Введение к работе
Актуальность Темы. За последние два десятилетия при проведении натурных исследований были зафиксированы многочисленные случаи изменчивости ион-хлорных и ион-соленостных отношений в различных регионах Мирового океана. Наблюдаемая изменчивость свидетельствует о нарушении принципа Марсета, господствовавшего в океанологии до. последнего времени и постулирующего постоянство относительного ионного состава морской воды.
Анализ результатов натурных исследований изменчивости относительного ионного состава морской воды в различных регионах Мирового океана показал, что использование представления о морской воде, как о двухкомпонентном растворе электролита может приводить к значительным погрешностям при определении ее гидрофизических и гидрохимических параметров. Например, к значительным ошибкам при определении солености кондуктометрическим способом, которые могут возникать из-за вариаций ион-хлорных и ион-соленостных отношений.
Поэтому необходимо перойти к качественно новому представлению о морской воде, как о многокомпонентном растворе электролита. Данное представление предполагает учет индивидуальных физико-химических свойств ее отдельных компонентов при протекании различного рода процессов, в том числе различных видов массопереноса.
Изменчивость относительного ионного состава может возникать под действием различных механизмов массопереноса: физических , биологических и др. К физическим механизмам относятся: дифференциальный тепло- и массообмен, например, молекулярные процессы, связанные с тонкой структурой ( дифференциально-диффузионная конвекция, диффузия, термодиффузия), а также смешение вод с различными величинами ион-соленостных отношений, речной сток, таяние и
образование льдов, атмосферные осадки, вынос ионов с брызгами в атмосферу, магнигогидродинамический эффект и др. К биологическим механизмам относятся седиментация и вынос отдельных ионов морской воды с потоком новообразованного органического вещества отдельных ионов морской воды. Оиоассимиляция и т.д-.
Поскольку морская вода является многокомпонентным раствором электролита, а ионы морской воды значительно различаются по своим физико-химическим свойствам, то можно предположить, что дифференциальная диффузия компонентов морской воды в области тонкоструктурных неоднородностей, которая характеризуется резкими перепадами термодинамических потенциалов, может приводить к нарушению постоянства относительного ионного состава, по крайней мере, на масштабах тонкой структуры.
Например,' плотностные границы (прослойки) раздела вод в океане являются своеобразными барьерами для перемешивания, где сила плавучести частично или полностью подавляет турбулентный обмен мекду слоями, поэтому весьма вероятно, что плотностные границы в ступенчатой структуре , где осуществляется послойная дифференциально-диффузионная конвекции, являются своеобразными мембранами , разделяюодами быстро" и медленно диффундирующие компоненты солевого состава. В связи с этим, особый интерес у исследователей вызывает изучение возможности возникновения изменений относительного ионного состава морской воды под влиянием молекулярных механизмов тепло- и массопереноса, связанных с.тонкой структурой: дифференциально-диффузионной конвекцией, диффузией, термодиффузией.
Цель работы заключалась в изучении процессов тепло- и массопереноса компонентов основного солевого состава морской воды в лабораторных условиях , близких к" океанским; а также исследование
полей концентраций отдельных компонентов в океане при наличии тонкой структуры гидрофизических полей.
В основные задачи данного исследования входило:
- натурные исследования тонкоструктурных неодйородностей гидрофи
зических и гидрохимических полей.
лабораторное исследование процессов вертикального перераспределения концентраций компонентов основного солевого состава морской воды при наличии вертикального градиента температуры;
лабораторное исследование вертикального тепло- и массообмена между слоями в двуслойной стратифицированной жидкости;
Выносимые на защиту положения диссертационной работы сводятся к следующему :
-
Экспериментально в лабораторных и натурных условиях выявлен механизм пространственного перераспределения концентраций компонентов морской воды при наличии вертикального градиента температуры.
-
Экспериментально в лабораторных условиях выявлен эффект относительного перераспределения концентраций ионов основного солевого состава морской воды между слоями в двуслойной конвективной системе.
-
Разработана модель процессов тепло- и массопереноса в двуслойной конвективной системе, на основе которой может быть описано
отношение эффективного коэффициента переноса компонентов к молекулярному с помощью полуэмпирической зависимости от числа Шмидта и параметра RD.
4. На основе результатов численного моделирования проведена оцен
ка величины'относительного перераспределения концентраций компо
нентов при протекании дифференциально-диффузионной конвекции по
типу послойной конвекции и солевых пальцев в океанских условиях. Выявлено, что относительное изменение солевого состава опре-- деляэтся вегачиной градиента солености между контактирующими сло-. ями и значением солености в том слое, в котором проводятся измерения.
Научная новизна диссертации состоит в следующем:
-
экспериментально установлено-существование эффекта перераспределения компонентов основного солевого состава морской воды, находящегося в неоднородном температурном поле и в двуслойной конвективно перемешиваемой жидкости;.
-
получены полу эмпирические зависимости для эффективных коэффициентов переноса компонентов основного солевого состава через границу раздела слоев в двуслойной конвективно перемешиваемой жидкости от диффузионных констант и параметра R-;
-
проведены численные оценки величины эффекта перераспределения компонентов основного солевого состава морской воды для реально существующих в океане' высокоградиентных прослоек в ступенчатых структурах, охваченных послойной конвекцией и солевыми пальцами.
-
проведены натурные экспериментальные исследования ионного состава морской воды в области тонкоструктурных температурных неод-нородностел в некоторых регионах МО и зафиксирована изменчивость ион-хлорных отношений.
Практическая ценность работы. Полученные в работе результаты могут быть использованы для оценки возможного эффекта пространственного разделения концентраций компонентов морской вода при дифференциально-диффузионной конвекции в океане, а величины изменчивости ион-хлорных и ион-еоленостных отношений, полученные в результате подобной оценки могут использоваться для высокоточной ин-
дикации различных водных масс в дополнение к их индикации по тем-пературе и солености. Кроме того, на основе полученных величин изменчивости можно оценить ошибку, возникающую за счет изменения относительного ионного состава, при измерении солености кондукто-метрическим способом.
Установленная взаимосвязь механизмов перераспределения ионов морской вода с вертикальной- термохалішной структурой позволяет выявить регионы Мирового океана, благоприятные для формирования неоднородностей физико-химических полей, связанных с изменениями ионного состава , что имеет практическое значение при проведении океанографических исследований, а также для Военно-Морского Флота.
Апробация результатов диссертационной работы проводилась на отраслевой научно-технической конференции в ЦНИИ им. акад. А.И.Крылова (1985), на научно-технической конференции молодых ученых и специалистов в ЦНИИ Гранит (1985), на Всесоюзной конференции Проблемы стратифицированных течений в Каневе (1991), на Всесоюзной школе по техническим средствам и методам освоения океана в ИОАН (1991). а также на научных семинарах в СП0У и ИОАН.
Публикации. По теме диссертации опублковано 6 работ.
Обьем и структура диссертации. Диссертациия объемом 170 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитированной литературы ( 112 наименований ), содержит 42 рисушса и 14 таблиц.
