Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Методические аспекты исследования тонкоструктурной изменчивости и вертикального обмена в океане при наличии солевых пальцев

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Методические аспекты исследования тонкоструктурной изменчивости и вертикального обмена в океане при наличии солевых пальцев"

6 од

„ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ

I МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи ПОГРЕБНОЙ АЛЕКСАНДР ЕВТИХИЕВИЧ

УДК 551.465

UEK) ДИЧЕСЖЕ АСПЕКШ ИССЛЕДОВАНИЙ ТОНКОСТРУКТУРНОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ И ВЕРТИКАЛЬНОГО ОЫЖНА В ОКЕАНЕ ПРИ НАЛИЧИИ СОЛЕВЫХ ПАЛЬЦКН

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ ка соискание ученой степени кандидата физико-математических наук (04. 00. 22 - геофизика)

Севастополь 1993

Работа выполнена в Морском гидрофизическом институт

Научный руководитель: доктор физико-математических кау

Официальные оппоненты: доктор технических наук Е Ы. Кушнир, кандидат физико-математических нау В. И. Никишов.

Ведунья организация: Одесский гидрометеорологически

Защита состоится " /->" мая 1993 года на заседани Специализированного совета Д 016.01.01 при Мэрскои гидрофи зическом институте АН Украины (335 ООО, г. Севастополь, у1 Капитанская, 2).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Морског гидрофизического института АН Украины (ЗЗБ ООО, г. Севастс поль, ул. Капитанская, 2).

Автореферат разослан апреля 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор физико-мате--------------

АН Украины.

Н. А. Пантелеев

институт.

А. Ы. С у ворс

- 3 -

ОВДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Известны обширные области океана, где наличие конвекции солевых пальцев в его толще доказано многолетними микроструктурными контактны«« и оптическими измерениями. Это прежде всего район северо-западной части Тропической Атлантики ("C-SALT"), где ступенчатая стратификация с наличием солевых пальцев на высокоградкентных прослойках занимает вертикальный слой 200-600 м и простирается по горизонтали на сотни километров. Проявление конвекции солевых пальцев в виде ступенчатой стратификации также наблюдается в Тирренском море и в области стока средиземноморских вод в Атлантику под внут-ритермоклинными линзами.

Несмотря на определенные успехи, достигнутые при изучении конвекции солевых пальцев в лаборатории, натурных экспериментах и теории (см., например, обзор t153), остается ряд вопросов, исследованных слабо. Например, известны различные формулы для оценок вертикальных потоков тепла, соли, плавучести, связанных с солевьми пальцат. Однако, применение различных соотновений для оценки по CID-данным значений вертикальных потоков тепла,соли, плавучести в океане дает существенно различающиеся величины. С другой стороны, мы имеем далеко не полное представление о механизмах обмена и формирования тонкой структуры океана при вертикальной стратификации типа солевых пальцев в условиях фронтальных зон. Все это, в свою очередь, связано с несовершенством существующей CTD-аппаратуры (имеется в виду вертикальное разрешение зондирующих CTD-комплексов, особенно,"по солености, плотности) и несовершенством известных методик проведния натурных экспериментов, которые не обеспечивают необходимое горизонтальное разрешение. В связи с вышесказанным и были сформулированы цели и задачи данной диссертационной работы. Целя и вадвни нссяедовввяй.

Целью данной диссертационной работы является: - изучение механизмов формирования тонкой структуры океана в различных (по количественнш критериям) фоновых гидрологических условиях и вклада в нее эффекта голевых пальцев;

- исследование условий применимости известных лабораторных формул расчета вертикальных потоков тепла, соли, плавучести, обусловленных конвекцией солевых пальцев, к натурным СТО-данным;

- на основе мелкомасштабных натурных измерений получение достоверных оценок коэффициентов вертикального обмена, обусловленного конвекцией солевых пальцев.

К основнш задачам диссертации относятся:

1) разработка и внедрение методики проведения натурного эксперимента по исследованию тонкой термохалинной структуры океана, так как существующие методики не обеспечивают удовлетворительное горизонтальное разрешение измерений;

2) разработка и внедрение программного обеспечения по вводу, первичной обработке и графическому отображению данных специализированных СГШ-зондов "Комплекс-1" и "Комплекс-1М";

3) разработка конструкции "совмещенного" датчика температуры и электропроводности, обеспечивающзго минимум динамических ошибок расчета солености;

4) разработка и внедрение алгоритма поиска оптимальных цифровых фильтров для динамической коррекции' исходных СТО-данных;

5) экспериментальное исследование в лабораторных условиях конвективных процессов в ступенчатых структурах при вертикальной стратификации типа соловых пальцев;

6) исследование ступенчатых структур в зоне термохалин-ного фронта Межпассатного противотечения;

7) на основе массового статистического материала получение достоверных количественных оценок вертикальных потоков тепла, соли, плавучести, обусловленных конвекцией СЕ

Ахтуа&ность ито1

Ба основе сформулированных целей н вадач темой диссертации явилось развитие современных методик экспериментальных исследований и на их основе экспериментальное изучение тонкоструктурной изменчивости и получение достоверных оценок вертикальных потоков тепла, соли, плавучести, имеющих место в океане при наличии конвекции солевых пальцев.

Актуальность подобных исследований диктуется тем, что

:онвекция СП является одним из механизмов вертикального обгона в океане, участвуя в переносе тепла, соли и других >астворенных (в том числе и экологически вредных) веществ, 1П играют важную роль в формировании вертикальной структуры 'идрофизических. химических, биологических полей. Количест-¡енные оценки реальных коэффициентов вертикального обмена, )бусловленного СП, весьма важны для создания физико-математических моделей динамических процессов в океане. Знание законов обмена необходимо для решения столь актуальных практических проблем, как охрана окружающей среды от загрязнения, трогноз биологической продуктивности вод, расчет теплового влияния океана на атмосферу и прогноз аномалий погоды и климата. Как отмечалось выше, известны различные формулы для эценок вертикальных потоков, обусловленных конвекцией соле-зых пальцев. К сожалению, оценки потоков, получаемые по разным лабораторным закоюм, могут существенно различаться. Поэтому актуально выяснить .условия применимости известных способов оценок потоков, обусловленных солевыми пальцами.

На защиту вшюсятся:

- способы уменьшения динамических погрешностей

СЮ-систем;

- результаты лабораторных исследований конвективных

процессов в ступенчатых структурах при вертикальной стратификации типа солевых пальцев;

- результаты натурных исследований ступенчатых структур

в океане при вертикальной стратификации типа солевых пальцев.

Личный вклад автора.

Основные результаты диссертации получены лично автором. Им сконструировано и изготовлено разнообразное лабораторное оборудование, проведены лабораторные опыты, создано оригинальное программное обеспечение по вводу, обработке, визуализации и удобному графическому отображению информации, получаемой специализированными тонкоструктурными зондами. Автор принимал непосредственное участие в планировании и успешном проведении многочисленных натурных экспериментов в 49-м рейсе НИС "Михаил Ломоносов", 38-м и 43 м рейсах НИС

"Академик Вернадский", 8-м рейсе НИС "Гидрооптик", обсуждении и анализе всех приведенных в диссертации результатов, написании текстов цитируемых публикаций [2, 8-14, 20 ■ 37], оформлении заявок на изобретения 11, 15, 16, 33J, чтении докладов на конференциях и симпозиумах различных уров ней.

Практическая значимость работы

Предложенные алгоритмы и методики исследований могу быть использованы для получения достоверной информации тонкой термохалинной структуре океана Полученные лаборатор ные результаты могут быть использованы при интерпретации ре зультатов натурных исследований и при создании физике-мате матических моделей солевых пальцев. Выявленные физически закономерности поведения ступенчатых структур со стратифике цией типа солевых пальцев в натурных условиях уточняют обвд представления и расширяют наши знания о механизмах обмена тонкой термохалинной структуре океана Приведенные в работ оценки коэффициентов вертикального обмена необходимы д. корректного решения задач динамики океана, охраны окружаю« среды, расчета биопродуктивности и т. п.

Апробации диссертации.

Исследования, изложенные в диссертации, выполнялись проектам "Шфоструктура", "Диффузия" и хоздоговорным тема Результаты были представлены на всесоюзных симпозиумах конференциях в 1985 - 1991 гг., в частности, на I-1V конф ренциях "Вклад молодых ученых в решение современных проб/ океанологии и гидробиологии" в 1986-89 гг. (г. Севастополь на Всесоюзной конференции "Актуальные проблемы современь океанологии" (Репино, 1987), на II и III Всесоюзных симпое умах "Механизмы генерации мелкомасштабной турбулентности океане" (Калининград. 1985 г. и 1990 г.). на III Съезде с ветских океанологов Ленинград, 1987 г.), на III Веесоюу; симпозиуме "Тонкая структура и синоптическая изменчивое морей и океанов" (Таллинн, 1990 г.), на Всесоюзной конфер< ции "Проблемы стратифицированных течений" (г. Канев, V г.). Они также докладывались на совещаниях межведомствен группы по проекту ' кикроструктура" (в 1987 - 1990 гг.),

¿елдународном совешднии с участием ведущих американских гид-эофизиков Диэйса Т. 1.1 н Стэлкопа К К. (43 рейс НИС "Академик Вернадский", 1991 г.) и на международном семинаре в Вудс-Холле США с участием П^зтгта Р. Е (США, 1991 г.). На последнем конкурсе молодых ученых МГИ АН УССР имени академика ЕЕ Щллейкина (1960 г.) материал, представленный в диссертации, удостоен I премии.

Результаты диссертации подтверждены четырьмя авторскими свидетельствами СССР на изобретения [1, 7, 8, 25] и опубликованы в работах [2-6, 9-24] (работа [12 - 19] без соавторов), использовались в 49-м рейсе ШЗС "Шхаял Ломоносов", в 38 и 43 рейсах НКС "Академик Вернадский", в 8-м рейсе НИС "Гидрооптик", в отчетах по проектам "Микроструктура" и "Диффузия", отчетах по хоздоговорным темам.

¿рсто^зрпость ПрЭ/£ТаП£2Е2ИЗ рзэу^т^тзп.

Достоверность и воспроизводимость лабораторных опытов, истинность полученной передаточной функции отклика датчика э^эетрояроводности обеспечена внедрением оригинальных лабораториях установок, заг^п^нных авторскими свидетельствами. Досюезрность представленных натурных данных и полученных по ни оценок обусловлена использованием специальной тонкост-руктурЕоЭ СТО- аппаратуры и нетодик исследований, внедрением разсообразных способов уменьшения влияния динамических погрешностей на получаемый результат, высокой статистической обеспеченностью приведенных оценок. Структура 31 ййэы р£воти

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации 133 страницы, в той числе 22 рисунка и 2 таблицы. Список литературы включает 62 наименования (55 работ иностранных авторов).

С0ДЗРГА1Е1Е РАБОТУ

В первой глазе на основе известных натурных экспериментальных данных проводится анализ возможной роли солевых пальцев в формировании тонкоструктурной и микроструктурной изменчивости океана Тахзз& дан обзор различных групп натурных экспериментов по кзученкз проявляений СП в океане. Исхо-

дя из недостаточной изученности некоторых вопросов, связанных с конвекцией СП, дано обоснование актуальности выбора темы и задач исследований.

Вторая главц диссертаций полностью посвящзна вопросам получения и обработки ксходньа данных. Состоит она из четырех разделов.

В разделе 2.1 покаэаао, что для изучения связанной с СП тонкоструктурной изменчивости океана аппаратура и методика исследований обязаны удовлетворять следующим требованиям:

а) вертикальное рааресзние приборов по температуре и солености должно быть не хуга ю см;

б) горизонтальное рааресэиие не долото превыоать 100 и -1 кн. В противном случае ко соседних профилях зондировании затруднена однозначная кдекгк£жациа тонкоструктурных элементов с вертикааьньы шссгаОоы 0.1 - 10 и.

Наиболее цохзсообразныу для выполнении пункта а) является исполъ&осанке тонкоструктуряыя свободноскользег?« вдоль наг. руганного кабот*-троса СЮ-оодсов тета "Камгшжс-1" и "Ноып-" хзкс-11Г. Цриведзны технические хористернст1-ш стих приборов. Так как статная аппаратура "Коизлекс-Г* п "Комплекс-1М* не позволяет проводить иэиэрэнЕШ с высокой частотой зонднро-Бап^й (пупс б)), то опкзс^н конструктивный пемзнения схеш и иэ^одкка проведана оондированнй этими приборами дл5 достийвнйя иеобходишго разрешения по горизонтали.

Раздел 2.2 посеяе^н вопросам первичной обработки дан-ныл. Приведена конкретная последовательность операций на; исходными рядами данных с обоснованием каадого пункта.

В разделе 2. 3 диссертации предлагаются некоторые спосо бы уганьЕения динамических ошибок расчета солености, плот кости шрской воды на аппретурном уровне СЮ-систем. Рассмотрены 3 принципиальных вовиэнностн облигация переда точных хсрс.чтеристик датчиков теьяюратуры (ЯГ) и элзктропро водности (©):

1. СовьяЕрние дагчшюв тешюратуры и элзктрсарЭЕОдност в едином проточном корпусе обессзчазает идентичность измеря ешх датчиками обьзетв среды. Кроыз того, при такой совиевзз нии мехашгаэские наказания, которые претерпевает исследуема

среда (за счет неидеальной протекаеыостн корпуса и т. п.) на входе обоих измерительных каналов, одинаковы.

2. Введение в электрическую схему зонда блока временной задержки ¿¿"между последовательные опросами ДЭ и ДТ при формировании кадра информации. В качестве критерия для определения "оптимального" значения Л £ используется минимальность квадратичных взаимных отклонений фазовых характеристик датчиков при заданной скорости зондирования.

3. Мспользовашге распределенного в направлении зондирования датч1эш температуры (РДТ). В этом сдучзе появляется дополшгтельный подгокочный параметр (длина проекции РДТ в направлении зондирования) для сближения ашшггудных характеристик Д8 н РДТ. На основе экспериментально полученной с использованием специальной методики создания стратифицированных растворов [ 1, 12] передаточной функции отклика четы-рехэлектродного контактного датчика электропроводности макета прибора "Комплекс-1Ы" произведен расчет "оппашьных" характеристик РДТ.

Преимущества предлагаешх конструктивных особенностей датчиков демонстрируются на основе численного примера иыми-тации зондирования высокоградиентной прослойки, разделящей однородные слои.

Раздел 2. 4 диссертации посвящен цифровым методам динамической коррекции исходных данных для СТО-систем. Предложи алгоритм автоматизированного поиска оптимальных значений коэффициентов цифровых фильтров для динамической коррекции. В качестве критерия, по которому можно судить об эффективности коррекции, предлагается использовать безразмерное число Р с областью значений [-1,и ¿>l(7¿^.f~7¿)(S¿+f-S¿)

где Тс . - последовательные значения ряда температуры,

• последовательны? значения ряда солености, полу-

ченные по отфильтрованным значениям рядов температуры и электропроводности.

Наличие динамических шумов прибора наиболее ярко проявляется в местах с резкими изменениями вертикальных градиен-

Р~

¿

тов температуры и солености. Поэтому для поиска коэффицие» тов фильтров наиболее удобно использовать участки со ступе! чатой стратификацией дифференциально-диффузионного происхо) дения. В этом случае значение Р для незашумленного профи.) должно быть положительным и близким к +1. Для этих участкс автоматизированная процедура поиска фильтров, уменьшают динамические ошибки, заключается в подборе значений коэфф цшнтов, при которых параметр Р становится максимальным.

основная особенность данной процедуры заключается том, что она не требует трудоемких и дорогостоящих стендовь измерений передаточных функций отклика каналов температуры электропроводности. В диссертации на примере CTD-зоад "Комплекс-1М" демонстрируется применимость найденных таю способом фильтров температуры и электропроводности для cj паствеиного уменьшения динамических ошибок.

В главе 3 описаны некоторые особенности поведения cв^ занйых с солевыми пальцам структур в условиях ступенчатс стратификации. Состоит она из двух частей.

В разделе 3.1 анализируются результаты различных типе выполненных автором лабораторных экспериментов, где в услс виях пальцевой стратификации растворов соли и сахара взакме действие движений в пальцевых ячейках и вторичной крупне масштабной конвекции пороадало квазистационарные структур типа линз на высокоградиентных прослойках. Для создания ве[ тикальной ступенчатой стратификации использовались методику защищенные авторски® свидетельствами [1, 25].

Представлены два типа экспериментов. В первом - линг формируется в ограниченной по горизонтали щели на пальцевс границе раздела меаду двумя однородными слоями жидкост» Второй иллюстрирует формирование аналогичных линз в условш трехслойной ступенчатой пальцевой стратификации на границе раздела, но уже без искусственно создаваемых горизонтальнь неоднородностей. При этом в однородных слоях индуцируете конвективное движение в форме вихрей. Горизонтальный рааме индивидуального вихря примерно равен вертикальному размер квазиоднородного слоя. В среднем слое кюветы интенсивное! конвекции существенно выше, чем в верхнем и нижнем. 0p6s

тальная скорость элементов жидкости в вихрях достигает 8 мм/сек.

Описанные лабораторные эксперименты могут служить объяснением причины квазирегулярной пространственной изменчивости температуры и солености слоев с горизонтальным периодом, равным вертикальному размеру слоя, которая наблюдается в ступенчатой структуре океана со стратификацией СИ

В разделе 3. 2 па основе методики проведения частых сет рий зондирований СЮ-зондом "йошлекс-1" анализируются особенности поведения ступенчатых структур в условиях фронта 1*элпассатяого противотечения. Таю® делается вывод о возможных механизмах обмена в различных местах фронта.

Кэзомасштабная съеша на полигоне ( 10от11о с. ш., 53°т54° з. д.) была проведена буксируема СТО-зондом зонд" с горизонтальной дискретностью 10 т 20 миль. 1Ь данным этой съемки, определялась оСг»я гидрологическая обстановка на полигоне и возможное местопояотзние и ориентация фронталыа^З зоны М&япассатного противотечения. Затем локализация фронтального раздела и его характеристики уточнялись проведением измерения на микрополигоне по данным "Комплекс- 1".

Одним из этапов исследования на "микрополигоне" стало проведение двух особо частых разрезов через данную фронтальную зону. Этому способствовала обцзя гидрометеорологическая обстановка, так как направление дрейфа судна практически совпададэ с кросс-фронтальным. Измерения показали, что область «апикальных изопикнических градиентов температуру и солености поперек данной фронтальной зоны не является локальной, а имеет горизонтальные размеры. Поэтому удобно использовать понятие "фактической ширины" фронтального раздела, введенное К. Н. Федоровым (страница 73 его книги " Физическая природа и структура океанических фронтов // Л. Гидро-метеоиэдат, 1983, 296 С).

"Фактическая ширина" фронтального раздела составляла 4 т 5 км, перепад температуры вдоль изопикны на глубине 300 м достигал 1.2°С. На глубинах 250 т 400 м обнаружены однородные по температуре и солености слои. Несколько неожиданным

оказался тот факт, что некоторые из этих слоев прослеживаются поперек всей фронтальной зоны, простираясь в обе стороны от фронта. Для однородных слоев внутри фронтальной зоны характерно наличие инверсий (увеличение твьтературы и солености с глубиной) двух типов: 1)" располоямшэ по края к фронтальной зоны вне фронтального раздела н 2) расположенные внутри "фактической ширины" фронталвого равдеда. ' Если проследить за изменением температуры н плотности внутри слоев, включая и инверсные зоны, то мокно увидеть, 'что вонь разных типов принципиально отличаются друг от друга

На ТБ-диаграмме линия, соединяющая точки, соответствующие верхней и нижней частям сдоя в инверсиях второго ткпа, располагается параллельно обвэй линии ивмгненкй ТБ инд$ксо! слоя по горизонтали. Вероятно, для этих инверсных зон характерно наличие горизонтальных движений внутри образованного слоя, когда верхняя часть слоя смещается относктельж нижней.

Инверсные зоны, расположенные по краям фронтальной зон! вне "фактической ширины" фронтального раздела, имеют другу) природу. От зондирования к зондированию.плотность как верхней, так и нижней частей слоя в инверсной вот (в отличие о1 температуры) практически не изменяется. Т^ -диаграмма верх ней, более легкой, части проходит параллельно Тб" -диаграмм' нижней части и располагается несколько ни*» ее. Это свиде тельствует о подтекании более тяжелых вод под более легки за счет адвективных процессов на краях фронтальной зоны. Та кое внедрение одних вод в другие должно сопрововдаться гори зонтальным, точнее изопикническим перемешиванием, чтобы об разовать подобную Тё -диаграмму.

Ниже приведены обобщэнные по интервалу глубин 250-400 характеристики данной фронтальной зоны Межпассатяфго проти вотечения.

В данном районе вне фронтальной зоны горизонтальнь градиенты температуры и солености не превышают 3*10-6^ /м соответственно. Инверсии в квазиодпородных слоя отсутствуют. Фоновое вертикальное плотностное отношенк составляет »1.6, а горизонтальное плотностное отношена

¡доль слоя » 0.75.

Поперечный горизонтальный размер данной фронтальной зо-ш Межпассатного противотечения 7 10 км. Горизонтальное 1лотностное отношение, рассчитанное по перепадам температуры ! солености сдэов шяду северной и южной относительно, фронта икяеьами ступенек, составляет^0.85. Фановые кросс-фрон-гагьныэ градиэиты температуры и солености достаточно хорошо скомпенсированы в поле плогности. Параметр термоклинности [тангенс угла наклона изотерм) достигает 1.2*1О'2, тогда как Зароклинность (наклон иэопмкн) не превышает 4*10"^.

"Фактическая кгярнна" фронтального раздела 4 г 5 км. Горизонтальныэ градиенты те*£пературы и солености здесь -[ 1т4)°С/м (О. Зт1)*10"3 %г/и соответственно. Для "квази-эднородных" с^оеп пра(«терно наличие изеерсий (увеличение температуры и соганости с глубиной) 2-го типа. Вертикальное ллотностное отноезкиз дхя "пальцевых" (уменьпэние температуры и солености с глубшгой) высокоградиентных прослоек составляет придарго 1. 3. Горизонтальное плотностное отношение вдоль "кзаэиоднородиых" слоев превысаёт соответствующую галячту ояносания вертикальных потоков тепла и соли в кон-сешгга СП. В ряде случаев горизонтальное пдотностное отношение достигает значений вертикального плотностного отношения.

Поперечный размер пер::фэрийных участков (краев) фронтальной зоны вне "фактической ширины" фронтального раздела ~1 т 2 км. Горизонтальные градиенты температуры и солености в этих оОлютях - (0.5 ; 5)*10~* °С/м и (0.1 т 1)*10~*%о /м соответственно. Внутри "квазиоднородных" слоев возможно наличке инаэрскЯ 1-го типа Величина горизонтального плотностного относзяая вдоль "квазиоднородных" слоев близка к 1.

В четвертой зтив диссертации для ступенчатых структур океана продзэ:ззка процедура автоматического выделения зон возыояпой яя&лкзацин солевых пальцев для ступенчатых термо-зсастиных структур: исходные профили температуры и солености фактически заменяются шдельньас!, на которых, во-первых, выделяются области с градкзнгаш температуры ниже некоторого критического (слои), во-вторых, если толщина такого слоя больше некоторой заданной, то температура и соленость в слое

считаются постоянными и равными средним по этому слою, и, в-третьих, в области между двумя такими слоями (прослойке) считается постоянным плотностное отношение, определяемое те:лературой и соленостью этих двух слоев. Внутри прослойки выделяются гоны с градиентами температуры большими, либо ра-ными среднему по данной прослойке градиенту. Эти гоны ("подпрослойки") считаются зонами возможной локализации солевых пальцев, и (по измеренному перепаду температуры и плотностнзму отношению) потоки в них рассчитываются по известным лабораторным соотношениям:

1) вертикальный поток плавучести аасчет соли прямо пропорционален перепаду солености через прослойку, содержащую СП, в степени 4/3 ("закон 4/3"):

. (1)

Эмпирический численный коэффициент пропорциональности С зависит от плотностного соотношения

/?= ссГг/(Я

(.ОС и- коэффициенты теплового расвирения воды и уплотнения за счет солености, Т2 и - вертикальные градиенты температуры и солености соответственно) и можнет быть аппроксимирован выражением

С = 0.05 + 0.3 Я~3

2) суммарный поток плавучести/¿э , обусловленный переносом по вертикали тепла и соли, прямо пропорционален градиенту температуры внутри прослойки: „ ^

Р/>-А^ССТ£-^Г- (2)

где ^ - коэффициент молекулярной вязкости, А - параметр Стерна, принимающий (по данным лабораторных экспериментов) значения от 1 до 4.

3) отношение вертикальни потоков тепла и соли

Г-лРгЛЛЬ)

является убывающей функцией /? , принимает значения в интервале 0 < V < 1 и молет. быть аппроксимировало теоретической формулой [1Ш: _

дг^Яи-Л^Щ)

- 15 -

На основе массового статистического материала доказывается применимость к зонам "возможной локализации" солевых пальцев лабораторных законов (1, 2). Рассмотрены пределы этой применимости. Для этих зон по СТО-данным "Комплекс-1", полученным в области ступенчатого расслоения океана ( 10°г11о с. ш., 53°т54° з. д.), приведены основные среднестатистические характеристики солевых пальцев.

В заключении приводятся основные результаты и выводы выполненных исследований:

1. На основе предложенной методики создания стратифицированных растворов получена. передаточная функция отклика контактного четырехэлектродного датчика электропроводности макета прибора "Комплекс-1М".

2. Предложены способы уменьшения динамических ошибок расчетов солености, плотности морской воды на аппаратурном уровне, а именно:

а) совмещение датчиков температуры и электропроводности в едином проточном корпусе;

б) введение в измерительную цепь канала электропроводности схемы временной задержки;

в) использование в качестве измерителя температуры распределенного в направлении потока контактного датчика.

3. Для СТО-систем предложена и внедрена процедура поиска значений коэффициентов для цифровой фильтрации исходных данных каналов температуры и электрической проводимости, обеспечивающих динамическую коррекцию.

4. На основе лабораторных опытов получен новый результат, свидетельствующий о том, что в условиях ступенчатой стратификации конвекция солевых пальцев может приводить к возникновению в квазиоднородных слоях упорядоченных вихревых структур. Описаны пространственно-временные характеристики этих вихрей.

5. Предложена и внедрена методика проведения частых серий зондирований в интересующем диапазоне глубин приборами, свободно скользящими вдоль нагруженного кабель-троса, типа "Комплекс-1" и "Комплеке-1М"

6. На основе частых серий зондирований, выполненных

прибором "Комплекс-1Ы", получены новые данные об особен ностях поведения ступенчатых структур в области фронтально; зоны Межпассатного противотечения. Писано, что

а) однородные слои в ступенчатой структуре могут прослежи ваться поперек всей фронтальной зоны;

б) внутри фронтального раздела возможны горизонтальны движения верхней части каждого "квазиоднородного" слоя от носительно его нижней части. Существенную роль в обмене теп лом и солью помимо двойной диффузии играет и турбулентность

в) для периферийных областей фронтальной зоны характерно по-видимому, наличие горизонтальных адвективных процессов i изопикнического перемешивания.

7. На основании обширного статистического материала до казана возможность применения к океанским CTD-данным лабора торных законов (1, 2). Указаны пределы их применимости.

8. Для ступенчатых структур со стратификацией типа со левых пальцев предложен и внедрен алгоритм выделения зо! "возможной локализации" солевых пальцев. Применительно i этим выделенным зонам на основе массового статистическоп материала, полученного по данным прибора "Комплекс-1" в ра йоне "C-SALT", показано, что

а) значение потока плавучести g-F/) - 2. 2*10 Вг/кг рассчитанного по "закону 4/3", согласуется с известным оценками потока по измерениям скорости диссипации кинети ческой энергии в данном районе, что подтверждает примени мость этого закона е океане;

б) вертикальный масштаб выделенных зон возможной локализа ции солевых пальцев fi- 0,14 м;

в) среднее значение параметра Стерна для этих зон

A {"закон 4/3">(l-r)R/[P (R-l)OLTz J - 1,76.

Диссертация является обобщением работ, выполненных рамках междуведомственного проекта "Микроструктура" обще государственной комплексной программы исследования и исполь зования Мирового океана на 1986-1990 годы и на перспектив до 2000 года (шифр 03.02 N 0187.0018093) и проекта "Диффу - зия" ОКП "Мировой океан" (шифр 01.13 N 0191.0043028).

Основные научные результаты, одзменнш в диссертация, опубликованы в следующих работах и изобретениях:

Способ создания стратифицированных жидкостей для гидрофизических исследований // Авт. свид. N 1582088, БИ N 28, 1990 (совместно с Багимовым И. С. и Самодуровым A.C.).

Создание динамически невозмущенной границы раздела жидкостей // МГИ АН УССР. Севастополь, 1988. Депонир. в ВИНИТИ N 3372-В88 (совместно с Багимовым И. С. и Самодуровым А. С.).

Исследования тонкой термохалинной структуры в северозападной части Тропической Атлантики // В сб. Исследования вертикальной тонкой структуры гидрофизических полей в тропической и субтропической зонах Атлантики. 49-й рейс НИС "Михаил Ломоносов" МГИ АН УССР, 1989, деп. в ВИНИТИ, N 378-В89 ( совместно с Кирющенко И. Г., Козловым А. Н. , Кропиновым В. А. , Кульшой 0. Е. , Новиковым Г. Д., Охотниковым И. R ).

Методика исследования пространственной изменчивости тер-мохалинных тонкоструктурных элементов малых масштабов // В сб.: Исследования вертикальной тонкой структуры гидрофизических полей в тропической и субтропической зонах Атлантики. 49 рейс НИС "Михаил Ломоносов". МГИ АН УССР, Севастополь, 1989, деп. ВИНИТИ, N 378-В89 (совместно с Козловым А. а , КропиноЕым RA.).

Вертикальные потоки тепла и соли в северо-западной части Тропической Атлантики // Труды 1II Всесоюз. научно-технической конференции "Вклад молодых ученых и специалистов в решение проблем океанологии и гидробиологии", Севастополь, 1988 (совместно с Козловым А. Н.).

об уменьшении динамических ошибок расчета солености // Всесоюзная конференция "Проблемы стратифицированных течений", г. Канев, 1991 (совместно с Кульшой O.E., Матвеевым А. В. ).

Способ определения солености »юрской воды в реальном масштабе времени // Авт. свид. СССР (заявка N 4736476/25 - (116929) от 11.09.1989, положительное ре-

- 18 -

шение от 25.02.1991) (совместно с Матвеевым A. R , Куль-июй О. Е.).

8. Первичный измерительный преобразователь для определения

солености морской воды в реальном масштабе времени // Авт. свид. СССР (заявка N 4741676/25 - (122127) от 29.09.1989, положительное решение от 25.02.1991) (совместно с Матвеевым A. R , Кульшой О. Е.).

9. Тонкая вертикальная структура на термохалинном фронте в

области ступенчатого расслоения // Известия АН СССР. Сер. гидрофиз. ФАО. Т. 28. N. 12. С. 1218-1222 (совместно с Охотниковым И. Е ).

10. Тонкая вертикальная структура на термохалинном фронте в

области ступенчатого расслоения // Всесоюзная конференция "Проблемы стратифицированных течений", г. Канев, 1991 (совместно с Охотниковш И.Е).

11. Оценки тепломассопереноса, обусловленного конвекцией со-

левых пальцев в районе "С-SALT" // Всесоюзная конференция "Проблемы стратифицированных течений", г. Канев, 1991 (совместно с Пантелеевым Е А. , Козловым A.R).

12. Создание нелинейно-стратифицированных растворов в лабо-

раторных экспериментах по двойной диффузии // В сб. Внутренние волны и турбулентность. Изд. МГИ АН УССР, Севастополь, 1984.

13. Структура квазиоднородных слоев в режиме солевых пальцев

// "Актуальные проблемы океанологии". I Всесоюз. школа-семинар, Ленинград, 1987.

14. Вихревая конвекция в квазиоднородных слоях, обусловлен-

ная деятельностью солевых пальцев // "Микроструктура океана и турбулентность". Материалы III Съезда советских океанологов. Секция: Яизика и химия океана. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1987.

15. Заметки по теории солевых пальцев // МГИ АН УССР. Се-

вастополь, 1988. Депонир.' в ВИНИТИ N 5387-В88.

16. Вертикальные потоки тепла, соли, плавучести через

прослойку, содержащую солевые пальцы // Труды IV Всссоюз. научно-технической конференции "Вклад молодых ученых и специалистов в решёние проблем океанологии и

- 19 -

гидробиологии", Севастополь, 1989.

17. Взаимодействие солевых пяльцев и неоднородных сдвиговых

потоков // "Вихри и турбулентность в океане" III Веесоюз. конференция, Светлогорск, 1990.

18. Вертикальные потоки через прослойку, содержащую солевые

пальцы // Труды 111 Всесоюз. симпозиума "Тонкая структура и синоптическая изменчивость морей и океанов", Таллинн, 1990

19. Солевые пальцы в ква?истационарном состоянии // Известия

АН СССР. Сер. гидрофиз- ФАО. Т. 28. N. 9. С. 988-997.

20. Методика исследования пространственной изменчивости тер-

мохалинных тонкоструктурных элементов малых масштабов // В сб. Исследования вертикальной тонкой структуры гидрофизических полей в тропической и субтропической зонах Атлантики. 49-й рейс НИС "Михаил Ломоносов" МГИ АН УССР, 1989, деп. в ВИНИТИ, N 378-В89. (совместно с Козловым А. Е , Кропиновым В. А.).

21. Взаимодействие солевых пальцев и неоднородных сдвиговых

потоков // "Актуальные проблемы океанологии". I Всесоюз. школа-семинар, .Дэнинград, 1987. (совместно с Кропиновым Е А.).

22. Конвекция солевых пальцев в системе слоев и прослоек //

Труды II Всесоюз. симпозиума "Механизмы генерации мелкомасштабной турбулентности в океане", Калининград, 1985. (совместно с Самодуровым A.C.).

23. Примеры самоорганизации в системе с двойной диффузией //

Всесоюзная конференция "Проблемы стратифицированных течений", г. Канев, 1991 (совместно с Самодуровым A.C.).

24. Самоорганизующиеся линзы в системе с двойной диффузией

(лабораторное моделирование) // Океанология, 1992, т. .32, вып. 4, С. 795-800 (совместно с Самодуровым A.C.). .25. Кювета для гидрофизических исследований на границе раздела жидкостей // Авт. свид. СССР N 1317332, БИ N 22, 1987 (совместно с Самодуровым A.C., Багимовым И. С.).