Нелинейная динамика гидрофизических полей Арсеньев, Сергей Александрович

Введение к работе

Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному изучению нелинейного взаимодействий геофизических полей в шельфовой зоне моря и устьях рек, в верхнем слое океана и нижнем пограничном слое атмосферы, в подземно-грунтовых водах и окруяающих их геологических породах. В работе поставлена задача разработки теории и методов расчёта процессов нелинейной трансформации геофизических характеристик в указанных областях при изменяющихся внешних условиях.

Актуальность проблемы. Во второй половине XX века начали развиваться исследования нелинейных геофизических полей, необходимые при решении многих актуальных и веяных научных и прикладных проблем. Среди них изучаемые в диссертации задачи прогнозирования турбулентных течений на шельфах морей и в устьях рек, задачи экологических прогнозов последствий извержений вулканов и миграции радионуклидов з грунтово-подзеыныеводы при авариях на АЭС, задачи создания методов расчёта реакции океана на циклоны, нелинейной трансформации длинных гравитационных волн на поверхности воды: приливов, цунами, штормовых нагонов и ветровых волн в. районах шельфов и устьев рек. Исследование указанных геофизических задач необходимо при решении многих научных и экономических проблем. Среди них основное место занимают проблемы обеспечения страны водными, пищевыми и минеральными ресурсами, а также решение многочисленных задач, обуо -ловлеиных потребностями энергетики, морского хозяйства и рыбных промыслов и медицины. Решение этих проблем требует глубоких научных знаний физических процессов, происходящих в пограничных областях взаимодействия иоря и реки, атмосферы н поверхности Земли, груп тово-подземннх вод и окруяающих геопород.

Природные комплексы, например, шельфов, устьев рек и эстуариев очень богаты.,так как представлены краевсии 'биотопами, интенсивно исяользуеаых рыбным хозяйством. Плодородные от природы прибрежные

. 4 -

воды получают вдоволь энергетических субсидий и биогенных элементов от "материкового стока и энергии океанских приливов, течений и волн: К сожалению именно воды шельфов, устьев рек и ас туариев подвергаются в последнее время интенсивный техногенный нагрузкам.Это вызывает необходимость разработки систем экологического мониторинга, в которых подели динамики вод играют очень важную роль.

Существенно, что уравнения динамики турбулентно движущихся во; устьев рек, эстуариев и шельфов нелинейны. Это объединяет их с ура: нениями динамики верхнего слоя океана и нижнего пограничного слоя атмосферы, также изучаемых в диссертации. Актуальность рассматриваемой в диссертации задачи описания реакции верхнего слоя океана на тропический циклон обусловлена тем, что ураганы и тайфуны являются процесоами максимальной интенсивности. Поэтому скорости тепло и ма< оообмена между поверхностью океана и его глубинами существенно воз* раотают при прохождении над акеаном тропических циклонов. В овяаи с этим, возникает необходимость учёта влияния тропических циклонов на баланс тепла и массы между океаном и атмосферой, в овою очередь-необходимым прг построении глобальных моделей климата и погода на Земле». Без учёта влияния тропических циклонов величины поступления тепла и маосы в океан и атмосферу оказываются существенно занижен-ныии. Таким образом, моделирование взаимодействия тропических циклонов и океаном являетоя актуальной задачей.

Аналогично, важной и актуальной является и задача моделирования взаимодействия вулканов с атмосферой, также рассмотренная в дні сертации. Экологические последствия сильных вулканических наверне-* ний особенно ьаметны, если вулканы выбрасывают в биосферу радионуклиды. В овязи с этим, в.диссертации ставитоя задача моделирования миграции радис-туклидов от поверхности вглубь Земли, вплоть до уровня грунтовых вод. Радионуклида могут поступать в верхние слои почвь и от атомных станций. Следовательно, большой практический интерес представляет задача расчёта той доли концентрации выпавших на поверхность Земли радионуклидов, которая достигнет уровня грунтовых

- 5 -и подземных вод, используемых для питьевого и промышленного водоснабжения. Необходимо отметить, что эти воды являются очень чувот-. вительньши : загрязнениям, оообенно радионуклидам!!, из-за слабого водообмена и равбавлекия, отоуствия интенсивной.азорации, недостаточного- количеотва разлагающих токсиканты бактерий и микроорганизмов.

Подчеркнём здесь такие важность и актуальность исследований длинноволновых возгіуйеняй урозня поверхности воды и течений, вызываешь приливами, штормовыми нагонами и цунами. В диссертации они рассматриваются совместно, так как нелинейные уравнения, опиоываю-щне динамику этих волновых процеооов оказываются аналогичными. Нет необходимости особенно подробно обосновывать вакяооть изучения таких, например, явлений как цунами ила морские волны от землетрясений. Эти явления изучаются большими коллективами учёных и специалистов во всём мире. В.диссертации огражён личный вклад автора в подобные исследования.

Цели иоследования

Формулировка и всестронее изучение наиболее полной гидродина -мичеокой модели устьев рек, эстуариев и прилегающих шельфових вод о анализом всех основных факторов, определяющих динамику рассматриваемых областей. К ним в диссертации ог'несены: речной сток и ветер, пространственная неоднородность поля плотности, приливообраэующая сила, сила Кориолиса, нелинейные ускорения, рельеф дна и боковые границы, а также потоки теплаі соли и вещества через границы рассматриваемой акватории.

Аналогично ставится цель теоретического описания факторов, определяющих процессы взаимодействия тропического циклона и океана, вулкана и атмосферы, миграции радионуклидов в почрогрунтах, проц'^%-сы нелинейной эволюции длинных волн на шельфах ыорей и океанов.

Для выполнения сформулированных целей поставлены следующие задачи. Получение данных измерений прострпнственно-вреуенной структуры гидрофизических полей в устьях рек с хороао поремёшаншлд! вздамл

построение теоретической модели, описывающей динамику турбулентных течений в устье реки и сопоставление результатов теоретических рао-чётов с данными наблюдений. Анализ ооновных факторов влияющих на динамику вод устьевых областей (ветер, конфигурация берегов, вращение Земли, нелинейные ускорения, шероховатость дна и др.). изучение процессов распространения принеси из устья реки на шельф в зависимости от мощности источника примеси, глубины устья, характеристик горизонтального турбулентного обмена, исследование процесса генерации второй гармоники в длинных волнах на шельфах, Изучение резонансного, параметрического взаимодействия трёх, длинных, нелинейно взаимодействующих волн. Исследование условий формирования волч обрушения иди боров (ударных волн) на шельфа. Изучение нелинейной трансформации и формирование спектров длинных волн. Создание модели реакции стратифицированного океана на тропичеокий циклов и модели взаимодействия вулкана и атмосфери. Изучение процессов генерации м98оиасштабных вихрей в прибрежной зоне моря и в верхнем слое океана. Разработка модели миграции радионуклидов в грунтово-подзем-ные вода при аі-.риях на АЗС и модели нелинейного взаимодействия прн ливов и .цунами в океане.

Научная новизна. Диссертация является результатом теоретических, натурных и лабораторных исследований автора, анализа и интерпретации полученных результатов и их теоретического обобщения. В р& боте впервые проведено ' всесторонее исследование и анализ основных факторов, определяющих динамику устьевых областей рек, в результате которого раскрыты основные физические механизмы формирования длинных волн, течений и турбулентности в этих регионах. Разработаны модели и раочётные методики для определения динамических х .рактеристк устьев рек. Л. „ученные формулы позволяют рассчитать параметры длинных волн на шельфе, включая расчёт зон обрушения и формирования пре ливного бора, величин скоростей и направлений течений, концентраций растворенных и взвешенных примеоей. На основе проведённых иоследо -ваний развита теория и метод расчёта течений и рельефа уровня по -

- 7 -верхнооти воды в уотьях рек.

В работе впервые исследован ряд нелинейных эффектов, возникав ющих при распространении длинных волн: формирование ударных' волн,. . возникновение второй гарионики и транофорыации опектра длинных' вол) параметрические взаимодействия. Впервые исследовано нелинейное взаимодействие цунами и приливов на шельфе.

В диссертация описана одна иа первых численно'реазизованных' моделей взаимодействия тропичеоких циклонов о океаном,, учитывающая¹ процеооы перемешивания в его верхнем слое.-Эта модель позволила¹ также обосновать и изучить один из эффективных механизмов генара*» ции синоптических вихрей в океане, открытых в'Институте океанолоґі.; имени П.П.Ширшова Академии наук в 1970 году,-В диссертаций¹ последовая и другой, ранее не изучавшийся механизм генераций синоптических вихрей - отрывное обтекание вдольберег'овым течением прибрежногс выступа типа мыса или косы.Оригинальной и не имеющей аналогов явли* етоя и созданная автором модель мигргции¹ радионуклидов в грунтовые воды через пориотую среду.

Научная новизна диссертации¹ оостоит в выявлении' неизвеотных ранее закономерностей, создании теории и новых методов расчёта рас» оматриваемых явлений.

Достоверность результатов работы определяется детальной обработкой и анализом данных специально поставленных измерений с судов Академии наук в устье реки Волги,- сопровождавшихся вертолётными облётами и анализом космических и аэрофотоснимков региона* Верификация результатов теоретических расчётов производилась и с помощью данных специально поставленных лабораторных экспериментов на Физическом факультете Московского университета* Кроме того, привлека -лиоь опубликованные в литературе данные прямых измерений на акваториях Тихого и Атлантического океанов, побережий Чёрного моря, на акваториях Белого моря и в проливе Ла-Манш. Теоретические построения адекватны данным наблюдений* Они воспроизводят наблядаемые черты изменчивости геофизических полей и позволяют не только выявить

- 8 -причинную обусловленноетв изучаемых геофизических явлений, но и прогноаировать их динамику* ' Автор защищает;

1. Метод расчёта турбулентных течений в устьях рек о хорошо
перемешанными водами. Полученные им зависимости в виде формул для
расчёта пространственного ( в зависимости ох трёх координат х, у

и I ) распределения течений j устьях, рек. Результаты теоретичео-кого и опытного изучения влияния различных факторов на турбулентны* течения в устьях рек. Формулы для расчёта сопротивления шероховатого дна градиентному и чисто дрейфовому турбулентным течениям на не» кой воде. Методику расчёта распространения примесей из устья реки на шельф. Выявленную им путём теоретических расчётов и анализа наблюдений овязь возникающих в устьях рек придонных противотечений о» скоростью и направлением ветра.

1. Результаты лабораторного и теоретического изучения явления формирования второй гармоники на шельфах морей и в устьях рек. Метод расчёта и формулы, определяющие характер нелинейной взаимосвязи второй гарне :ики и основной волны.

2. .Результаты теоретического изучения явления параметрического резонаноного взаимодействия трёх прогрессивных длинных волн, рас -пространяющихоя по шельфу. Метод расчёта пространственных биений трёх нелинейно взаимодействующих волн и явления распадной неустойчивости высокочастотной волны, которая ( при определённых, установленных условиях) может передавать энергию в низкочастотную часть спектра. Новое объяснение явления прибойных биений, открытых в США В.Панком, формулы для расчёта нелинейного взаимодействия приливов

и цунами в океане.

*.' Результаты теоретических исследований влияния донного трения на формирование волн обрушения и приливных боров на шельфе.Метод расчёта особенностей формирования спектров длинных волн на шел* pax морей, в устьях рек и приливах, построенный с учётом донного трения ( в том числе и нелинейного), силы Корио-лиса'и нелинейных

- 9 -ускорений. Новое объяснение явления отрицательной вязкости, наблюдающегося при трансформации приливных ноли на мелководье. Уточнённую теорию <.. яшных волн на воде и новое эволюционное уравнение, обобщающее уравнение Кортевега-де Вриаа на случай учёта высших приближений в разложениях по параметрам амплитудной и фазовой дисперсий.

5. Метод расчёта реакции стратифицированного океана на тропический циклон. Объяснение механизмов генерации синоптических вихрей в океане при воздействии урагана на океан и отрывном обтекании вдольбереговыы течением прибрежного выступа типа косы, мыса или полуострова.

6. Результаты исследований и метод расчёта особенностей выпадения на подстилающую.поверхность (водную или твёрдую) аэрозольных выбросов вулканов. Ііетод учитывает орографию местности, число и мощность вулканических источников, температуру и скорость выбрасываемой вулканом аэрозольной примеси, её состав, возможность радиоактивного и химического распада, а такяе метеорологические условия скорость и направление ветра, температуру воздуха, шероховатость подстилающей поверхности и другие факторы.-

?. Метод расчёта толщины подземного слоя, охваченного радиоактивным эагрязаениеи, подстилающим поверхность Земли при аварийны: выпадениях на предприятиях ядерного топливного цикла или извержениях вулканов. Формулы для этих расчётов, полученные с помощью методов теории пограничного слоя.

Научная и практическая значимость работы. Изложенные в диссертации теоретические модели и методы расчёта могут использоваться для решения различных теоретических и прикладных задач, связанных с изучением или учётом турбулентности на шельфах vopeK и устьев ч нелинейных Зч<вктов, возникающих кри распространении длинных воля в окраинных и иельфОЕЫх порах, эстуариях и устьях рек. Построенная модель реакции стратифицированного океана ш тайфун может кспользо-

ватьоя при разработке конкретных численных схем прогнозов взаимодействия океана и атмосферы от синоптического до глобального, климатического масштабов. Определённый интерес для практиков портост-роителей представляет и разработанный в диссертации метод расчёта вихрей, возникающих при обтекании вдольбереговьш течением неодно-родноотей типа мыса, косы, залива или бухты. Зкологи-прогновиоты и иетерологи могут использовать предложенный в диссертации истод расчёта аэрозольных выбросов вулканов. Инженеры, занимающиеся проектированием атомных станции, могут использовать формулы для расчётов толщины слоя радиоактивного загрязнения почвогрунтов, полученные в диооертации.

Ценность построенных теоретических моделей состоит в той, что они дают возможность прогнозировать конкретные динамические процесс Модели устанавливают функциональные связи между различными характер ристиками и тем самый дополняют недостающие данные наблюдений. Наконец,- теоретические модели помогают аиалиаировать результати научных исследований и ставить новые задачи.

Таким образом, результаты, полученные в диссертации, можно попользовать при создании конкретных схем гидрометеорологических прог позов, в частности в районах.проведения геолого-поисковых работ и промышленной добычи полезных ископаемых. Кроме того, результаты дио оертации можно использовать при проектировании гидротехнических сооружений, при определении'мест сброса промышленных отходов, экологи ческих исследованиях влияния атомных' станций на окружающую среду или влияния извержения вулканов на биосферу.

Реализация результатов работы. Чаоть результатов, полученных в диооертации, внедрено в лрактику. Метод расчёта турбулентных течений в устье Во^и использован при разработке методики дешифрирована космических фотоснимков, которые впервые позволили построить карты этого региона ( маоштаб 1:200 000). На основе проведённого моделиро нанин, натурных, экспериментальных исследований и изучения аэро и космических фотоснимков, уточнены существующие представления о сие-

- II -

теме течений на взморье Волги, Урала и северной части Каспийокого моря, а также представления о механизме смешения морских и речных вод. Резулматы соответствующих исследований использованы при составлении отчётов c7,42,43J по научным программам "Устья рек" и " Нелинейные волны" Российской Академии наук. Карты и отчёты переданы в Министерство морского флота, Министерство рыбного хозяйотва в Роскомгидромех и используются при эксплуатации каналов устьевогс взморья Волги, проведения здесь.дноуглубительных, мелиоративных, рыбохозяйствонкых и других работ. Метод расчёта миграции радионуклидов в почвогрунтах при авариях на АЭС применяется при экологичво ких исследованиях влияния атомных станций на биосферу c5*,55,57j .

материалы диссертации используются при чтении опецкуроов на отделении геофизики Физического факультета Московского государстве ного университета имени М.В.Ломоносова 21,403 .

Личный вклад автора. В диссертации обобщены результаты исследований, основное содержание которых отражено з 70 авторских публикациях, включая 2 книги с2І,40і и 3 пятилетних отчёта c?,*f2,43j В опубликованных в.соавторстве научных работах автору принадлежит идея проведения исследования и постановка задачи, совместное обсуж дение выбора метода её решения, ооновное участие з обработке и ана лизе полученных результатов теоретических и экспериментальных исол дований, основное участие в подготовке и публикации соответствующи материалов. Автор пришшал непосредственное участие в планировании и руководстве экспедиционными гидрофизическими работами в дельте Волги, проводившимися Академией наук в 1980 - 1989 г,г. с помощью НИР "Акватория", катеров "Водорез" и "Водоток", вертолётных облегої Проблемы взаимодействия океана и атмосфера исследовались в 13 рейсе ИКС "Академик Вернадский" в рамках международной ,/рограмцы СовФрслс в котором работал и автор. Экологические исследования в регионах атомных станций проводились в Институте Атомэнергопроект ыинистерст ва атомной энергетики России, где автор являлся ответственным испол-

- іг -

кителем работ по темам, связанный с возможным загрязнением подзеын -грунтовых вод при авариях. В 1991 -1994 г.г. автор лично прочёл спецкурсы по теории нелинейных волн и геоэкологии студенієш геофн-.зичеохого отделения Физического факультета МГУ ицени М.В.Ломонооов Апробация работы. Материалы диооертации докладывались не Всесоюзной конференции по теоретическому и экспериментальное гэученл гечекак в океанах и морях (г.Оаетлогорск,1981) f5j , на первой Все союзной конференции по энергетике океана (г.Владивооток,1983) r8j на международной конференции "Гидрология 200О года" (г.Москва,1986 9д , на 11-ои Всесоюзном симпозиуме "Механизмы генерации мелкомасштабной турбулентности в океане" (г.Светлогорок,1985) гIOJ , на 7-ом Всесоюзном гидрологическом съезде (г.Ленинград,1986) С14J » на Ш-ем Всесоюзном океанологичеоком оьезде (г.Ленивград,19&5>с153 на Воесоюзноы совещании "Теоретические основы, методы и аппаратура средства прогиоаа цунами" (г.Обнинок,І988) с18,19д , на Воеооюзн оовещании "Проблемы стратифицированных течений" (г.Салаошш»,1988) 120л » на конференциях учёше МГУ "Ломонооовокие чтения" (г.Москва 1985, 1989, І95Г ) СИ,2,38Л , на международной конференции "Лабораторное моделирование динамических процессов в океане" (г.Новоси бирок,1990) С621 , на Ш-ем Всесоюзном симпозиуме "Изотопы в гидр сфере" (г.Крунао,1989) С 2^1 , на Всесоюзном семинаре "Оптические м* тоды исследования потоков" (г.Новосибирок,1989) C23J , на Ш-ей Всесоюзной конференции "Вихри и турбулентность в океане" (г. Све -алогорск,1990) Г26,27] , на международной конференции "Акизотрога потоков жидкости в поле внешних сил" (г.Юрмала,1990) C67J , на Вое-союзном coBesw-iM "Проблемы стратифицированных течений" (г.Канев, 1991) Г36,3?Л » на 4-ой .Всесоюзной школе "Метода гидрофипчеоких и( следований" (г-Светлогорск,J992) С47-5ІД , на ыехдународном симпозиуме "Процессы переноса в океане и их лабораторные аналоги" (г.Мое ква,І993) Г69.70Д , на международной конференции "Геофизика и современный мир" (г.Ыосква.1993) С58,693 , на семинарах Института оке

- ІЗ -анология, йнсгитута водных проблем, Института общей физики и Института физика Земли Российской Академии наук, семинарах Государствен-. ного океанографического Института и Института экспериментальной Ме--теорологаи, семинарах кафедра физики иоря и вод суши Физического $а культета МГУ имени М.Б.Ломоносова.

Структура и ебьём диооертации. Работа состоит из введения, пяти глав, подитоаиваешлс выводами, заключения и описка литературы. Обдай объём диссертации составляет 3*5 страниц текста, в том числе 86 рисунков и 2 таблицы. Список используемой литературы содержит 248 работ отечественных и аарубезшых авторов. ОСНОВНОЕ СОДЕРВДИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, сформулированы её цели, обо уздень: актуальность и важность иооледуемой проблематике научная новизна, доотоварность,.ооновные положения вынооимне на защиту, научная и практическая значимость работы, иопользование результатов работы, личное участие автора в получении основных научных результатов, апробация работы, краткое содержание диссертации.