Лабораторные модели структурообразующих процессов и фронтальных явлений в океане

• Автор: Зацепин, Андрей Георгиевич
• Шифр специальности: 11.00.08
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1997
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 383 с.

1. Структурообразующие процессы, океанические фронты и фронтальные явления в контексте данной работы

2. Краткая характеристика метода лабораторного моделирования в океанологии.

3. Основные задачи, структура диссертационной работы и положения, выносимые на защиту
Часть I. Фронтогенез в турбулентной стратифицированной жидкости. Дифференциальный тепло и массообмен через мелкомасштабные плотностные фронты и обусловленное им внутриводное ледообразование в полярных морях.
1.1. Ступенчатое расслоение непрерывно стратифицированного пикноклина под действием мелкомасштабного турбулентного перемешивания как фронтогенетический процесс
1.2. Лабораторное исследование закономерностей ступенчатого расслоения непрерывно стратифицированной жидкости под действием механической турбулентности
1.3. Лабораторное исследование закономерностей обмена теплом и солью через стратифицированную прослойку

между турбулентными слоями

1.4. Внутриводное ледообразование на мелкомасштабных плотностных фронтах между распресненными и морскими

водами в полярных морях. 4

1.5. Модель переохлаждения приповерхностного распресненного слоя изза дифференциального обмена теплом и солью через мелкомасштабный плотностной фронт с нижележащим слоем холодной и соленой морской воды
1.6. Интерпретация результатов наблюдений контактного внутриводного ледообразования в летнем разводье на СП
и СП.
1.7. О тепловых эффектах смешения морских вод с различной температурой и соленостью и об осуществимости механизма концентрационного переохлаждения и ледообразования
1.8. Лабораторное исследование изменения солевого состава морской воды изза дифференциального обмена через стратифицированную прослойку в двуслойной конвективной системе
1.9. О возможности изменения солевого состава морской воды изза дифференциального обмена в ступенчатых структурах океанического пикноклина.
1 Резюме первой части диссертационной работы.
Часть II. Структура, механизмы формирования и эволюции вихрей, вихревых линз и плотностных течений над абиссалью и континентальным склоном океана.
.1. Лабораторные исследования структуры, эволюции и неустойчивости мезомасштабных вихрей, вихревых линз и фронтов в стратифицированной вращающейся жидкости.
.2. Влияние придонного трения на динамику и структуру баротропного вихряинтрузии над горизонтальным дном.
.3. Влияние экмановских пограничных слоев на структуру и бароклинную неустойчивость придонных и приповерхностных вихрейинтрузий над горизонтальным дном.
.4. Вихревые интрузии в Южной Полярной Фронтальной Зоне и обусловленный ими трансфронтальный водообмен
.5. Осесимметричное плотностное течение на наклонном дне
во вращающейся жидкости.
.6. Автоколебательный механизм формирования периодической вихревой структуры от стационарного локального источника на наклонном дне во вращающейся жидкости
.7. О геострофическом и бетаиндуцированном волновихревом режимах распространения плотных вод по наклонному дну
во вращающейся жидкости.
.8. О влиянии барьеров и хребтов на распространение вихрей
и плотностных течений над континентальным склоном
.9. О возможности формирования вихрей и вихревых линз над континентальным склоном океана за счет механизма автоколебаний.
Резюме второй части диссертационной работы
Заключение.
Благодарности
Основные публикации
Литература


Для того, чтобы выяснить роль пространственной однородности перемешивания в процессе расслоения, мы провели дополнительную серию опытов в которой число решеток изменялось от 6 до одной при прочих одинаковых условиях. Более того, в одном опыте был оставлен всего один вертикальный стержень на весь бассейн. Оказалось, что явление расслоения и начальная толщина слоев практически не зависят от числа решеток и стержней и, таким образом, от пространственной однородности перемешивания рис. Уменьшение числа решеток выражалось лишь в квазилинейном увеличении времени формирования четкой ступенчатой структуры рис. Подводя итог содержанию первых двух параграфов отметим, что результаты лабораторных экспериментов в целом подтвердили теоретические соображения Филлипса ii, и Посментьера i, о физическом механизме и закономерностях
формирования ступенчатой структуры в турбулентной стратифицированной жидкости. Установлено, что явление расслоения пикноклина наблюдается как в сдвиговом, так и в бессдвиговом турбулентном течении. Эта вертикально организованная структура со временем распространяется горизонтально в виде интрузий. Критическое значение числа Ричардсона при котором начинается процесс расслоения является растущей функцией числа Рейнольдса по крайней мере в диапазоне 1е. Требуются дальнейшие экспериментальные исследования зависимости Рз. Ре для больших значений числа Рейнольдса, которые более типичны для океанских условий. Эти исследования в особенности важны для более убедительного теоретического обоснования в рамках механизма ФиллипсаПосментьера вышеприведенных наблюдений расслоения сезонного пикноклина в Карском море Головин и др. Особо отметим, что вертикальный масштаб квазиоднородных слоев, выражаемый полуэмпирической формулой 1. Карского моря Н 0. В заключение отметим, что расслоение пикноклина следует рассматривать не только как ярко выраженный структурообразующий процесс, но и как процесс активного влияния на обмен свойствами между верхним и нижним слоями, разделенными пикноклином. В летних условиях сильного поверхностного распреснения морей Сибирского шельфа за счет речного стока, пока пикноклин монолитен,
турбулентный обмен через него невозможен в силу огромной устойчивой плотностной стратификации. Однако, когда пикноклин расщепляется на две, или более плотностных ступеньки, в области которых существует турбулентность, его пропускная способность может значительно возрастать, а обмен свойствами должен сильно увеличиваться. Для того, чтобы более обстоятельно изучить роль эффекта расслоения пикноклина в интенсификации потоков гидрологических и гидрохимических элементов через него, а также в внутриводном ледообразовании см. Лабораторные эксперименты показывают, что ступенчатое расслоение изначально непрерывно стратифицированной жидкости образуется и в отсутствии среднего сдвигового течения, в результате однородного по вертикали турбулентного перемешивания колеблющимися стержнями. При этом наблюдаемый процесс расслоения соответствует механизму ФиллипсаПосментьера. Толщина квазиоднородных слоев пропорциональна масштабу Озмидова, а область их существования определяется значениями чисел Ричардсона и Рейнольдса. Горизонтальная однородность перемешивания не имеет принципиального значения для образования ступенчатой структуры, а влияет лишь на время ее формирования. В первых двух параграфах было показано, что при определенных условиях турбулентного перемешивания, линейностратифицированная жидкость может расщепляться на систему квазиоднородных слоев, с плотностными разделами между ними. С целью поиска ответа на эти вопросы были поставлены следующие лабораторные эксперименты рис. I.3. В обычных комнатных условиях ТвДуХа 2 С в тепло изолированном
бассейне из оргстекла см создавалась двуслойная устойчивая стратификация воды по температуре и солености . Толщины слоев были одинаковыми 2. Характерные начальные перепады температуры Ат0 и солености 0 между слоями составляли Ат0 0. Ато и 0 выбирались для того, чтобы обеспечить приблизительное подобие лабораторных и природных условий в зоне контактного ледообразования по параметру 0X0 см. Шток приводился в вертикальное колебательное движение с помощью электромотора постоянного тока с эксцентриком.