WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
НАУКИ О ЗЕ МЛЕ НАУКИ О ЗЕ МЛЕ ПРИДОННЫЕ ГРАВИТАЦИОННЫЕ ТЕЧЕНИЯ В ОКЕАНЕ В. А. ГРИЦЕНКО Калининградский государственный университет ВВЕДЕНИЕ В морях и океанах, реках и озерах часто встречается заBOTTOM GRAVITY CURRENTS мечательное явление – придонные гравитационные теIN THE OCEAN чения. Так принято называть потоки более тяжелой воды, распространяющиеся вблизи дна под слоем более V. A. GRITSENKO легкой. Обычно различают два типа придонных гравитационных течений: термохалинные и мутьевые или The general physics-geographical characterisвзвесенесущие. В первом случае отличие водной массы tics of ocean bottom gravity currents is given.

течения определяется разницей в температуре или соOne natural example of a similar current is лености по сравнению с вышележащими слоями воды (что и породило их название от объединения двух слов:

illustrated with a quantitative model of the thermo – тепло и halite – соль), во втором – большая intrusions of the North Sea water masses in the плотность придонного слоя определяется наличием Baltic Sea.

взвешенного материала. Наиболее известные придонные течения термохалинного типа связаны с распростПриведена общая физико-географическая ранением на север антарктической донной воды, один характеристика придонных гравитацион- из главных источников которой находится в море Уэдделла, и средиземноморской промежуточной воды поных течений в океане. При помощи численвышенной солености Атлантического океана. Более тяной модели проиллюстрирован один из прижелая средиземноморская вода проникает в Атлантику меров распространения североморских вод через глубинную часть Гибралтарского пролива и по в Балтийском море.

выходу из него устремляется вниз по материковому склону, отрывается от дна и распространяется в дальнейшем по соответствующей изопикнической поверхности.

Составляя менее 0,01% вод Атлантического океана, средиземноморская промежуточная вода повышенной солености занимает в Атлантике огромную площадь, простирающуюся на северо-востоке до Ирландии, на юго-западе до острова Гаити и на юге почти до 10° с.ш.

Наиболее важное свойство придонных гравитационных течений – слабое перемешивание через границу раздела. Оно порождается сложной структурой турбулентности в потоке и как следствие обеспечивает их распространение на очень большие расстояния, например антарктической донной воды – от Антарктиды до Бермудского поднятия, то есть почти через весь Атлантический океан. О существовании придонных потоков известно очень давно из-за хорошей видимости границы раздела придонного потока и вышележащей менее плотной воды. Еще в 35 году до н.э. Страбон соwww.issep.rssi.ru общал, что втекающие воды реки Роны не перемешиваются с водой озера, ныне называемого Женевским.

СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, №1, Гриценко В.А., © НАУКИ О ЗЕ МЛЕ А в 77 году н.э. Плиний Старший предпринял попытку а более подробного рассмотрения этого явления.

Направление течения ЛАБОРАТОРНЫЙ ПОРТРЕТ ПРИДОННЫХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ТЕЧЕНИЙ Несмотря на широкую распространенность придонных течений, данные натурных наблюдений о них весьма неполны и отрывочны. Для облегчения понимания сути излагаемых результатов обратимся к лабораторному эксперименту, который поможет увидеть явление цеб ликом и составить интуитивно зрительный образ объекта исследований.

Итак, в гидродинамическом лотке, представляющем собой большой аквариум размером 3 м 30 см 40 см со специальным набором устройств для подачи и слива воды, в покоящуюся пресную воду в придонной области подавали соленую воду. Разность плотностей в экспериментах была равной 0,005 г/см3, то есть 0,5% плотности пресной воды. Созданный таким образом придонный поток двигался с различной скоростью в пределах от Рис. 1. Фотографии головной или фронтальной части придонных гравитационных течений в гидролот1 до 8 см/с. Регистрацию структуры течения осуществке. Скорости распространения фронта течений на ляли подкраской соленой воды с последующей фото- и фотографиях отличаются примерно в два раза: а – киносъемкой. На рис. 1, а приведена фотография типич2 см/с, б – 5 см/с. Перепад плотности между водныного вида головной части придонного течения. Отчетли- ми массами составляет 0,005 г/см3. На снимке (а) отчетливо видна овальная форма фронта течения и во виден вращательный характер движения жидкости в обычно наблюдаемый изгиб изопикнических линий голове течения, ось вращения которого нормальна понепосредственно за головой течения (отмечен красверхности фотографии. Образовавшийся в головной ной стрелкой), на снимке (б) – деформация линий части течения вихрь быстро приобретает почти стацио- тока перед распространяющимся фронтом придонного течения нарную форму. В лотке он успевал полностью оформиться через 30–40 см от входного створа и сохранялся РАСПРОСТРАНЕНИЕ практически до самого конца лотка. В зависимости от величин перепада плотности и скорости подачи соле- СЕВЕРОМОРСКИХ ВОД В БАЛТИКЕ ной воды очертание головной части может несколько Известно, что периодические затоки вод Северного моизменяться: при большей скорости в голове течения ря играют большую роль в экосистеме Балтики. Дейстнаблюдаются почти круглые вихри, размеры которых вительно, из-за наличия тонкого слоя с большими версовпадают с толщиной потока (рис. 1, б). В этом случае тикальными градиентами плотности Балтийское море очертания головной части менее гладкие, а жидкость разбивается по вертикали на два слоя: верхний, одновнутри языка более перемешана; при меньшей скорородный, подверженный волновому перемешиванию и сти горизонтальные размеры вихря превышают вертисильно распресненный из-за обилия речного стока и кальные, и хорошо видна его овальная форма с харакпридонный – соленый, формирующийся под действитерным уменьшением толщины потока за головной ем вод Атлантического океана. В результате Балтийчастью (см. рис. 1, а). Непосредственно за головной или фронтальной частью течения следует невозмущен- ское море оказалось подверженным явлению стагнации, когда содержание кислорода в глубинных водах ная часть придонного течения одинаковой толщины по уменьшается вплоть до образования придонных серовсей длине лотка.



водородных слоев воды и бентосных пустынь. Время от Полученные в лабораторных экспериментах ревремени через мелководные Датские проливы в Балтизультаты показали вихревой характер распространения ку вторгаются значительные объемы североморских головной части придонного течения. Оказалось, что вод большой солености и плотности. С 1880 по 1994 год визуально придонное гравитационное течение имеет их насчитывалось 111. Вентиляция донных слоев провид языка более тяжелой, чем вышележащая, воды с утолщением-вихрем в его голове и скольжением по ли- исходит, как считают, за счет формирования мощных нии дна. Обратимся теперь к описанию конкретного придонных гравитационных течений только во время примера придонного течения в Балтийском море. вторжений очень больших объемов соленых (до 20‰) ГРИЦЕНКО В.А. ПРИДОННЫЕ ГРАВИТАЦИОННЫЕ ТЕЧЕНИЯ В ОКЕАНЕ НАУКИ О ЗЕ МЛЕ североморских вод в Балтику, происходящих в среднем склону, а также их турбулентный режим с почти изораз в десять лет. Менее мощные или обычные затоки тропными пульсационными движениями внутри языка североморских вод многократно возникают ежегодно, течения. Большие вертикальные градиенты плотности однако запаса их отрицательной плавучести не хватает на верхней границе гравитационных течений и перемедля погружения на дно Балтики и вытеснения находя- жающийся характер движения в придонной области щихся там водных масс. делают трудно применимыми сложные модели турбулентности при построении численной модели. Поэтому Итак, воды Северного моря проникают в Балтику в для учета турбулентности было использовано понятие виде придонных гравитационных течений, которые эффективной вязкости (некоторого аналога молекураспространяются по горизонтальному дну или его лярной вязкости), что позволило учесть в модели разсклону, преодолевают слой быстрого роста плотности ницу в интенсивностях пульсационных движений и пеморской воды по вертикали, или пикноклин, переваремешивания внутри и вне языка придонного течения.

ливают через подводные пороги. На рис. 2 приведен Как оказалось, учитывая это и некоторые другие вертикальный разрез, полученный в августе 1997 году в предположения удается составить исходную систему проливе Хатрарне в Балтийском море во время 34-го основных уравнений будущей модели [1, 2]. Фактичесрейса НИС “Профессор Штокман”, на котором зафикки они представляют собой балансы по массе и импульсированы уже произошедший отрыв придонного течесу жидкости [3], двигающейся через геометрическое ния от склона дна и формирование течения, распростпространство модели, записанные в дифференциальраняющегося по своему горизонту плавучести. Такие ной форме и учитывающие все основные факторы затечения принято называть интрузионными. Рассмотрим дачи, – наличие градиента давления, порождающего теперь основные фазы процесса распространения вод течение, силы тяжести и плотностной неоднородности Северного моря в Балтийском при помощи численной воды, а также разномасштабность процессов перемемодели придонных течений [1, 2].

шивания в течении.

Небольшие вертикальные пространственные масЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ штабы придонных гравитационных течений и в БалПРИДОННЫХ ТЕЧЕНИЙ тике, и в океане делают естественным для рассматриИзвестен [4–6] устойчивый характер распространения ваемой задачи условие вязкого прилипания на линии придонных гравитационных течений по дну или его дна. Вместе с тем известно [3], что толщина вязкого Глубина, м 0 Направление течения 4 20 40 8 6 9 9 10 7 9 60 11 12 80 0 5 10 15 20 25 30 35 0 5 10 15 0 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Расстояние, км Рис. 2. Отрыв от склона дна североморских вод в Балтийском море и зарождение интрузионного течения, зарегистрированные сканирующим зондом в западной части Борнхольмской впадины в августе 1997 года во время 34-го рейса научно-исследовательского судна “Профессор Штокман”. Очертания головы течения легко угадываются по подкраске цветом и изолиниям плотности = 8,0 и = 11,0 ( = ( - )/ ). Приведенный разрез люt t t 0 безно предоставлен Н.Н. Голенко (АО ИО РАН) СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, №1, НАУКИ О ЗЕ МЛЕ погранслоя на дне составляет незначительную часть процесс выравнивания (параллельно дну) изолиний всей толщины придонного потока, а его существова- плотности после прохождения фронта придонного тение, как известно [1, 2, 5], не приводит к дестабилиза- чения, которое свидетельствует о превращении течеции придонного течения. Поэтому вязкое прилипание ния в плоскопараллельное, горизонтально однородное, жидкости на дне было заменено на условия скольже- обычно регистрируемое в натурных экспериментах [4, ния и непротекания [1, 2], то есть на равенство нулю 5]. Характерные значения всех основных величин были нормальных к линии дна производных скорости. Это выбраны следующим образом: = 1 г/см3 – характерпозволило сосредоточить внимание на процессе про- ная плотность воды, g = 982 см/с2 – ускорение силы тяникновения одной водной массы в другую и не рассматжести, h0 = 5 см, u0 = 5 см/с, = 0,001 г/см3 – соответривать достаточно тонкие вопросы, связанные с учетом ственно толщина, скорость и избыточная плотность или явным описанием в модели вязкого пограничного водной массы придонного течения во входном створе слоя на дне. Все сказанное выше учитывается на уровне (то есть выбранные масштабы течения в гидролотке).





системы непрерывных дифференциальных уравнений Как следует из рис. 3, рассчитанная на модели форма в частных производных, записываемой в переменных фронта хорошо качественно совпадает с зарегистриро w ванной в лабораторном эксперименте, что подтвержда ----завихренность = u – ------ – функция тока z x ет работоспособность численной модели. Также хоро - ------ = –w [3]. Такой выбор переменных явля- шо выражен и эффект изгиба внешней границы головы ------ = u, - течения, отмечаемый во всех экспериментальных ра z x ботах. Среди отличий деталей структур течений в чисется традиционным в вычислительной гидродинамике ленном и лабораторном экспериментах следует отмеи позволяет исключить из рассмотрения достаточно тить расположение вершины фронта течения (на рис. трудоемкое в расчетах поле давления. Точное аналитическое решение модельных уравнений, как правило, невозможно из-за сильно нелинейного характера всей Направление системы дифференциальных уравнений задачи. Для по- течения 0,0,0,лучения численного решения (всегда приближенного) 0,0,0,выполняется переход к дискретным, алгебраическим 0,0,0,1,1,1,0,0,0,05 0,0,0,уравнениям, которые, собственно, и составляют чис0,0,0,0,0,0,ленную или, точнее, компьютерную модель решаемой задачи. Компьютерную – поскольку все расчеты мо- 0 25 50 75 гут быть сделаны только на компьютере, причем, чем 0,0,0,подробнее модель учитывает условия задачи, тем бо0,0,0,лее мощные компьютеры требуются для выполнения 1,1,1,0,0,0,1,1,1,расчетов.

10 0,0,0,0,0,0,0,0,Конкретные расчеты на модели выполняются до- 0,0,0,0,статочно просто: сначала задают все неизменные ус0 25 50 75 ловия задачи, например непротекание жидкости через твердое дно, конфигурация линии дна и т.п. Затем че1,1,1,рез одну из границ в модельное пространство подается 1,1,1,вода или, как в рассматриваемой задаче, порождается 0,0,0,0,0,0,придонное течение, в большей или меньшей степени 0,0,0,0,0,0,соответствующее реальным условиям морской среды.

Получаемые в расчетах результаты позволяют строить 0 25 50 75 Расстояние, см все необходимые графики, достаточно полно представляющие модельное течение.

Рис. 3. Тестовый расчет задачи распространения придонного течения по горизонтальному дну. ПолуРЕЗУЛЬТАТЫ ченные на модели распределения изолиний избыЧИСЛЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ точной плотности = ( - )/ (черные) и функции 0 тока (красные) для трех моментов времени. ЗнаВ качестве тестовой была выбрана задача распростране- чения на изолиниях плотности меняются от 0,05 до 0,8 с шагом 0,15; на изолиниях функции тока – от 0,ния головной части или фронта придонного гравитацидо 1,3 с шагом 0,2. Характерные масштабы течения:

онного течения по горизонтальному дну [1]. На рис. u0 = 5 см/с, h0 = 5 см, = 0,001 г/см3. Стрелкой на приведена рассчитанная на модели последовательность рисунке обозначено положение вершины фронта тетрех фаз этого течения. На графиках отчетливо виден чения, расположенной непосредственно на линии дна ГРИЦЕНКО В.А. ПРИДОННЫЕ ГРАВИТАЦИОННЫЕ ТЕЧЕНИЯ В ОКЕАНЕ Глубина, см Глубина, см Глубина, см НАУКИ О ЗЕ МЛЕ отмечена стрелкой). В численных экспериментах она заметно улучшил форму фронта придонного течения, располагается всегда на дне, в то время как в лаборатор- сделав ее на качественном уровне полностью адекватных экспериментах она расположена на расстоянии ной данным лабораторных экспериментов.

примерно 1/6–1/8 толщины придонного потока от дна, Итак, численная модель справилась с описанием то есть всегда приподнята над дном. Данное отличие процесса распространения придонного течения по гообъясняется выбором условия скольжения жидкости ризонтальному дну. Оказалось, что в случае перехода к на дне модельного пространства. В самом деле, данное расчету с наклонным дном придонное течение сохраобстоятельство не позволяет “прилипать” воде за счет няет все основные черты [1, 2]. Несколько увеличивается лишь относительная толщина головной части темолекулярной вязкости на дне, тем самым полностью чения из-за уменьшения стабилизирующей роли силы исключая из модели вязкое порождение завихренности на нижней границе придонного течения. На рис. 4 при- тяжести, ее величина определяется проекцией на нормаль к верхней границе потока. Вода в модельном проведены распределения изолиний плотности, функции странстве однородна, и поэтому никакого отрыва течетока и завихренности, полученные при расчете с учений от дна не происходит.

том вязкого прилипания на дне. Из графиков следует, что в головной части течения образуется вихрь; макси- Вернемся к исходной задаче распространения севемум завихренности достигается на верхней лобовой ча- роморских вод в Балтике по склону дна [1, 2]. На рис. (левый ряд) приведены последовательные фазы мости фронта течения. Используя аналитический подход дельного аналога этого процесса. Характерные масудалось показать, что данный вихрь порождается из-за штабы в расчетах были взяты исходя из условий Балнесовпадения изолиний плотности и давления в голове тийского моря: h0 = 10 м, u0 = 10 см/с, = 0,0001 г/см.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.