Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Лабораторное исследование структуры свободной конвекции с океанологическими приложениями

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Лабораторное исследование структуры свободной конвекции с океанологическими приложениями"

РГЗ од 1 1 ПО!] 1335

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ имени П.П.ШИРШОВА

На правах рукописи.

Дикарев Сергей Николаевич

ЛАБОРАТОРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ С ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРИЛОЖЕНИЯМИ.

Специальность 11.00.08 - океанология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

МОСКВА 1996.

Работа выполнена в Институте океанологии РАН им.П.П. Ширшова.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук.

профессор |К. н.Федоров|

кандидат физико-математических наук А. Г. Зацепин.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Б. М. Бубнов,-доктор физико-математических наук В.М.Журбас.

Ведущая организация : Физический факультет Московского государственного университета им. 'М.В.Ломоносова.

Защита состоится " _ 1996г. в ■ час.-

на заседании Специализированного совета в Институте океанологии им.П.П.Ширшова по адресу: Москва, ул.Красикова 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океанологии.

Автореферат разослан 1996г. ...

Ученый секретарь

Специализированного: совета . — ^

кандидат географических наук \ ,, У Панфилова. С. Г.

~ т/ Щ/..

Общая характеристика работы.

Исследование закономерностей конвективных процессов в океане входит в число традиционных задач физической океанологии. Испарение, • контактный теплообмен и эффективное тепловое излучение создают необходимые условия для возникновения конвекции при термодинамическом взаимодействии между атмосферой и океаном. В диссертационной работе с помощью лабораторных экспериментов и анализа натурных данных рассматривается' структура свободной конвекции в типичном для термогидромеханики окружающей среды перемежающемся (турбулентном) режиме. Структура конвекции в контексте диссертации определяет пространственные и временные масштабы изменчивости температуры, солености, пассивных.примесей'и скорости в процессе приспособления гидростатически неустойчивого поля плотности жидкости к полю тяжести и фоновому вращению среды. Результаты работы рассмотрены в приложении к двум океанологическим задачам:

а) исследование закономерностей тепло-массообмена через свободную поверхность между океаном и атмосферой;

••• б) изучение глубокой конвекции - процесса формирования и вентиляции глубинных вод Мирового океана.

Новизна 'диссертационной работы состоит в следующем:

- исследовано совместное влияние эффектов поверхностного натяжения. солености, аэрации, фонового вращения среды на структуру 'свободной конвекции вблизи свободной поверхности вода-воздух и закономерности теплообмена при испарении;

- обнаружены_упорядоченные вихревые режимы движений однородной вращающейся жидкости в условиях резонанса инерционных волн:

- установлены особенности формирования благоприятных условий для возникновения глубокой конвекции; .

- сделаны оценки возможности развития глубокой конвекции в различных физико-географических условиях.

Результаты диссертации актуальны . во-первых, в связи с развитием новых научных направлений: экологии водной поверхности [Зайцев.Ю.П. Морская нейстонология.. Киев, 1970]. самоорганизации систем [ Пригожин.И. От существующего к возникающему., М.Наука. 1985] и создания искусственных биосфер [ Каталог биосферы. .И.. 1991]" . Во-вторых, часть полученных в диссертационной работе результат позволяет эффективнее проводить натурные исследования процесса Зимнего конвективного перемешивания.

Основные результаты диссертации докладывались на конференциях: 1-ой всесоюзной "Метрология гидрофизических измерений" (Москва. 1980); Ш-ем съезде советских океанологов (Ленинград. 1987); ежегодном съезде американского геофизического общества (Сан-Франциско, 1988); ХХП-ом Льежском коллоквиуме по геофизической гидродинамике (Льеж. 1990). а также на семинарах-в Институте океанологии АН СССР (Москва), Институте Арктики и Антарктики (Санкт-Петербург). Университете Дальхаузи (Галифакс. Канада). Институте прикладной механики (Фукуока, Япония). По теме диссертации опубликовано 7 работ в рецензируемых научных журналах и 7 тезисов докладов на международных и всесоюзных конференциях.

Текст диссертационной работы объемом 213 Кбайт состоит из введения, двух частей (8 глав) и заключения. Иллюстрации и список литературы даны в конце диссертации.

ЧАСТЬ 1. Лабораторные исследования свободной конвекции при испарении с приложением к процессу тепломассообмена между океаном и атмосферой.

ГЛАВА 1,- Обзор и постановка задач исследования.

Конвективный тепло-массообмен в системе жидкость-газ являются одним.из традиционных,объектов исследования в. физико-химической гидродинамике. Это вызвано практическими вопросами, возникающими при решении разнообразных технологических задач [ Геб-харт. Б., Джалурия. й., Махадаан. Р.. Саммакия. Б. Свободноконвективные течения, тепло- и массообмен. ,М..Мир, 1991. ]. Межфазный приповерхностный пограничный слой - один из ключевых элементов термодинамической системы жидкость-газ. Он содержит два подслоя: жидкостный и газовый.- которые связаны друг с другом определенными соотношениями на границе раздела сред. . Общеприняты;; {¡етод экспериментальных исследований состояния свободкоконвективного приповерхностного пограничного слоя - лабораторное моделирование.

Лабораторное моделирование также стало' одним из осковных методов экспериментальных исследований мелкомасштабного взаимодействия и тепло-массооомена между океаном и атмосферой. Это положение объясняется, главным образом,- т< что первичные пространственно-временные масштабы пиграакчнах слоев имеют сравнимые значения в природных и лабораторных. ус;юьиях (0.1 - 10 [сл' и 1 -100 [с]- порядки пространственных'и временных масштабов -„сстветствек-

но). Данное обстоятельство позволяет достаточно корректно проводить физическое моделирование с применением методов теории подобия и размерности. Это научное направление в течении ряда лет разрабатывалось группами К.Н.Федорова ( Институт океанологии АН), Г.С.Голицына ( Институт физики атмосферы АН), Е.П.Анисимовой и А.А.Сперанской ( МГУ). К.Катсарос ( Вашингтонский Университет), [К.Н.Федоров. А.И.Гинзбург. "Приповерхностный слой океана.". 1988; Г.С.Голицын. " Исследование конвекции с геофизическими приложениями и аналогиями.", 1980].

Мезомасштабные движения в океане-и атмосфере испытывают влияние. вращения Земли. Известно, что.конвективная устойчивость горизонтального слоя жидкости ( критическое число Рэлея). увеличи-- вается с увеличением частоты вращения (числа Тэйлора). Задача о влиянии вращения Земли на конвективную устойчивость геотермально нагреваемого слоя придонных вод в желобах Мирового океана была рассмотрена в [Тареев.Б. А. Динамика бароклинных возмущений в океане.. М.. МГУ, 1974, 190 с.]. Современные результаты лабораторных и теоретических исследований конвекции во вращающейся жидкости с геофизическими приложениями изложены в [ Бубнов.Б.М.. Голицын.Г.С Конвекция во вращающихся жидкостях., 1995, 224с.. (англ.)].

' Принципиальная трудность моделирования природных пограничных слоев.заключается в том. что много внешних факторов являются определяющими. Для выяснения взаимного и совместного влияния ряда внешних параметров в диссертации ставятся следующие вопросы:

Какова первичная пространственно-временная структура свободно-конвективного пограничного слоя при испарении пресной воды ?

Развивается ли термокапиллярная конвекция вблизи свободной поверхности воды при испарении ?

Как влияет соленость и аэрация воды при испарении на структуру свободно-конвективного слоя и закономерности теплообмена?

Как влияет твердотельное вращение жидкости на первичную структуру свободно-конвективного пограничного слоя при испарении воды в турбулентном режиме теплообмена?

Последний вопрос функционально выполняет связующую роль между первой и второй частями диссертационной работы. С одной стороны. в природных условиях часто встречаются интенсивные вихри.с радиусом 10 - 100..[см], которые создают условия фонового вращения среды для мелкомасштабной конвекции - объекту исследования первой

части диссертации. С другой - следует определить условия, при которых вращение Земли может влиять на структуру и закономерности развития мезомасштабной глубокой конвекции в открытом море.

Ответы на сформулированные вопросы искались путем проведения серий сравнительных лабораторных экспериментов с использованием контактных измерений температуры и средств визуализации. Конвекция происходила в условиях естественного остывания нагретой воды и ее растворов (соль, сахар, спирт) при контакте с атмосферным воздухом через свободную поверхность. Температура и влажность воздуха регистрировались с помощью стандартного метеорологического психрометра Ассмана. Средние значения температуры воды измерялись ртутными термометрами с ценой деления 0.1°С . Измерения пространственно-временной изменчивости температуры в свободно-конвективном пограничном слое (вертикальные профили и временные ряды) проводились с помощью термисторов МТ-67 (диаметр чувствительного элемента около 0.01 см; постоянная времени менее 0.1 с). Для автоматизированного сбора и обработки данных был разработан многоканальный аппаратно-программный комплекс на основе персонального компьютера. В экспериментах регистрировались температура и положение датчика равномерно по времени с различной дискретностью (от'0.05 с). Программное обеспечение позволяло одйовре-менно собирать данные дзумя датчиками и управлять их перемещением. Визуализация плотностных неоднородностей и движений жидкости производилась оптическими методами (теневой), добавлением различных пассивных примесей растворимых и нерастворимых в воде (краски, алюминиевая пудра, тимол синий и др.).Регистрация велась на фото к кинопленку. В сравнительной методике базовыми были характеристики свободно-конвективного пограничного слоя при испарении пресной воды в воздух. Этот подход ьосзолил исс^.-.цомать роль солености и аэрации воды, капиллярной конвекции и вращения среды в процессе свободно-конвективного теплообмена.

В лабораторных экспериментах спроделявгле параметры изменялись в диапазонах:

температура воздуха,Та = 15 - 30 ''-"С]: •температура воды Г* - о -• • 40 [°С] .; относительная :.лдностъ воздуха ■ = 0.2 - 0.8;. соленость воды 5 = 0 - 300 [°/)0]; частота вращения жидкости С - 0.2 - 3 [рад/сек]; толщина слоя жидкости н - 0.5 - .40 [см]; горизонтальный масштаб бассейна Б = 10 - 50 [с,.;]: тепловой потек иг нож

q = 0 - 5*10"3 [кал см~г сек"1]; числа Рзлея по потоку и Тэйлора Raf = BH4r2v"1 = 103- 108. Та = ОгН^"г = 103 - 10®. где В = agQfjr^Cp"1» 0 - Ю"3 [см? с"3]- - поток плавучести ; kT.v - коэффициенты молекулярной' температуропроводности и кинематической вязкости воды соответственно; а - коэффициент теплового расширения воды; р. ср - плотность и удельная теплоемкость воды; g - ускорение свободного падения.

ГЛАВА 2. Первичная структура конвекции.

При охлаждении слоя жидкости сверху с увеличением числа Рэ-лея (Ra). происходит закономерное качественное изменение структуры поля температуры (плотности или плавучести) в жидкости. До начала конвекции (Ra < Rac) молекулярная теплопроводность, обеспечивающая теплообмен как в твердом теле, формирует стационарный одномерный (вертикальный) профиль температуры. В ламинарном режиме конвекции Ч Rac< Ra < 10 Rac) возникает двух- и с ростом числа Рэлея трехмерная структура полей температуры и скорости, обладающая трансляционной симметрией (ячейки Бенара-Рэлея). При этом свойство стационарности сохраняется. В турбулентном режиме (Ra > 100 Rac) появляется временная изменчивость структуры конвекции. Весь слой жидкости можно разделить на две области: в толще жид-"кости - область''свободно-конвективной турбулентности, а вблизи поверхности - пограничный слой с толщиной сантиметрового масштаба. Стационарность структуры конвекции в этом режиме можно рассматривать лишь в статистическом смысле.

Пространственная изменчивость плотности (температуры) максимальна в приповерхностном пограничном слое. Этот слой обладает первичной структурой, задающей начальные условия для развития конвекции в толще среды (см.рис. 1). Для исследования первичной структуры конвекции в воде автором проведен анализ визуализации полей скорости, распределений аномалий плотности совместно с измерениями температуры неподвижным датчиком. В диссертации получены следующие результаты .

1. Жидкость, охлаждаемая у свободной поверхности, постоянно опускается вниз, образуя трехмерную систему зон - внутренних пограничных слоев.

2. Зоны опускайия в проекции на горизонтальную плоскость образуют нерегулярный подвижный узор. Элементами узора являются

криволинейные узкие линии.

3. Над зонами опускания свободная поверхность жидкости вогнута..

4. Датчик температуры всегда регистрировал резкие понижения (пики) температуры при попадании во внутренние, пограничные слои.

5. Характерный интервал времени между прохождением последовательных зон опускания через точку измерений превышал "время жизни" отдельной зоны. ■

6. При столкновении двух внутренних пограничных слоев "выживал" один, а образование зон опускания происходило спонтанно на свободных от них площадях свободной поверхности.

7. Протяженность зон опускания по горизонтали ограничивалось точками их касания между собой.

Для выявления особенностей, определяемых двухслойным строением приповерхностного пограничного слоя было проведено сравнение типичных временных рядов ' измерений температуры одновременно в воздушной и водной частях. Качественно однотипные последовательности показали резкие пикообразные изменения температуры. При этом в воздухе они имели характер повышения, а в воде - понижения температуры. Кроме_того. и частота .и .амплитуда, воздушных флуктуа-ций температуры существенно превышали соответствующие характеристики водных флуктуаций.

Наличие в системе свободной поверхности жидкости предполагает возможность возникновения независимо от плавучей еще и термокапиллярной конвекции из-за неустойчивости, вызванной зависимостью коэффициента поверхностного натяжения от температуры. Для определения ее роли'производилось сравнение структуры частей приповерхностных слоев в пресной воде и спирте. Визуализация конвекции теневым методом показала, что мелкомасштабный подвижный узор, характерный для термокапиллярной конвекции в спирте, .не наблюдался в воде ни при каких толщинах слоев.

Параметризация.приповерхностного пограничного слоя проведена в диссертации на основе известного соотношения, справедливого для режима турбулентной свободной конвекции,' "

Ни ~ 1?а1/3. . " '

где Ни : Иа - соответственно числа Нуссельта и Рэлея. Полученные с помощью этой параметризации оценки отношений частот флуктуаций температуры (1% /ш„). их амплитуд (ДТа / ДТ„) и пространственных

масштабов (Ха /X,) для воздушной и водной частей приповерхностного пограничного слоя:

(i)a /а), » 0(10); АТа / АТ„ = 0(10); Ха / X, = 0(1). хорошо согласуются с- нашими экспериментальными, наблюдениями. Здесь

ш = 1/Т B/v)1/z ; X ™ (k2v/B)1/4 ;

ДТ = (ag)-JAB ~ (ag)"1(vB3/k2)1/4 . где ДВ = gAp/p - перепад плавучести . В = agü/pc - поток плавучести.

Выводы.

1. Первичная структура свободной конвекции в турбулентном режиме обладает пространственной и временной изменчивостью в соответствии с закономерной эволюцией самоорганизующихся систем.

2. Периоды времени нахождения "жидких частиц" в свободно-конвективном пограничном слое при стационарных внешний условиях непрерывно распределены в интервале от нуля до фостеровского периода времени развития конвективной неустойчивости.

3. В системе вода-воздух образуется единый пограничный слой. Он содержит водную и воздушную части качественно идентичной первичной структуры, связанные внутренними термодинамическими параметрами на поверхности раздела. Количественно, временная и температурная изменчивость конвекции в воздушной части примерно на порядок больше чем в водной.

4. В режиме турбулентной конвекции термокапиллярный эффект практического значения не имеет.

5. В природных условиях энергия солнечного излучения должна концентрироваться в зонах конвективного опускания охлажденной воды на первичной структуре свободной конвекции аналогично лабораторной схеме визуализации.

ГЛАВА 3. Свободная конвекция в соленой и аэрированной воде.

В природных условиях вода всегда содержит некоторое количество растворенных солей. При испарении конвекция возникает не только вследствие тепло- . но и массообмена между водой и воздухом. В воздухе, массообмен определяется потоком влаги, а в воде -потоком соли' (испаряется пресная вода)'. Теневая визуализация и контактные измерения-температуры были выполнены для исследования совместного действия "теплового" и "солевого" механизмов конвек-

ции. Эксперименты проведены автором с водными растворами NaCl различной концентрации. Получены следующие результаты.

1. В диапазоне значений солености воды О < S < 100°/00 видимая четкость первичной структуры конвекции термического происхождения увеличивалась с увеличением солености.

2. В диапазоне 100 < S < 200°/оо на фоне "термической" структуры сантиметрового масштаба ясно выделялся нерегулярный мелкомасштабный (миллиметровый) узор.

3. При S > 200°/00 мелкомасштабная изменчивость полностью доминировала над узором тепловой конвекции.

4. В испаряющейся холодной соленой воде при ее контактном нагревании воздухом визуально зарегистрирована регулярная первичная структура конвекции, которая на виде сверху имела форму квадратных ячеек миллиметрового масштаба.

5. Первичная структура конвекции в поле температуры оставалась неизменной при увеличении солености воды вплоть до насыщения. Иными словами, появление мелкомасштабной структуры в поле плотности при высоких значениях солености (см.п.2,3) практически не оказывало влияния на температурную изменчивость.

6. При прочих равных условиях (одинаковый перепад температур вода-воздух к влажность воздуха) скорость конвективного охлаждения воды (тепловой поток из воды в воздух) уменьшалась с увеличении солености воды. Эффект усиливался в окрестности равенства температур воды и воздуха.

'7. Равновесная температура воды ниже температуры воздуха устанавливается лри условии, что нагревание воды воздухом уравновешено ее охлаждением'из-за испарения. С увеличением солености воды равновесная температура воды возрастала . прибгака^ъ; к температуре воздуха.

Теоретические оцеша, сделанные в диссертационной работе показали. что свободная "солевая" конвекция в воде при испарение формирует собственную пространственную структуру масштаба

= хт( ks/kT)i/2 = 0.1^ .

при условии: . . .. . -

ts < tT или при S > d / Рср- 150°/00 . Далее, соленость гяавшдо образом лзы^няет молекулярып свойств?, воды. Перенос тепла дополнительным, механизмом со левой конвекции

практического значения не имеет, поскольку на масштабе толщины термического пограничного слоя свободная турбулентная солевая конвекция монет обеспечить коэффициент обмена К5 на порядок меньший. чем - коэффициент молекулярной температуропроводности кт :

К3 /Кт = А«Еас1/4к31/2 Кт'1/г < 0.1 ; где А = 0.1 - постоянная в зависимости Ш = А*1га1/3: 1}ас< 103 -критическое число Рэлея в погранслое. Зависимость равновесной температуры воды от солености физически обусловлена уменьшением давления насыщенных паров при увеличении солености. Получена оценка для отклонения равновесной температуры воды от температуры воздуха ДТа8: . . .

ДТаз/8 = а(1-Ьз-П/(1+а(1-Ьз)) < 1-(Г/(1-Ьз)) . где 8 = Т02!?(цЬ)"1 = 13.6 °К; а = Еа/р(0.62кеЬ)/(срактЭ) = 153 Еа/р > 0.9 ; соленость воды б = 5/5насыа ; Ь = 0.19; Г- относительная влажность воздуха.

В диссертационной работе, кроме структурных особенностей конвекции при испарении, рассмотрена взаимосвязь осредненных значений-потоков тепла и массы, температуры и солености на свободной поверхности воды. Средние значения рассчитывались на основе закономерностей . полученных А.А.Грачевым и Г.С.Голицыным для свободной многокомпонентной конвекции. В широком диапазоне внешних па-' раметров численные расчеты хорошо согласовывались с экспериментальными данными для пресной и соленой, но не аэрированной воды.

Для многих природных условий аэрированность воды (газовые включения) - типичное состояние. Состояние аэрированностн воды исследовалось в научной груше Е.П.Анисимовой и А.А.Сперанской с участием автора. Один из неожиданных результатов'серии лабораторных экспериментов, проведенных О.А.Сперанской, состоял в следующем. При прочих равных условиях аэрация воды приводила к существенному (в два раза) увеличению потока тепла (й&), отдаваемого водой через свободную поверхность. В диссертации этот эффект предложено рассматривать как результат вынуждающего воздействия " пузырьковой" конвекции на тепловую . Получека оценка, которая согласуется с результатами проведенных наблюдений: .

'.Сь/Оо - (Вй/В0)1/4, где Ев и В0 - потоки-.плавучести от газовых пузырьков и из-за теплового расширения воды, соответственно.

Выводы. _

1. Система пресная вода-воздух является базовой в сравнительной методике определения влияния внешних факторов на структуру и закономерности- конвективного тепло-массообмена между водой и воздухом.

2. При испарении соленой воды первичная ..солевая конвекция миллиметрового масштаба возникает, если ее характерная собственная частота (временная изменчивость) превышает соответствующую частоту термической конвекции.

3. Соленость воды затрудняет испарение, а солевая конвекция практически ничего не добавляет к термическому механизму теплообмена в'воде, ' поэтому увеличение солености понижает интенсивность свободно-конвективного тепло-массообмена между водой и воздухом.

4. В природных условиях в окрестности температур замерзания воды и набольшей плотности (солоноватые воды), а также в сильно минерализованных.водах солевую конвекцию следует, учитывать при рассмотрении переноса пассивных примесей (газов) через границу раздела вода-воздух.

5. Возбуждение движений жидкости поднимающимися микропузырьками газа существенно интенсифицирует теплообмен в аэрированной ..морской воде 5 натурных-условиях. . . .

ГЛАВА 4. Вихревые режимы конвекции во вращающейся жидкости:

Все процессы в природе происходят в условиях вращения. Структура свободной конвекции в режиме турбулентного тепло-масо-обмена между водой и воздухом при испарении весьма чувствительна к внешним условиям. Для выяснения влияния на нее фонового вращения среды в диссертационной работе проведена серия лабораторных опытов. Использовалась та же методика визуализации, что и при исследованиях структуры конвекции без вращения,, только вся аппаратура помещалась на вращающуюся платформу. . Качественное влияние вращения воды на конвективную структуру характеризовалось появлением циклонических (вращающихся относительно лабораторной системы "координат -быстрее вращения всей гадко ста ) вихрей'с вертикальной осью. В работе выделено дза режима вихревой конвекции.

Определены характерные особенности первого режима.

1. Система поверхностей опускания охлажденной волн (первичная структура конвекции) "свернута" в циклонические спиральные

вихри с вертикальной осью.

-2. Циклонические вихри образуют квазистационарную вихревую упаковку или "решетку".

'3. При увеличении частоты вращения среднее расстояние между вихрями уменьшается, а время установления конвективной структуры увеличивается'.

4. Последовательное уменьшение фоновой частоты вращения нарушает устойчивость вихревой "решетки" и приводит к системе неупорядоченных и взаимодействующих вихрей. Аналогичный эффект воз-' никает при увеличении конвективного потока тепла для.неизменной частоты вращения жидкости. ,

5.' В соленой воде мелкомасштабная конвекция (S>100°/00) никогда (в исследованном диапазоне параметров) не образовывала устойчивой вихревой упаковки.

Общее объяснение наблюдений заключается в том, что вращающаяся среда обладает специфической упругостью и этот Факт приводит к "ламинаризации" конвекции из-за увеличения критического числа Рэлея (Ra) с ростом числа Тзйлора (Та). В диссертации показано, что режим квазистационарной упаковки конвективных циклонических Еихрей существует при Та > Ra вблизи критической кривой конвективной устойчивости, которая определяется известньз.1 соотношением:

Rac(Ta") = const * Та2/3.' '

Для этого режима получено, что среднее расстояние между вихрями

\ = 22(v/Q)1/z = 22ое . а время установления режима по отношению ко времени возникновения конвекции в невращающейся жидкости

tc/te0 = (Rac/Rac0)I/2 ~ Та1/3 ~ й2/3.

Автором показано, что в типичных морских условиях маловероятно проявление описанного выше режима, поскольку обычно выполняется соотношение Та < Ra . Для этого случая в диссертационной работе описан второй регим вихревой конвекции. В опытах установлено, что слой коиезктиеного перемешивания разделялся по вертикали на две области: вблизи источника конвекции (границы раздела зо-да-воздух) и з остальной толще жидкости. В первой области развивалась трехнзркая турбулентная конвекция, а во второй - возникали баротропные циклонические вихри.

Проведенные наблюдения согласуются с известным фактом: режим интенсивных циклонических вихрей возникает при локальных (для от-

дельных вихрей) числах Россби Ro = w(Ql)-1 < 0.2. Для оценки возможности возникновения этого режима конвекции в океане.в диссертации использовалась параметризация свободной турбулентной конвекции [Шей.Т.Дк.. Грэгг.М.К. ,19861:

w = 0.4*(ВН)1/? . 1 = Н... Автором получено, что рассматриваемый режим возникает при

Н > 3(B/Q3)1/2 = 10г - 103[м]. Подчеркнем, что ключевым в данном случае является физический механизм увеличения или иерархии первичных масштабов конвекции. Причем этот механизм должен работать независимо от того, вращается .жидкость или нет. ...

В диссертации процесс иерархии масштабов конвекции рассмотрен пуч-ем проведения лабораторного и численного моделирования развития свободной конвекции без общего вращения жидкости. В опытах гидростатически неустойчивая, стратификация создавалась в результате быстрого поворота плоского щелеобразного бассейна с первоначально устойчивой двухслойной стратификацией на 180° вокруг продольной горизонтальной оси. Было установлено, что существенное увеличение пространственных масштабов конвекции происходило из-за взаимодействия конвективных элементов друг с другом (см.рис.2). Численное моделирование проводилось в соавторстве с сотрудниками лаборатории В.И.Полежаева из Института проблем механики АН. Рассматривалось двумерное адиабатическое движение жидкости в прямоугольной области. Модель строилась на основе уравнений Навье-Сток-са в приближении Буссинеска. Результаты численного счета адекватно воспроизвели механизм иерархии масштабов конвекции зафиксированный в лабораторных опытах.

Выводы. ■ ...

1. Увеличение конвективной устойчивости вращающейся жидкости вблизи критической кривой проявляется в образовании квазиставдо-нарной упаковки циклонических конвективных вихрей с вертикальной осью.

2. В океане непосредственное влияние -вращения Зеылл на структуру конвекции может происходить при иерархии масштабов развивающейся конзекции. Баротропные циклонические ¿.Г-хри километрового масштаба формируются в толще жидкости при достижении конвективными элементами критического числа Россби.

3. Физический механизм увеличения пространственно-временных масштабов конвекции (иерархия) обусловлен взаимодействием конвективных элементов между собой!

ЧАСТЬ 2. Исследование конвекции с приложением к процессу формирования глубинных вод в открытом море.

ГЛАВА 1. Глубокая конвекция в циклонических круговоротах.

Согласно общепринятым представлениям, в шельфовых зонах полярных морей расположены квазистационарные источники глубинных вод Мирового океана. Локальные нестационарные источники глубинных вод были обнаружены за последние, тридцать лет многочисленными экспедиционными исследованиями в Средиземном. Гренландском. Лабрадорском морях и море Уэддэлла. Локальное формирование в зимнее время глубинных вод происходит в процессе глубокой конвекции ( конвективного пробоя пикноклина) мористее шельфовой зоны. Таким образом, глубокая конвекция имеет не только важное региональное, значение, но и является элементом глобальной термохалинной циркуляции Мирового океана. Автором проведен аналитический обзор исследований процесса глубокой конвекции с целью обобщения имеющихся физических представлений и определения новых физико-географических областей Шрового океана и вод суши, благоприятных" для "развития рассматриваемого процесса.

Основные физические представления.

1. Зимнее глубокое конвективное перемешивание происходит им-пульсно при интенсивном атмосферном воздействии (шторм). Локализуется процесс в области минимальной интегральной гидростатической устойчивости вод по вертикали.'Этот минимум создается в течение длительного (предварительного) периода осенне-зимнего охлаждения в центральных областях квазистационарных циклонических круговоротов.

2. Интенсивная глубокая конвекция - в основном вертикальный процесс, при котором достигаются рекордные значения вертикальных смещений воды (более 1км) со скоростями до 10 см/с. Эти движения могут генерироваться конвективным и инерционно-гироскопическим механизмами.' Ветровая адвекция поверхностных вод играет .роль . на; периферии (во фронтальной зоне) области глубокого перемешивания.

3. В верхних нескольких сотнях метров.развивается вынужденная проникающая конвекция. Глубже реализуется близкий к "непрони-

кающему" режим свободной конвекции.

4. Долгоживущие "следы" процесса: бароклинные вихри и интру-зионная тонкая структура. - возникают на заключительной фазе импульсного конвективного формирования "молодых" глубинных вод.

Региональные, условия и признаки развития глубокой конвекции.

1. Наличие циклонического круговорота.

2. Близкий к нулевому или отрицательный среднегодовой баланс потока плавучести океан-атмосфера.

3. Характерное усиление в осенне-зимний период штормовой де-' ятельностн при внедрении сухих, холодных воздушных масс континентального. или арктического происхождения.

■ 4. Комшекс" косвенных свидетельств (гидрологические, химические. биологические, палеоокеанологические) вентиляции глубинной водной массы.

5. Одиночные примеры натурных регистрации аномальной толщины ВКС в зимних условиях.

6. Аномальная эволюция ТПО (повышение) или ледяного покрова (полынья) во время зимнего охлаждения при инверсионном строении термохалинной стратификации (теплый и соленый промежуточный слой).

7. Обнаружение в весенне-летний период мезомасштабных цикло-нкческих вихрей ■ с -толстым кзазиоднородным ядром (пикностадом).

В результате использования перечисленных выше .условий и признаков в диссертации получено, что озеро Байкал и северо- западная часть Японского моря - новые перспективные районы для изучения глубокой конвекции. Исследование отмеченных районов, помимо чисто научного значения, имеет практические интересы. На Байкале, гто связано с загрязнением озера,- а также с работой в озере уникального телескопа - многоэлементного детектора для регистрации ■ шонов и нейтрино высоких энергий. Контроль состояния области предполагаемой конвективной вентиляции" глубинных вод в Японском море связан с проблемой мониторинга мест подводного захоронения радиоактивных отходов. Для лабораторных исследований и дальнейшего анализа натурных' данных сформулированы вопросы:

Какова устойчивость инерционно-гироскопических вихревых движений вращающейся жидкости?

Каковы режимы конвективного перемешивания дифференциально . вращающейся стратифицированной жидкости ?

Каковы особенности фазы созревания благоприятных условий для развития глубокой конвекции на примере натурных данных из Лабрадорского и Гренландского морей?

ГЛАВА 2. Лабораторное исследование резонансных режимов движений однородной жидкости со свободной поверхностью в наклонно вращающихся сосудах.

'В обзоре исследований глубокой конвекции в морях отмечено, что для объяснения причин возникновения охватывающих водную толщу от поверхности до дна интенсивных вертикальных течений ( 10см/с) • было предложено два механизма. Первый - чисто конвективный, осно-- ван на фостеровской модем поярусной иерархии" конвекции. Второй -' инерционно-волновой механизм, вызванный импульсным воздействием ветра, согласно модели-Сент-Гили. В контексте диссертации инерционные колебания представляют интерес, во-первых, как альтернативный конвективному механизм возбуждения интенсивных вертикальных движений и перемешивания в толще жидкости, во-вторых, из-за их повсеместного распространения в природных условиях. Основное внимание в работе сосредоточено на малоисследованной проблеме устойчивости инерционных движений во вращающейся жидкости.

В диссертационной работе экспериментально исследованы режимы инерционных вихревых течений, возникающих в наклонно вращающихся сосудах с однородной жидкостью, имеющей свободную поверхность. Малые углы наклона сосудов к вертикали (£) обычно вызывали малые инерционные колебания жидкости, однако в окрестности резонансных значений отношения средней толщины слоя жидкости (Н) к горизонтальному размеру сосуда (R) возбуждались интенсивные вихревые движения жидкости (см.рис:3). В опытах определяющие параметры менялись в следующих диапазонах: H/R = 0.3 - 10 ; г = 0.2 - 3 град.; число Экмана Е = Та""2 = 10~5 - Ю"1.

В результате проведенных экспериментов получено следующее.

1. Описаны три качественно различных ражима регулярных, упорядоченных и один нерегулярный режим инерционных вихревых движений в резонансных условиях.

■ 2. Переходы между режимами- происходили при плавном изменении угла наклона сосуда к вертикали, т.е. амплитуды периодических внешних возмущений вращающейся жидкости. 1 ' .

3. Впервые ^обнаружен регулярный реним циклонических пульси-

рующих вихрей.

4. Описана кинематика локального пульсирующего циклона.

5. Построена диаграмма устойчивости пульсирующего1 циклона.

Выводы. "

1.-В условиях резонанса инерционных движений вращающейся жидкости при увеличении амплитуды внешнего возбуждения режим инерционной турбулентности устанавливается при переходе через ряд упорядоченных режимов движения. Это свойство объединяет рассматриваемую систему с конвективной системой Рэлея-Бенара.

2. В природных условиях в очагах глубокой конвекции предположительно могут "резонировать" непосредственно сами мезомасштаб-ные вихри. Это может приводить к возникновению в них интенсивных вертикальных резонансно- инерционных движений.жидкости.

ГЛАВА 3. Лабораторное исследование конвективного перемешивания в квазигеострофических бароклинных вихрях.

Поиск режима локализации конвективного перемешивания дифференциально вращающейся стратифицированной жидкости, который является ключевым в процессе глубокой конвекции необходим для прояснения гидродинамики этого природного процесса. С этой целью автором были проведена серия лабораторных опытов-в Университете Даль--хаузи (Канада). Исследовались режимы конвективного перемешивания двухслойной устойчиво стратифицированной по температуре (ДТ) жидкости при дифференциальном вращении слоев. Бароклинное течение поддерживалось с помощью твердой крышки, которая вращалась с частотой (ДО), отличной от частоты вращения (£2) бассейна с жидкостью. Использовался цилиндрический бассейн с диаметром Б = 80см и высотой Н = 35см. Однородный по горизонтали тепловой конвективный поток (0) создавался проволочной сеткой, расположенной на дне и нагревавшейся электрическим током (см.рис.4). Параметры экспериментов изменялись в "диапазона):: ДТ = 0.5 - 10 °С ; 2 = 0.1 -1.5 рад./сек; М> = 2 - (Т0.5Й); 0 = (1 - 5)*10~3 кал см-а сек'1.

В лабораторных опытах получено два режима эволюции слоя конвективного -перемешивания (СКП). .

1. "Конвективный спкнап", при котором происходит уменьшение со временем толщины СКП в центральной части цккг.онической циркуляции (область дивергенции течений). -

2. "Экмановское заглубление", при котором скорость увеличения толщины СКП максимальна на периферии циклонической циркуляции (область конвергенции течений).

3. Второй режим наблюдался в опытах гораздо чаще первого.

В работе показано, что при слабом (ламинарная конвекция в исследованном диапазоне внешних параметров) вовлечении через пик-ноклин жидкости в слой конвективного перемешивания реализуется первый режим, а при сильном (турбулентная конвекция) - второй. В связи с этим, поскольку эксперименты обычно проводились в условиях турбулентной конвекции, то наибольшее распространение имел режим "экмановского заглубления". Кроме этого в диссертации получено, что значимость экмановских слоев в исследуемом процессе локализации конвективного перемешивания для лабораторных экспериментов примерно.на порядок больше, чем для натурных условий.

Для получения представлений непосредственно по процессу локального' конвективного перемешивания ("пробой пикноклина") автором проведены предварительные опыты. Во вращающейся двухслойно стратифицированной жидкости исследовалось проникновение плавучей турбулентной струи через границу раздела. Сравнение с опубликованными результатами (Кумагаи.1986), полученными в аналогичной постановке лабораторных экспериментов, только без внесшего вращения, показало следующее.

1. В слое с толщиной Н„ область, где турбулентная плавучая струя устойчиво стратифицирует жидкость, ограничена по горизонтали не боковыми стенками бассейна (Ю, а внутренней границей, образующейся антициклонической циркуляции (г).

2. Интервал времени (гр)-, необходимый для проникновения плавучей турбулентной струи через плотностную границу раздела (ДВ0) между слоя!®, уменьшается с увеличением частота фонового вращения (0) жидкости при прочих равных условиях.

Эффект повышения эффективности ;£!)) процесса конвек-

тивного "пробоя пикноклина" во вращающейся яюдкозти рассмотрен з работе с помощью введения радиусе, деформации Россбй (!?й), определяющего горизонтальный масштаб области воздействия' (г = Рч,) локального источника плавучести на вращающуюся.,жидкость.. Получена оценка:

1р/ЦШ) = (К/йа)2 > (£й)2/(Н0ДВ0).

Выводы.

1. Процесс вовлечения невозмущенной тихости в слой конвективного перемешивания контролирует режимы эволюции- последнего: . "конвективный спинап" или "экмановское заглубление",- которые относятся к предварительной фазе процесса глубокой конвекции.

2. Эффективность "пробивания" стратификации плавучей жидкостью из локальных источников повышается при общем вращении.

3. Применимость результатов лабораторных экспериментов для количественного моделирования мезомасштабного процесса глубокой конвекции ограничено тем, что определяющие безразмерные параметры имеют разные масштабы в природе и лаборатории. ' ,

ГЛАВА 4. Предварительная фаза глубокой конвекции на примере натурных данных из Лабрадорского и Гренландского морей.

Данные натурных наблюдений состояния ВКС во время зимней экспедиции 1978 года в очаг глубокой конвекции, расположенный в Лабрадорском море, были проанализированы автором совместно с А.Кларком и Н.Оки (Бедфордский институт океанографии, Канада). Данные были - получены с помощью стандартных гидрологических разрезов, а также специальных свободно плавающих поплавков, которые .уравновешивались на заранее.-выбранной изобаре. По- смещению поп- " лавков оценивались горизонтальные составляющие скоростей течений в ВКС в условиях зимней конвекции. Вертикальные составляющие скорости течений регистрировались по скорости вращения поплавков вокруг своей оси, возникавшей из-за закрепленных на них специальных лопастей. Кроме вертикальной составляющей скорости течений поплавки регистрировали, температуру воды. Было обнаружено, что временная изменчивость вертикальных движений в ВКС характеризовалась двумя масштабами - несколько суток и несколько часов. В диссертации предложено возможное объяснение возникновения вертикальных флуктуации скорости с периодами в несколько часов на основе известной модели Дж. Тэрнера формирования слабо устойчивой плот-ностной стратификации квазиоднородного слоя в условиях конвективного перемешивания. В предположении, что поплавки регистрировали частоту Вяйсяля-Брента, получено, что 'горизонтальный масштаб конвекции должен в два раза превышать толщину слоя конвекции (первые сотни .миров). Эта оценка не противоречит общим представлениям о

структуре и иерархии конвекции. В работе проведено сравнение данных экспедиции 1978 года с натурными наблюдениями 1976 года в этом же районе, когда было зарегистрировано экстремально глубокое (более 2000 м.) конвективное перемешивание и формирование лабрадорских глубинных вод.

В 1990 году в составе экспедиции ДАНИИ на НИС "Академик Шу-лейкин" (28-ой рейс) автор принимал участие в исследовании термо-халинной структуры циклонического круговорота Гренландского моря в зимних условиях. Данный район для ДАНИИ является одним из традиционных "полигонов" натурных исследований субарктической части Атлантического океана. Зимой 1984 года сотрудниками Института здесь было зарегистрировано конвективное перемешивание от поверхности до глубин около 2500 метров.

В экспедиции 1990 года не было обнаружено глубокой конвекции. Низкая соленость ВКС, вызванная поступлением в центральную часть круговорота распресненных вод из Восточно-Гренландского течения. препятствовала развитию конвективного перемешивания в глубину. В связи с этим, наблюдения отнесены в работе к предварительной. или фазе формирования благоприятных условий для развития глубокого конвективного перемешивания. ' Наиболее ярко были представлены горизонтальные термохалинные неоднородности - мезомасш-табные вихревые образования, которые прослеживались во всей водной толще и возникали в окрестности гидрологических фронтов (северная часть полярного фронта) и над локальными особенностями донной топографии. В диссертации представлено краткое описание термохалинной изменчивости ВКС на мезомасштабных гидрологических полигонах в центральной части, гренландского циклонического круговорота ("Купол") и в окрестности одиночного подводного поднятия ("банка" Вестерисгруннен в юго-западной части круговорота). Натурные измерения, полученные в ходе экспедиционных исследований, показали вертикальное и горизонтальное термохалинное строение вод круговорота в зимних условиях без глубокой конвекции. Эти материалы важны,для дальнейших оценок, применимости модели дифференци-.ально-диффузионной вентиляции глубинных- вод" круговорота ШакДу-гал, 1986]. как альтернативы глубокой конвекции.

>)

Вывод.

Наиболее распространенной и часто встречающейся зимой в циклонических круговоротах является фаза созревания благоприятных условий для возможного развития глубокой конвекции, короче, потенциальная глубокая конвекция.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

На защиту выносятся следующие положения. ■

1. Методом лабораторного моделирования исследованы:

- первичная пространственно-временная структура свободной конвекции в воде и воздухе при испарении в турбулентном режиме;

- влияние солености воды и ее вращения на структуру и закономерности свободно-конвективного теплообмена между водой и воздухом;

- механизм иерархии первичных масштабов конвекции;

- устойчивость.резонансно-инерционных пульсирующих циклонических вихрей. ' I

- режимы конвективного перемешивания двухслойно стратифицированной дифференциально вращающейся жидкости.

2. В результате анализа натурных данных изучены:

- физические закономерности, региональные условия и признаки развития процесса-конвективного формирования глубинных водных масс в открытом море (глубокая конвекция);

- фаза созревания благоприятных условий для возникновения глубокой конвекции.

Автор выражает искреннюю благодарность своим научным руководителям |К.И. Федорову! , и А. Г.Зацепину, за постоянную и всестороннюю помощь в работе. Большая благодарность коллегам по Отделу экспериментальной и космической океананологии, особенно А. И. Гинзбург. А. Г. Костяному и конструктору всех экпериментальных установок | А. м. Павлову |'. за плодотворное научное взаимодействие. Автор глубоко признателен В.В.Родионову, который оказал помощь в 'графическом оформлении работы. Научное сотрудничество со многими сотрудниками Института океанологии. Института физики атмосферы, Московского университета. Института Арктики и Антарктики и зарубежными коллегами способствовали работе над диссертацией.

Теневая визуализация первичной структуры свободной конвекции.

Фотоснимки.

Схема экспериментов.

Ж.

1 - плосколараппельный пучок света,

2 - зеркало,

3 - бассейн с рабочей жидкостью,

4 - датчик температуры,

5 - матовый экран, 3 - фотокамера

- Зг

РИС.

Вид сбоку (пресная вода)

Иерархия масштабов конвекции.

Схема эксперимента.

\

I

Фотоснимки бассейна в моменты времени 1: 1=9 С ■

1=30 с

1=42 с

1=85 с

Н*-

2

\ и

IО

СО

120см

Средняя глубина проникновения конвективных элементов (а) и их относительная перемежаемость по горизонтали (6). й, см ,

а

лг

'' '_

о: 41

_1_

" и с

[см2с1

р

0,5 (1) 12 (2)

Рис. 2

Резонансные режимы движения однородной жидкости со свободной поверхностью в наклонно вращающихся сосудах.

1 - цилиндрический сосуд,

2 - однородная жидкость,

3 - свободная поверхность

жидкости, Н - средняя тогацина слоя

жидкости, Г? - радиус сосуда, П - угловая частота вращения

бассейна, с - угол наклона оси вра1цения бассейна.

С фо

Схема экспериментов

наклонные вихри и двойная цепочка

Пульсирующие циклонические вихри

пассивная примесь (вид сбоку) трехмерная диаграмма резонансных

Е

режимов

-1 -2 Д(«/Я)

Е=уО Н - число Экмана иг

I - режим ьзхлонного вихрп,

. " ; | - - ■ трековая фотография (вид сверху)

критическая кривая устойчивости

I

Е.град

П - режим пульсирующего 1 циклона. *

РИС.3

. I

- теория, • эксперимент.

Предварительная фаза глубокой конвекции. Схема опыта П-ДП

1 - цилиндрический бассейн,

2 - нагреватель,

3 - слой конвективного перемешивания,

4 - невозмущенный слой,

5 - твердая крышка.

др - перепад плотности между слоями, О - угловая частота вращения бассейна,

О-ДО - угловая частота вращения крышки.

РИС.4

Вид с боку.

Список основных публикаций автора.

1. Феноменологические особенности конвекции в жидкостях со свободной поверхностью. //ФАО. 1981. т. 17. N4. стр.400 (соавт. А.И.Гинабург.А.Г.Зацепин .К.Н.Федоров ).

2. О влиянии вращения на структуру конвекции в глубокой однородной ЖИДКОСТИ. // ДАН. 1983, Т.273. N3, стр.718.

3. Развитие конвекции в двухслойной неустойчиво стратифицированной жидкости. //Океанология. 1983. т. 23. вып. 6 (соавт.А. Г. Зацепин).

4. Пример численного и лабораторного моделирования процесса развития конвекции. //ФАО, 1985. Т.8..СТР- 892 (соавт. А.В.Бунэ, А. Г. Зацепин. Д. В. Тишаев ).

5. Лабораторное исследование резонансных режимов движений однородной жид кости со свободной поверхностью в наклонно вращающихся сосудах. // ФАО, 1990. т.26. N9. стр.982.

6. Глубокая конвекция - процесс формирования глубинных вод в открытом море. // В сб. "Когерентные структуры и самоорганизация океанических движений. ", М., "Наука", 1992.

7. О расчете потока плавучести в аэрированной .воде. // ФАО. 1993. т.29. N1. стр.123 (соавт. Е.П.Анисимова. А.А.Сперанская. O.A. Сперанская).

8. Dikarev. S. N.. Brickman. D. - Laboratory simulation -of deep convec-tive mixing in the open ocean., // AGU,EOS,1988. v.69, N. 44,1119.

9. Dikarev.S.N. Best places for deep convection in ice covered seas.. // Proc. 22 Intern.Liege Coll.,1990,18.