Введение к работе
Актуальность темы. Важной особенностью Арктического бассейна является нали-ше на поверхности мощного панциря многолетних льдов, но он не продстлвляет из себя сплошное покрытие. Ледяные поля разделены тргщинзми, каналами, разводьями, полыньями. Площадь разводий и полшей в летний период в центральной части Арктического бассейна составляет всего 5-20 %, а в зимний период -5-7 %.- Однакс, малая площадь разводий не говорит об их малой роли . в формировании термохалинной . и плотностной пространственной структуры поырхностных вод океана. Нарушение сплошности ледяного покрова оказывается важной характеристикой состояния поверхности океана, кото;у» необходимо учитывать при описании и объяснении особенностей гидрологического режима ледовитых морей и океанов. Покрывая целый год подавляющую часть Арктического бассейна, многолетние льды сильно препятствуют взаимодействию океана и. атмосферы. И,именно, разводья являются очагами подобного активного взаимодействия как в летний, так и в зимний периоды года по всей акватории центральной части Арктического бассейна.
Летом разводы! являются аккумуляторами солнечной энергии, в которых кроме втогэ еще накапливается талая вода, поступающая с поверхности, шлей толсти льдов, В результате образуется устойчивый прогретый распресненный слой, отделенный снизу от верхнего квазиоднородного слоя (ВКС) мощнейшим пикноклином и подверженный непосридстзенному атмосферному воздействию, эффективность проникновения которого в ВКС в виде прогрева и распреснения обуславливается устойчивостью термохалинной (плотностной) границы раздела. Процесс совместного тепло-солеобмена через плотноетную границу раздела между распресненными и солеными водами в летнем разводье, когда поле плотности определяется полем солености, совершенно не изучен. Исследование втоію процосса в сравнений с закономерностями совместного тепло-солепереноса через плотноетную границу при различных динамических режимах в слоях, полученными в лас ..раторкых
експериментах позволят понять, каким образом происходит взаимодействие океана и атмосферы в районе разводья и оценить эффективность Г'гого взаимодействия в летний период.
В зимний период разводье, покрываясь интенсивно растущим молодым льдом, также является областью активного взаимодействия атмосферы и океана в центральной части, Арктического бассейна. Кроме этого, зимнее разводье является областью активного развития свободной гравитационной термохалинной конвекции, отвечающей за постошшое интенсивное поступление соли в ВКС. В течение зимнего периода это определяет вертикальное развитие ВКС в Арктическом бассейне, а в некоторых регионах приводит к формированию пространственных аномалий солености (плотности) в верхнем слое океана. Зимняя термохалинная конвекция в арктических разводьях является совершенно не изученным процессом. Тем не менее исследование эволюции подледной термохалинной стратификации в приповерхностном слое зимнего разводья (ПСР), связанная с особенностями развития гравитационной конвекции будет способствовать пониманию физики вертикального конвективного солепереноса (массоаереноса) и выявлению ' закономерностей этого процесса.
Исходя из выше изложенного формулируются цели работы:
- исследовать формирование и еволізцйю" пространственной
термохалинной стратификации в разводье между ледяными полями в
центральной части Арктического бассейна в летний и зимний периоды
года;
определить особенности процесса совместного тепло-солепереноса через шютностную границу раздела между распресненными и солеными водами в летнем разводье;
- определить особенности развития зимней гравитационной
конвекции под тонкими льдами в разводье.
Основные задачи исследования состояли в следующем:
I. Провести натурные экспериментальные исследования еволюции пространственной термохалинной стратификации в разводье- в летний и зимний периоды года. Провести попутные ледовые экспериментальные
исследования, а так же метеорологические и визуальные наблюдения за различными феноменологическими явлениями, такими как внутриводное ледообразование, охлопывание турбулентных следов и.т.д.
2. Сопоставить выявленные особенности совместного
тепло-солепереноса через плотностную границу между распресненными
и солеными водами в разводье с закономерностями этого процесса,
полученными в лабораторных условиях.
3. Сравнить феноменологические особенности внутриводного
ледообразования в летнем разводье с результатами лабораторных
экспериментов по исследованию дифференциально-диффузионного
переохлаждения и последующего внутриводного ледообразования в
двухслойной системе при различных динамических режимах в слоях.
4. Определить особенности вертикального конвективного
солепереноса (массопереноса) в зимнем разводье и сравнить с
характеристиками конвективного движения под наростающим льдом,
полученных в лабораторных экспериментах.
5. Получить прямые оценки элементов конвективного движения в
подледном слое зимнего разводья.
Научная новизна заключается в следующем:
Т. Выполнены комплексные продолжительные натурные эксперименты . на .летнем разводье и исследован полный цикл формирования и эволюции пространственной термохалишюй и шютностной структуры в приповерхностном слое разводья (ПСР) в летний период. Выделены пять естественных периодов развития пространственной термохалинной структуры ПСР летом.
Z. Установлены особенности совместного тепло-солепереноса через плотностную границу между распресненными и солеными водами в разводье.
3. Получен ряд количественных оценок различных
теплофизических характеристик, динамических безразмерных
параметров, параметров устойчивости шютностной стратификации,
вертикальных потоков тепла и соли в летнем ПСР.
'4. Исследован феномен дифференцизльно-диффузиоішого
&
внутриводаого ледообразования в распресненном слое летнего разводья в течение всего летнего периода..
5. Проведен ряд оригинальных натурных экспериментов на зимних
разводьях различной ширины и протяженности, исследованы условия
формирования и еволюция подледной термохалинной стратификации в.
зимнем ПСР совместно с изменчивостью внешнего потока соли на
границе лед-вода. ,' . .
6. Выявлены особенности развития свободной термохалинной
конвекции в подледном слое зимнего разводья. ,
-
Произведены прямые оцеки элементов вертикального конвективного массопереноса в ПСР зимой.
-
Осуществлена параметризация елементов конвективного движения в ПСР зимой в зависимости только от измерлемых параметров термохалинной стратификации.
Нэ защиту выносятся следущие положения: .
1. Результаты оригинальных комплексных натурных исследований.'
в разводьях в арктических льдах в зимний и летний периоды года.
-
Феноменологическая модель формирования и эволюции пространственной термрхалинной и плотностной стратификации в летнем разводье. Установлено, что совместный тепле-солеобмен через мощный скачек плотности, разделяющий раопресненные и соленые воды в летнем разводье, в течение, всего периода ледотаяния осуществляется преимущественно в квазимолекулярном режиме, хотя динамическое режим слоев ' меняется от молекулярного до турбулентного.
-
Феноменологическая и балансовая модели внутриводного ледообразования в распресненном слое летнего разводья. Установлено, что в связи о сильной устойчивостью скачка плотности между распресненными и солеными водами в летнем разводье, дифференциально-диффузионное переохлаждение в 'распресненном слое слабое, поэтому скорость образования, внутриводного льда не значительная. Интенсификация внутриводного ледообразования, при молекулярно-турбулентном режиме обмена через пикноклин,' отмечается на заключительной стадии эволюции распресненного' слоя в летнем
разводье. .
4. Феноменологическая модель формирования и трансформации
термохалинной и плотностной стратификации в зимнем разводье.
. Установлено:
свободная гравитационная конвекция формирует окружающую среду в зимнем разводье (в условиях гидродинамической тени) и в втом олучае является процессом вертикального размешивания - расслоения, а не процессом вертикального перемешивания;
свободная гравитационная конвекция в зимнем разводье является термохалинной, а не однокомпонентной; в связи с етим в подледном слое создаются условия для дифференциальной диффузии при которых становится возможным- длительное существование неустойчивой плотностной стратификации в разводье, когда при конвективном масоопереносе достигается динамическое равновесие;
. - в зимнем разводье гравитационная конвекция имеет перемежающийся ярусный характер развития, но не достигает турбулентной стадии развития. Поэтому при развитой. конвекции вертикальные движения в подледном слое разводья являются не турбулентными.
5. Прямые оценки элементов конвективного переноса в зимнем
разводье.
Практическая ценность..Полученные в работе результаты имеют значение для продвижения в понимании закономерностей вертикального переноса в поверхностном олое полярных акваторий покрытых льдом. Они могут быть использованы для верификации граничных условий и параметризации вертикальных потоков тепла и соли(массы) в оовмеотных крупномасштабных ледово-гидродинамических моделях океана, климатических моделях,, а также в разномасштабных моделях взаимодействия океана и атмосферы в Арктическом бассейне. Кроме втого, полученные результаты представляют интерес для проверь результатов различных лабораторных вкспериментов: по исследованию совместного тепло-солепереноса через плотностше границы раздела; по исследованию дифференциально-диффузионного ледообразования в двухслойной системе; по исследованию свободной гравитационной конвекции в подледном слое. ,
&
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и
обсуждались на семинарах лаборатории гидрологического режима
Северного Ледовитого океана отдела океанологии ДАНИИ (1991 - 1995
г.г.); на секции ученого совета ААНИИ (1993 г.); 3-й Всесоюзной
конференции "Вихри и турбулентность в океане" (г.Светлогорск, 1990
г.), 7-м Международна ежегодном заседании рабочей" группы
"Л&бораторное моделирование динамических процессов в океане" по
теме "Процессы переноса в океане и их лабораторные модели"
(г.Москва, IS93 v.). , '
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав/заключения и списка использованной литературы. Общий объем работы составляет 203 страницы, включая 48 рисунков и 7 таблиц. Список литературы насчитывает 70 наименований.
Похожие диссертации на Эволюция термохалинной и плотностной структуры приповерхностного слоя разводий в арктических льдах
