьшается (пропор­ ционально расстоянию) до нуля (на противолежащей стороне). Поэтому, разбивая на равные отрезки рас­ стояние от вершин до противолежащих сторон линиями, параллельными этим сторонам, получают шкалы про­ центного содержания каждой из трех вод [60].

Номограмма позволяет решать две задачи:

— проверить правильность выбора основных водных масс в данном районе;

—■установить процентное содержание этих основных вод в исследуемой воде.

Для решения первой задачи по данным отдельных океанографических станций выбирают точки (глубины) с характерными (крайними) значениями температуры и солености и наносят их на Т, S-диаграмму. Если пре­ обладающее большинство точек при этом попадает в треугольник смешения, то, очевидно, Т, S-индексы для выбранных типов вод установлены правильно. Если же большинство точек ложится вне треугольника смеше­ ния, то следует считать, что или основные водные массы

были установлены неверно, или в данном водоеме суще­ ствуют другие, не учтенные нами типы водных масс.

Для определения процентного содержания вод в ис­ следуемой воде необходимо по ее температуре и соле­ ности нанести точку на Т, 5-номограмму и, интерполируя на глаз между основными линиями, получить искомые величины. Так. например вола с температурой Т —

= —0,32° и соленостью 5 = 34,26%о (рис. 34, точка m )

содержит 20% поверхностной арктической, 50% атлан­ тической глубинной и 30% донной водных масс.

Применение статистического объемного Т 5-анали­ за. Этот метод как метод количественного анализа вод­ ных масс обладает определенными преимуществами пе­ ред другими методами и поэтому получает в океаногра­ фии все большее распространение. Он дозволяет изу­ чать глубинную циркуляцию вод, районировать водные массы Мирового океана, выделять наиболее крупные водные массы, определять их Г, 5-индексы и объемы, вычислять запасы тепла и солей.

180

подсчитанные объемы вод в км3, имеющих соответст­ вующие значения температуры и солености [15].

Приведенная статистическая объемная Т, S-диаграм­ ма Красного моря (по Б. И. Дубровину) позволяет утверждать, что водные массы этого моря характери­ зуются чрезвычайной однородностью: только на долю одного класса (с Т= 20—22° и S = 40,5—41,0%0) прихо­ дится 75%, а на три самых крупных класса (выделен­

ношению ко всему объему моря, вычисляют произве­ дения Si на среднюю соленость колонок и Ег — на сред­ нюю температуру слоев. Средневзвешенные значения температуры и солености находят делением сумм этих

а рассчитанная по этим данным средняя плотность мор­

181

182

Районирование водных масс. Для более наглядного представления о том, как в пространстве распределены разные типы водных масс, на заключительном этапе Т, 5-анализа осуществляется построение графиков верти­ кального распределения водных масс на разрезах и карт их географического распределения. Построение та­ ких графиков и карт ничем не отличается от построения обычных графиков и карт, которые принято строить для температуры и солености.

§ 17. ПЕРЕМЕШИВАНИЕ И УСТОЙЧИВОСТЬ ВОД ОКЕАНА

Виды перемешивания. В океанах и морях постоянно происходят процессы, которые существенно изменяют их физико-химические характеристики, а именно: поглоще­ ние и излучение радиации и тепла, выпадение осадков, испарение, образование и таяние льдов, материковый сток, жизнедеятельность организмов и другие факторы, которые протекают по-разному в различных районах, на различных глубинах и в разные сезоны года, обусловли­ вая неоднородность физических полей в океане, и прежде всего неравномерное распределение плотности и (связанное с этим) появление вертикальных и горизон­ тальных градиентов. Неравномерное распределение вод­ ных масс различной плотности в поле силы тяжести не­ избежно вызывает процессы, направленные на вырав­ нивание характеристик и уничтожение градиентов. Эти процессы, называемые перемешиванием, относятся к числу важнейших элементов гидрологического режима, так как они в значительной степени определяют особен­ ности всей совокупности гидрофизических процессов, протекающих в пределах термоклина. Перемешивание вовлекает в интенсивную циркуляцию значительные объемы вод океанов и морей, и только глубоководная зона океанической стратосферы принимает в ней огра­ ниченное участие. Значение перемешивания в жизни океана огромно. Благодаря ему солнечное тепло, погло­ щаемое тонким поверхностным слоем, передается на глубины, сохраняется постоянство солевого состава, при­ донные воды получают кислород, а поверхностные — питательные (биогенные) вещества, накапливающиеся в придонных водах. Перемешивание приводит к образова­

183

нию водных масс и принимает существенное участие в их трансформации.

По предложению Н. Н. Зубова помимо молекуляр­ ного перемешивания, обусловленного хаотическим теп­ ловым движением молекул, выделяют еще два вида пе­ ремешивания: фрикционное (преимущественно ветровое или волновое) и плотностное (конвективное, преимущест­ венно-вертикальная зимняя циркуляция).

По характеру движение жидкости может быть либо ламинарным, либо турбулентным. Турбулентное движе­ ние возникает в результате трения слоев воды один о другой при их движении и сопровождается беспорядоч­ ными пульсациями (флуктуациями) гидродинамических полей. Траектории движения частиц воды при этом ока­ зываются весьма сложными и запутанными. Скорость и давление потока, измеренные в данной точке океана, быстро меняются во времени. Переход от спокойного, ламинарного, движения к вихревому, турбулентному, в жидкостях зависит не только от скорости движения, но и от природы жидкости и толщины потока и происходит при достижении критических значений числа Рейнольд­ са, определяющих характер движения вязкой жидкости:

ѵ = ~ — кинематическая вязкость;

Р

р— динамическая вязкость; р— плотность жидкости.

Исследования показывают, что в океанах и морях числа Re практически всегда превышают критические значения, и поэтому в общем случае и фрикционное и плотностное перемешивание имеет не ламинарный, а турбулентный характер.

Фрикционное перемешивание в океане несколько на­ поминает молекулярное перемешивание, однако в нем участвуют не отдельные молекулы, а большие объемы морской воды, что и определяет значительную интенсив­ ность перемешивания. Происходит оно как в вертикаль­ ном, так и в горизонтальном направлении, однако вер­ тикальная . и горизонтальная составляющие турбулент­

184

ности сильно различаются по интенсивности и масшта­ бу. Эти различия возникают, во-первых, из-за того, что горизонтальные размеры перемешиваемых объемовводы гораздо больше вертикальных, и, во-вторых, из-за влия­ ния устойчивости. Сказанное подтверждается следую­ щим экспериментом: радиоактивное вещество, выпущен­ ное ниже слоя скачка плотности, распространилось за­ тем вдоль изопикнической * поверхности на площади около 100 км2, в то время как вертикальное распростра­ нение не превысило 1 м.

В числе главных причин, вызывающих фрикционное перемешивание, следует указать на волнение, течения и приливы. Приливное перемешивание сказывается сильнее на мелководных участках и в отличие от ветро­ вого, распространяющегося сверху, распространяется от берегов в сторону открытого океана и снизу (от дна) вверх. Этот вид перемешивания носит периодический характер.

Конвективное перемешивание возникает при умень­ шении плотности воды с глубиной и происходит только в вертикальном направлении независимо от характера движения перемешиваемых вод. Увеличение плотности воды в поверхностных слоях океана может возникнуть либо в результате охлаждения, либо в результате осолонения, либо в результате одновременного охлаждения и осолонения вод. Необходимо отметить, что даже не­ значительных изменений (температуры на 0,01°, соле­ ности на 0,01 %о) достаточно для того, чтобы вызвать конвекцию в любой сезон года. Так, например, в ре­ зультате ночного охлаждения возникает конвективное перемешивание, распространяющееся иногда до глуби­ ны 20 м.

Влияние изменений солености на интенсивность кон­ векции существенно в основном в морях с малыми го­ довыми амплитудами температуры, где осолонение по­ верхностных вод происходит либо за счет льдообразо­ вания (большинство арктических морей), либо за счет большого испарения в сочетании с малыми суммами осадков (Красное, Средиземное моря).

* Изопикническая поверхность — поверхность равных значений плотности.

185

В большинстве же районов Мирового океана наи­ более интенсивное конвективное перемешивание проис­ ходит в результате длительного охлаждения поверхно­ стных вод в осенний и зимний сезоны. Этот тип переме­

Рис. 36. Схема образования холод­ ного промежуточного слоя:

abode— в результате вертикальной зимней циркуляции; а'(а") bcde~- по мере летнего прогрева

конвекция, зависят от интенсивности и продолжитель­ ности охлаждения, определяющих изменение плотности поверхностных вод, и от характера распределения плот­ ности по глубине. Конвекция будет распространяться до тех глубин, на которых опускающиеся воды встре­ тят воды с плотностью, равной собственной. Глубина проникновения длительной сезонной конвекции дости­ гает 250—300 м и более, а в некоторых районах Миро­ вого океана, например в Норвежском и Гренландском морях, достигает дна. Нередко вертикальная зимняя циркуляция усиливается предшествующим осолонением вод в результате интенсивного летнего испарения (Сре­ диземное море), а также уплотнения поверхностных вод вследствие фрикционного перемешивания. Это явление,

186