Эффекты мелкомасштабных гидрофизических процессов в океане и методы их экспериментального исследования

• Автор: Пака, Вадим Тимофеевич
• Шифр специальности: 01.04.12
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1983
• Место защиты: Калининград
• Количество страниц: 529 c. : ил

Вертикальное перемешивание верхнего деятельного слоя океана, несмотря на характерную для сначительной доли его объема устойчивость плотностной стратификации, осуществляется со скоростями, значительно большими скоростей молекулярной диффузии. Это обусловлено совместным действием турбулентности, внутренних короткопериодных волн и процессов, связанных с существованием тонкой структуры термохалинных голей и течений. Именно этим определяется фундаментальное и прикладное значение указанных мелкомасштабных процессов. Интерес, к их теоретическому и экспериментальному исследованию резко козрос в послевоенные годы в связи с общей интенсификацией работ по практическому освоению Мирового океана, с развитием гидроакустики и гидрооптики. Совокупность решаемых задач быстро приобрела проблемное значение. По мере углубления в сущность проблемы ее актуальность становилась все более и более очевидной. 3 настоящее время над этой проблемой интенсивно работают все крупные исследовательские центры мировой океанологии. Успехи теоретических и экспериментальных исследований мелкомасштабных процессок несомненны и значительны. Об этом свидетельствует ряд крупных монографических обобщений, опубликованных за последнее десятилетие ведущими советскими и иностранными учеными. Большой вклад к развитие аппаратуры и метрологии микроструктурных измерений внесли ученые и специалисты Морского гидрофизического института А?: УССР, ОКБ океанологической техники ИОАН СССР, институтов Госстандарта и других отечественных институтов ; плодотворные иде и и убедительные свидетельства их реальности принадлежат амерш анским, канадским и английским гидрофизикам. Современная океанелогия вплотную подошла к пониманию физической сущности процессог перемешивания в специфических ус-

ловиях океанской среды. По-вадимому, основные механизмы энергообмена и формирования неоднородностей гидрофизических полей уже открыты, обнаружены в натурных условиях и теоретически описаны. Однако, многие предполагаемые эффекты, имеющие ключевое значение для проверки современных представлений о мелкомасштабных процессах и их роли в изменчивости физических полей океана, еще непосредственно в натурных условиях не наблюдались ; это обстоятельство тормозит развитие важнейших направлений физической океанологии. Поэтому до настоящего времени не завершена единая генетическая теория мелкомасштабных процессов, открыт вопрос о соотношениях вкладов различных механизмов в интегральный массо-энергообмен, об их региональной и сезонной изменчивости в Мировом океане.
Цель настоящей работы - ликвидировать хроническое отставание экспериментальных натурных исследований от потребностей современных задач и создать физические основы для систематического комплексного исследования важнейших эффектов мелкомасштабных термогидродинамических процессов в верхнем деятельном слое океана в характерных гидрометеорологических условиях.
Стандартные гидрологические измерения практически не дают требуемой новой информации в силу недостаточной разрешающей способности. Существуют уникальные приборы для исследования микроструктуры и внутренних волн с. высокими показателями разрешения по ряду характеристик, однакс и они обладают ограниченными возможностями по составу измеряемых процессов и условиям применения.
Достижение поставленной цели требует решения ряда задач, лежащих на стыке физики и техники эксперимента. Из-за недостаточности априорных знаний вознюают специфические сложности при определении требований к характеристикам измерительной аппаратуры. Необходимы компромисснье решения, оптимально удовлетворяю-

щие противоречивым требованиям комплексности, разрешения и условий применения. Найти эти решения можно методами натурного развивающегося физического эксперимента. Конкретно решались следующие задачи:
1) разработать современную методологию комплексных расширенных и систематизированных гидрофизических измерений ;
2) разработать комплекс необходимых аппаратурных средств ;
3) провести широкую проверку работоспособности и эффективности разработанных методов н аппаратурных средств в разнообразных гидрометеорологических условиях при решении конкретных физических задач ;
4) получить репрезентативные характеристики в различных районах океана :
- горизонтальной и вертикальной мелкомасштабной структуры поля температуры в приповерхностном слое,
- внутренних волн в сезонном термоклине,
- турбулентности и ее проявлений в полях гидрологических характеристик в верхнем перемешанном слое и сезонном термоклине,
- тонкой термохалинной стратификации и явлений, участвующих в ее формировании ;
5) проверить соответствие полученных результатов современным представлениям и дать расширенную характеристику наиболее полно обследованных районов с описанием режимов мелкомасштабных процессов.
В постановке указанных задач принципиально важно и ново их устремление на выявление устойчиво воспроизводимых черт мелкомасштабной изменчивости физических полей, отличающихся большой пространственной неоднородностью и нестационарностыо. Это влечет за собой повышенные требования к комплексности и объемам измерений с сохранением высокой разрешающей способности измерений в

ментальные исследования мелкомасштабных структур в различных типах фронтальных разделов, в том числе в глобальных фронтах климатического характера, изучаемых с этих позиций фактически заново, во фронтах синоптических вихрей и во фронтах прибрежных зон. Примером могут служить работы Гордона и др. [-{98 ] , Георги [ № ] в Антарктическом полярном фронте, Грегга[203 ] во фронтальной зоне Калифорнийского течения, Оуки и Эллиота [245] , а также Грегга и Сенфорда [243 ] во фронтальной зоне Гольфстрима, Дыкмана с соавторами [ 36 ] в синоптическом вихре Саргассового моря, Федорова с соавторами [<5з] в теплых и холодных рингах Гольфстрима, Хорна [2<8] в прибрежном фронте у шельфа Новой Шотландии. Рядом особенностей обладают фронтальные зоны экваториального пояса, где также выполнялись не только эпизодические (Грегга [204] ,
Кроуфорда и Осборна [^76 ] , Осборна и Билодо [253] ), но и регулярные измерения Бенилова и Монина [ <5 ] , Паки и др. [^3 ] ,
Паки[<<°> И4 ] , Паки и Федорова [<24 ] , Поздынина [<37,136 ]
Весьма интересны исследования интрузионных явлений в сравнительно слабых и подвижных, но многочисленных[ 52. ] нестационарных фронтах открытого моря. Примером служит работа Грегга [207 ] в районе станции "Р” (50° с.ш. 145° з.д.). Он подробно картировал с помощью буксируемого СТД-зонда группу интрузий в термохалоклине, берущих начало на резком термохалинном фронте. Характер микроструктуры на верхних и нижних поверхностях интрузий свидетельствовал о развитии двойной диффузии в полном соответствии с типами термохалинных соотношений.
Грегг [207] высказывает важные критические соображения в отношении существующих модельных представлений для учета трансфронтального переноса интрузиями, в частности - модели Джойса [22.2.] . Джойс полагает интрузиии горизонтальными или изопикническими, а также считает возможным использовать для моделирования вертикаль-