Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Поверхностный микрослой океана

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора физико-математических наук, Лапшин, Владимир Борисович, Москва

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ (РОСГИДРОМЕТ)

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОКЕАНОГРАФИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

^ -------;—-—-----г— На правах рукописи

■\ Президиум ВАК России

(решение'.- 9 Ж" 19 Ц г., №

присуди/ У1- ную степень ДОКТОа;/': ; . / ачальник управления ВАК России

ЛАПШИН Владимир Борисович

ПОВЕРХНОСТНЫЙ МИКРОСЛОЙ ОКЕАНА (Физические свойства и процессы) (04.00.23 — физика атмосферы и гидросферы)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва —1998

Оглавление

Введение.......................................................................................................................4

Глава 1. Океанологические и реологические особенности поверхностного слоя океана — экспедиционные и лабораторные исследования.................................................i...........................................................16

1.1. Океанологические свойства поверхностного слоя океана.......16

1.2. Натурные и лабораторные исследования поверхностного давления и реологических свойств пленок океанских ПАВ .......................40

1.3. Гидролого-гидрохимический состав поверхностного микрослоя океана.............................................................................................67

Глава 2. Физическое и математическое описание процессов переноса в межфазной зоне океана с атмосферой^ устойчивость конвективных движений в ПМС.....................................................................................................90

2.1. Сопряженная гидродинамическая модель морской поверхности и приповерхностного слоя океана, включая адсорбцию ПАВ.....................................................................................................................90

2.2. Капиллярно-конвективная неустойчивость слоя воды в присутствии слаборастворимых поверхностно-активных веществ...........111

2.3. Полуэмпирическая модель газообмена вода-воздух.................124

t

Глава 3. Численная реализация сопряжений системы уравнений гравитационно-капилярной конвекции для поверхностной и объемной фаз.......................................................................................................... 134

3.1. Разностная схема расчета процессов переноса в приповерхностном слое и на морской поверхности...................................134

3.2. Описание программного комплекса ...........................................142

3.3 Тестирование численной модели..................................................156

Глава 4. Численное моделирование гидротермодинамических процессов в приповерхностном слое океана и на морской поверхности, включая адсорбцию ПАВ..........................................................165

4.1. Сравнительный анализ энергетических, диффузионных и

(

адсорбционных процессов основных типов гравитационно-капиллярной конвекции.................................................................................167

4.2. Рассеяние светового излучения подповерхностной конвекцией.......................................................................................................202

Глава 5. Крупномасштабная полуэмпирическая модель определения скорости газообмена по данным спутниковой СВЧ-радиометрии.........217

5.1. Актуальность проблемы, современное ее состояние и

' перспективы исследования.......................<............'.........................................218

5.2. Скорость газообмена океана с атмосферой по данным спутниковой СВЧ-радиометрии на примере Северной Атлантики...........228

5.3. Лабораторные и численные эксперименты по исследованию влияния особенностей межфазной зоны в системе океан-атмосфера на определение скорости газообмена по данным СВЧ-радиометрии............228

5.3.1. Радиотепловое излучение многослойной межфазной зоны в системе океан-атмосфера...............................................................................262

5.3.2. Расчет коэффициентов излучения, поглощения и отражения приводных межфазных структур типа пены и брызг..............272

5.3.3. Расчет излучательной способности морской поверхности в присутствии пленок техногенных ПАВ..Л....................................................284

5.3.4. Расчет излучательной способности морской поверхности в штормовых условиях.......................................................................................313

Заключение............................................................................................................330

Список литературы..............................................................................................333

Приложение............................................................................................................370

I

I

Введение

"Едва заметные события происходящие в тонком пленочном слое жидкости, покрывающем семьдесят процентов земной поверхности, играют решающую роль в благополучном развитии жизни на Земле" — так Ф. Макинтайр сформулировал свое отношение к поверхностному микрослою океана [293].

Впервые идея о сгущении свойств на контактных поверхностях была высказана Д.У. Гибсом еще в 19 веке. Это представление, применительно к океанологии использовал В.И. Вернадский, сформулировав понятие о квазиконцентрической, циркумграничной структуре Мирового океана. Эта концепция оказалась крайне плодотворной и нашла свое отражение в трудах практически всех выдающихся океанологов прошлого и современности.

Одним из ярких примеров океанологических объектов, в котором наблюдается резкое сгущение физических, химических и биологических свойств является поверхностный микрослой океана. Физические свойства и процессы поверхностного микрослоя океана во многом определяют потоки тепла, соли, влаги, атмосферных газов между океаном и атмосферой.

В океанологии поверхностный микрослой (ПМС) океана, как правило, ограничивается глубинами до 1000 мкм. В реальных условиях эта величина подвержена значительным колебаниям, вплоть до порядка величин, и определяется метеорологическими, гидрологическими, гидрохимическими и гидробиологическими условиями вблизи морской поверхности [34, 144, 168, 198].

ПМС океана, в котором ламинарное течение преобладает над турбулентным, состоит из следующих подслоев: ламинарно-вязкий 11в ~ 1000 мкм, термический Ьх ~ 300 мкм, диффузионный Ь^ ~ 50 мкм и так называемый на-нослой Ьн ~ 1 мкм, в котором концентрируются поверхностно-активные вещества [34, 144, 242].

Планомерное изучение ПМС океана с разной интенсивностью проводится начиная с 60 годов нашего столетия [244], [257], [274], [275]. Первый

«■> плые

пик исследовании пришелся на 70— годы, когда стало ясно, что техногенные загрязнения и прежде всего нефтяные, накапливаются вблизи морской поверхности и существенно влияют на энергомассообмен между океаном и атмосферой [202], [241], [286], [289], [308].

Следующий период активных исследований в этой области пришелся на последнее десятилетие и связан с той ролью, которую ПМС играет в современных флуктуациях климата планеты. Согласно докладу ВМО "Поверхностный микрослой океана и глобальные изменения", глобальные изменения в окружающей среде — одна из наиболее важных проблем, с которой человечество столкнется в ближайшие несколько десятилетий. Важной составляющей глобальной климатической системы является межфазная зона океана с атмосферой и ее основной элемент — поверхностный микрослой океана [198], [255], [355].

Практическим приложением исследований физических свойств и процессов в поверхностном микрослое океана является интерпретация данных дистанционного зондирования морских акваторий в оптическом, инфракрасном и СВЧ диапазонах электромагнитных волн [131], [136], [137], [145], [146], [147, 148]. Следует отметить, что ПМС океана в условиях сильного ветра и волнения разрушается, превращаясь из непрерывной квазидвумерной структуры в объемные дисперсии типа морской пены и воздушно-капельной дисперсии. Последние резко интенсифицируют обменные процессы между океаном и атмосферой. Это обстоятельство используется при разработке специальных методов для оценки энергомассообмена, в том числе с использованием данных дистанционного зондирования [196], [196], [197], [367].

Присутствие на морской поверхности техногенных (прежде всего нефтяных) и биогенных пленок изменяет ее физические свойства и серьезно ог-

раничивает сферу применимости дистанционных методов в океанологии [16, 28,138, 141,142].

Целью данной работы является исследование основных гидрологических, гидротермодинамических, гидрохимических и отдельных электрофизических свойств поверхностного микрослоя океана необходимых для оценки процессов энергомассообмена, включая газообмен через морскую поверхность. Эксперименты по измерению изотерм поверхностного давления и реологических параметров ПМС океана в океанских и лабораторных условиях позволили разработать сопряженную гидротермодинамическую модель переноса импульса, тепла, соли и газовых компонент в системе ПМС океана -морская поверхность.

Измерение диэлектрических свойств морской поверхности, покрытой пленками нефти и нефтепродуктов, слоем морской пены и воздушно-капельной дисперсии позволили обосновать использование данных спутниковой СВЧ-радиометрии в разработанной крупномасштабной модели определения скорости газообмена через морскую поверхность. Результаты расчета скорости газообмена позволили оценить потоки двуокиси углерода для тропической зоны Атлантического океана.

Научная новизна и основные положения выносимые на защиту В результате выполнения исследований получены результаты имеющие научную новизну, некоторые из которых в виде следующих положений выносятся на защиту:

— В результате многолетних экспедиционных и лабораторных исследований, используя оригинальные методы и инструменты, впервые обнаружена аномальная температурная зависимость поверхностной вязкости, коэффициента поверхностного натяжения и изотерм поверхностного давления.

Введение_

— Впервые разработана сопряженная гидротермодинамическая модель морской поверхности и приповерхностного слоя океана с адсорбцией биогенных поверхностно-активных веществ из объемной фазы.

— Используя разработанную модель, в результате численных экспериментов впервые определена роль как отдельных видов гравитационно-капиллярной конвекции (термические и соленостные конвекции Релея и Марангони, концентрационные объемная и поверхностная конвекции Марангони), так и их взаимного влияния на процессы переноса в приповерхностных слоях океана.

— Численные эксперименты с привлечением результатов спектрального анализа капиллярно-конвективной неустойчивости и данных измерения реологических параметров морской поверхности позволили оценить критическое температурное число Марангони для слоя жидкости охлаждаемого сверху с учетом особенностей термической стратификации ПМС океана.

— Впервые сформулирован и исследован физический механизм, управляющий значительной частью теплового баланса (до 20 процентов), потоками соли и газообменом в межфазной зоне системы океан - атмосфера.

— В результате натурных и лабораторных экспериментальных исследований дано, новое представление о механизме формирования структуры адсорбционного слоя биогенных поверхностно-активных веществ, определяющего подавление энергомассообмена через морскую поверхность.

—- Разработан принципиально новый метод отбора проб воды из поверхностного микрослоя океана (капиллярный пробоотборник), обеспечивающий контроль толщины отбираемого слоя и консервацию пробы.

— На основе разработанного метода и устройства отбора проб морской воды впервые получены достоверные данные о солевом и гидрохимическом составе поверхностного микрослоя океана.

Введение_

— Поставлена и решена задача определения роли адсорбции, с учетом качественного состава биогенных поверхностно-активных веществ в процессах переноса через приповерхностный слой океана.

— Разработана и верифицирована полуэмпирическая модель оценки скорости газообмена океана с атмосферой с учетом кривизны морской поверхности.

— Разработан новый метод оценки скоростей газообмена по данным спутниковой СВЧ-радиометрии и синоптического анализа, основанный на эмпирических соотношениях, связывающих радиояркостную температуру океанской поверхности и скорость газообмена с интенсивностью образования на морской поверхности мелкомасштабных структур типа морской пены.

— Впервые построены синхронные карты скоростей газообмена на всей акватории Северной Атлантики для зимнего и летнего сезона.

— Совместный анализ карт скоростей газообмена и синоптических карт для Северной Атлантики позволил выявить существенное влияние разгона на интенсивность газообмена. Например, в конце шторм-трека над Северной Атлантикой скорость газообмена более чем в два раза превышала скорость газообмена в начале разгона при одинаковой силе и направлении приводного ветра на сравниваемых участках.

— Проведены лабораторные волноводные измерения диэлектрической проницаемости вспененной морской поверхности для различных температур и соленостей в присутствии пленок различных нефтей и нефтепродуктов; с помощью разработанной модели вычислены диэлектрические проницаемости для слоя мелкомасштабных образований типа брызг.

— На основе расчетных и измеренных значений диэлектрических проницае-мостей вычислены коэффициенты отражения и излучения для морской поверхности, покрытой слоем мелкомасштабных образований типа пены, брызг, нефтяной пленки.

Введение __

— Полученные зависимости коэффициента излучения от толщины слоя брызг, пенных образований, пленки нефти или нефтепродуктов позволили оценить соответствующие радиоояркостные контрасты: чистая морская поверхность — поверхность, покрытая пеной, брызгами или пленкой нефти (нефтепродуктов). Сопоставление расчетных контрастов позволяет пренебречь влиянием пленки нефти (нефтепродуктов) или слоя брызг на определение скоростей газообмена по данным спутниковой СВЧ-радиометрии океана.

— Численный анализ модуляции светового излучения подповерхностной конвекции показал наличие максимума амплитуды модуляций, положение которого определяется соотношением вертикального и горизонтального размеров конвективных структур.

— Впервые выполнена оценка потока двуокиси углерода через морскую поверхность для тропической части Северной Атлантики на основе натурных наблюдений и данных спутниковой СВЧ-радиометрии.

Положения, выносимые на защиту, основаны на анализе многолетних экспедиционных (Северная Атлантика) и лабораторных экспериментов.

Ряд экспериментов выполнялся на основе специально разработанных устройств, обеспечивающих точность (особенно в судовых условиях) необходимую для решения поставленных в работе задач.

Тестирование разработанных моделей проводилось с использованием как данных полученных в результате специальных экспериментов, так и по опубликованным материалам. Опубликованные автором результаты работы подтверждены и использованы в работах других специалистов.

Изложенное выше свидетельствует о научной новизне и обоснованности выводов, изложенных в диссертации.

Краткое содержание работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа содержит — 369 страниц машинописного текста, — рисунков и — таблиц.

Введение_

Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой проблемы, сформулированы основные положения выносимые на защиту, дано краткое изложение содержания диссертационной работы по главам.

Первая глава посвящена результатам многолетних экспедиционных и лабораторных исследований океанологических параметров ПМС океана с использованием разработанных методов и инструментов. В главе излагается принципиально новые результаты по гидрологическому и гидрохимическому составу ПМС океана. Приводятся впервые обнаруженные в океанских условиях и подтвержденные позднее в лабораторных условиях аномальные зависимости поверхностного натяжения морской воды из ПМС. Данная аномалия была также обнаружена при измерении поверхностной вязкости и изотерм поверхностного давления в присутствии биогенных поверхностно-активных веществ. Рассматривается роль обнаруженных аномалий в формировании различных режимов обмена через морскую поверхность. На основе проведенных экспериментов и опубликованных данных оцениваются реологические параметры системы уравнений, описывающих перенос импульса, тепла, соли и газовых компонент в ПМС океана.

Во второй главе, основываясь на результатах изучения физических свойств ПМС океана, дано физическое и математическое описание процессов переноса импульса, тепла, соли и атмосферных газов через морскую поверхность. В общей постановке изложена сопряженная гидротермодинамическая модель морской поверхности и приповерхностного слоя океана. Модель описывает гравитационно-каппилярную конвекцию и связанные с ней потоки тепла, соли и газовых компонент в ПМС океана. Модель позволяет изучать шесть различных видов конвекции в любой комбинации — термическая и соленостная конвекция Релея, термическая и соленостная конвекция Маран-гони, а также концентрационная (объемная и поверхностная) конвекция Ма-рангони. Реологические параметры, приведенные в первой главе, позволили оценить, обезразмерные параметры исследуемой системы уравнений и выде-

Введение_

лить основные физические процессы, управляющие энергомассоо