Введение к работе
Исследование водообмена между мелкими и глубокими частями озёр, водохранилищ, морей и океанов, взаимодействия их поверхностных, промежуточных и глубинных слоев является одним из наиболее актуальных направлений океанологии. Эти процессы способствуют как очистке прибрежной зоны от естественного и антропогенного загрязнения, так и транспорту важных биогенных элементов внутри бассейна. К ним относятся ап- и даунвеллинг, горизонтальная и вертикальная конвекция, плотностные течения, меандрирование течений, вихреобразование и многие другие. Интенсивность, пространственная структура и развитие водообмена со временем определяются целым комплексом различных гидродинамических процессов, которые, в свою очередь, зависят от внешних метеорологических, гидрологических и других условий. Многообразие и сложность механизмов водообмена приводят к необходимости выделения каждого из общей картины и исследования в отдельности.
Характерной чертой любого природного водоёма, независимо от его размеров, является неоднородность прогрева поверхности. Предметом исследования в данной работе является горизонтальная конвективная циркуляция, обусловленная различной скоростью прогрева (охлаждения) мелководных и глубоководных зон бассейна в сезонном и суточном цикле. Дифференциальный прибрежный прогрев (понимаемый далее в самом общем смысле - как изменение температуры воды по мере приближения к берегу) часто наблюдается и в непосредственных натурных измерениях, но особенно чётко и повсеместно - в среднемесячных и сезонных данных. Именно спецификой прогрева над прибрежными подводными склонами обусловлены такие интересные явления как зимний «каскадинг» с шельфа и склонов, термобар, дневная/ночная циркуляция. В контексте данной задачи, «склоном» является область, где условия теплообмена через поверхность чувствуются до дна, и именно наличие дна обусловливает зависимость температуры воды от локальной глубины. Чем меньше размер водоёма (с типичной структурой поля глубин), тем большую его часть занимают такие области: в океане их площадь составляет около 10%, в Балтийском и Каспийском морях в период
осеннее-зимнего выхолаживания - более 50% (см. рис. 1), в димиктических озёрах в условиях гомотермии - 100%.
0 200 400 №0 0 100 200300400500
tlfcmetr. ОЧИПИМ.
Рис.1. Поле глубин Балтийского и Каспийского морей: белым цветом показаны области, где осеннее-зимняя вертикальная конвекция достигает дна и формируются горизонтальные градиенты температуры; темной заливкой - не достигает дна (более 60 и 300 м, соответственно); светло-серой - (40-60 м и 80-300 м) - глубины, захватываемые вертикальной конвекцией только в северной части морей.
С физической точки зрения, горизонтальный градиент температуры воды в области над склоном, поддерживаемый внешними условиями теплообмена, обусловливает наличие градиента плотности по горизонтали между более мелкими и глубокими частями, который и обеспечивает возникновение, развитие и поддержание
горизонтального водообмена. Бризы и муссоны могут служить аналогом этих процессов в атмосфере. Если прибрежные воды становятся в результате теплообмена плотнее вод открытого моря, они опускаются вдоль склона до уровня своей изопикнической поверхности, если легче - вытесняются ими, т.е. в обоих случаях речь идёт о движениях, охватывающих и всю область над склоном, и (как минимум) прилежащие глубоководные акватории. Наблюдаемый в поле температуры воды дифференциальный прогрев, таким образом, оказывается результатом совместного действия теплообмена через поверхность и горизонтального транспорта тепла.
Вопросы горизонтального перемешивания различной природы
затрагивались многими исследователями (например, Зубов, 1938;
Шулейкин, 1968; Фёдоров, 1976; Мамаев, 1987). Наибольшее
внимание постановка задачи, аналогичная рассматриваемой, получила
во времена Стоммела и Россби (Stommel, 1962; Rossby, 1965; Munk,
1966) в связи с работами по изучению глобальной термохалинной
циркуляции океана и транспорта полярных вод в глубинных слоях от
полюса к экватору. До недавнего времени считалось (Jeffreys, 1925;
Huang, 1999), что движения вод, вызванные неоднородностями поля
температуры, затрагивают лишь незначительные объёмы вблизи
источников неоднородности. Однако к настоящему времени
многочисленные лабораторные эксперименты в бассейнах как с
горизонтальным (Rossby 1965; Miller 1968; Mullarney et al. 2004;
Wang&Huang 2005; Cormack et al., 1974; Patterson&Imberger,
1980), так и с наклонным дном (Horsh& Stefan, 1988;
Carmack&Farmer, 1982; Fer, et al., 2001) и численное
моделирование (Beardsley&Festa 1972; Rossby 1998;
Paparella&Young,2002; Mullarney et al. 2004; Sturman, et al., 1999) показывают, что циркуляция вод охватывает практически весь бассейн.
Натурные данные подтверждают важность горизонтального водообмена конвективной природы для динамики вод, формирования термоклина и общей термохалинной структуры крупных бассейнов. Сюда относятся наблюдения «боковой конвекции» в океане (Фёдоров, 1976), формирование холодных плотных вод в высоких широтах (Лабрадорское море (Clarke &Gascard, 1983), море Уэделла
(Foster&Carmack,1976)), «каскадинг» с океанского шельфа (см., например, обзор Ivanov et al., 2004), обновление промежуточных и глубинных вод в крупных озёрах (например, в Женевском озере (Fer, et al, 2002), на Байкале (Wiiest, et al., 2005)). Анализ динамики термохалинных полей Чёрного и Балтийского морей указывает, что горизонтальный транспорт вносит свой вклад в формирование их холодных промежуточных слоев (например, (Титов, 2004; Чубаренко, Демченко, 2008)). В сезонном масштабе, более быстрая реакция прибрежных вод на внешние условия теплообмена приводит к развитию термобара - значимому явлению в биологической жизни крупных озёр (Филатов, 1983; Науменко&Каретников, 1998; Шимараев, 1977; Mortimer, 2004). При этом детали динамики подобного обмена в океанах, морях, озёрах по-прежнему остаются во многом неясными; необходимы и оценки величины вклада горизонтальной конвективной циркуляции по сравнению с остальными механизмами перемешивания и транспорта.
Наличие прибрежных подводных склонов является одновременно и причиной возникновения горизонтальных градиентов температуры/плотности, и естественной границей для горизонтального транспорта. Поэтому наиболее яркие проявления горизонтального конвективного обмена наблюдаются именно над склонами: общее медленное опускание вод при значительных отрицательных потоках плавучести приводит к интенсивному «каскадингу», подъём вод вдоль склона способствует выходу на поверхность холодных вод (прибрежному апвеллингу); именно наличие подводного склона вызывает возникновение дневной/ночной циркуляции и сезонного термического бара. По этой причине большая часть натурных данных об этих процессах относится к исследованиям в озёрах и морях: там относительный объём вод над склонами более значителен и проявления горизонтальной конвекции заметнее. Кроме того, и методика измерений в прибрежной зоне гораздо более соответствует особенностям природы этого процесса, чем измерения в океане.
К настоящему время показано, что горизонтальная конвекция по своей природе нестационарна (даже если внешние условия поддерживаются неизменными), и можно говорить только о некотором финальном «квази-стационарном» или «квази-осцилляционном» режиме (Farrow&Patterson, 1993; Horsh et al., 1994;
Sturman&Ivey, 1998; Lei&Patterson, 2002). Помимо этого, течения обладают значительной инерцией, и движение жидкости заметно запаздывает во времени по отношению к изменению условий прогрева (Farrow&Patterson, 1993). Так как и сами условия теплообмена в природе существенно переменны, и батиметрия обычно нерегулярна, и время реакции течений на внешнее воздействие растёт с увеличением пространственного масштаба (т.е. расстояния от берега), общая картина водообмена всегда нестационарна по времени и неоднородна по пространству, а движения практически никогда не находятся в фазе с внешней нагрузкой. Таким образом, и в суточном, и в сезонном масштабе мы имеем дело с процессом длительного приспособления весьма инерционной системы к меняющимся внешним условиям, причём, даже будучи достигнуто, конечное состояние не может быть стационарным в силу конвективной природы самого механизма водообмена.
Важным аспектом представленной работы является переход от традиционного для рассматриваемых процессов описания в терминах теплопотоков и разницы температур - к анализу на основе стабилизирующих/дестабилизирующих потоков плавучести и результирующей горизонтальной разности плотностей. Такой подход хорошо известен в задачах глубокой океанской конвекции (например, Visbeck, et al., 1996), но к процессам водообмена над склоном применяется редко. Так, «каскадинг» обычно рассматривается в терминах гравитационного потока со значительным вовлечением (Fer, et al., 2002), продвижение термобара в озере классически связывается с потоком тепла через поверхность (Тихомиров, 1982). Предложенный подход позволяет применять единый физический анализ и математический аппарат ко всем возможным ситуациям прогрева/охлаждения в солёных, солоноватых и пресных бассейнах, охватывая и динамику в области перехода через температуру максимальной плотности (Tmd). В целом, проведённый на базе единой точки зрения анализ натурных данных, полученных различными авторами при изучении «каскадинга» с океанского шельфа и подводных склонов озёр, сезонного термического бара, летнего прибрежного апвеллинга, дневной/ночной циркуляции - позволил в значительной степени обобщить полученную ранее информацию, выделить общие черты всех этих явлений и обнаружить новые важные
закономерности. Сформулированные в терминах потоков плавучести/разности плотностей, выводы работы в равной степени применимы (і) для океана, внутренних морей и озёр, (іі) до и после достижения Tmd, (ііі) для любой стратифицирующей субстанции (температуры, солёности и др.).
Актуальность работы определяется двумя аспектами.
Во-первых, исследования последних 10-15 лет значительно изменили точку зрения на вклад разницы температур и/или теплопотоков между экватором и полюсом в глобальную термохалинную циркуляцию океана. Оказалось, что утверждение, известное ранее как теорема Сандстрёма («Существенные движения в горизонтальном слое жидкости возникают только если источник тепла находится ниже источника холода» (Sandstrom, 1916; Jeffreys, 1925)) есть лишь более позднее и неправомерное развитие общих термодинамических рассуждений автора, в оригинале написанных на немецком языке и известных мировому научному сообществу в основном по английским переводам (см., напр., Hughes&Griffith, 2007). Многочисленные эксперименты подтвердили, что любая конфигурация источников/стоков тепла в горизонтальном слое жидкости порождает заметную и охватывающую весь бассейн циркуляцию. Значительно возрос интерес к подобным задачам в приложении к океану, возник и новый термин - горизонтальная конвекция - для обозначения процессов переноса тепла и массы в протяжённом горизонтальном слое жидкости (Stern, 1975; Mullarney, 2004; Hughes&Griffith, 2007). Вместе с этим, получил развитие и математический аппарат, восходящий к масштабному анализу Россби (1965) и его лабораторным опытам в бассейне с дифференциально подогреваемым дном.
Во-вторых, прибрежные зоны морей и океанов находятся под всё более пристальным вниманием человечества: тут пересекаются многие транспортные и экономические интересы, сюда стекаются все сбросы - и здесь же живёт более 20% населения планеты, не говоря о рекреационной нагрузке побережий. В этом ракурсе, вопрос водообмена открытых и прибрежных акваторий важен и в смысле интенсивности обновления и очищения прибрежных вод, и в смысле нагрузки на открытые морские акватории.
Таким образом, помимо фундаментального интереса к решению рассматриваемой проблемы, в настоящий момент существует и необходимость решать экологические вопросы в прибрежных зонах крупных водоёмов, и возможность использовать для этого развившийся аналитический аппарат, накопившиеся натурные данные и результаты исследований по горизонтальной конвекции в приложении к океану.
Основной целью работы является исследование структуры, характера и величины водообмена, возникающего в природных водоёмах из-за различий в скорости реакции прибрежных и открытых акваторий на внешние условия теплообмена в суточном, синоптическом, сезонном масштабе времени.
Для достижения этой цели автором
разработан единый аналитический подход к описанию процесса возникновения и развития горизонтального конвективного водообмена над подводным склоном при прогреве/охлаждении через поверхность;
собраны натурные данные и проведён анализ проявлений горизонтального конвективного водообмена в крупных озёрах, прибрежной и открытой частях внутренних морей;
создана экспериментальную установку и проведены необходимые лабораторные эксперименты по динамике течений в бассейне с наклонным дном при прогреве и выхолаживании через поверхность, включая переход через температуру максимальной плотности;
проведено численное моделирование процесса для различных пространственно-временных масштабов.
На защиту выносятся следующие положения
1. Дифференциальный прибрежный прогрев, наблюдаемый над подводными склонами природных водоёмов, является результатом совместного влияния теплопотока через поверхность и горизонтального транспорта тепла. Водообмен такой природы проявляется как опускание вод над склонами (вплоть до развития
«каскадинга»), подъём (вплоть до формирования апвеллинга), продвижение термического бара в «быстрой» стадии его развития, дневная/ночная циркуляция. Ему присущи характерные черты конвекции в тонком слое с градиентом температуры по горизонтали: нестационарность, инертность, двухслойность, отсутствие конечного квази-стационарного состояния.
Развитие водообмена запаздывает по отношению к внешней нагрузке и имеет три фазы: (1) формирование горизонтальных градиентов плотности (единицы-десятки минут для глубин в десятки метров), (2) возникновение и развитие течений (сутки-недели) и (3) квази-стационарный обмен.
Величина горизонтального объёмного расхода самым существенным образом зависит от пространственного масштаба (локальной глубины) и значительно слабее - от величины внешнего потока плавучести и уклона дна. Влияние вращения Земли не является лимитирующим фактором для водообмена этой природы; действие ветра умеренной силы и стока рек не препятствуют его проявлению.
Основными безразмерными параметрами процесса являются соотношение вертикального и горизонтального пространственных масштабов (A=D/L) и масштабов горизонтальной и вертикальной скоростей ATr=u/v=[Ap/p-g-D]1/2:[B0-D]1/3. Кг характеризует стадию развития процесса, являясь по физическому смыслу некоторым аналогом числа Рэлея для данной разновидности конвекции.
Обменные течения существенно трёхмерны, склонны к формированию конвективных ячеек, струй, роллов. Максимумы (средних) горизонтальных течений к/от берега находятся не у поверхности/дна, а в промежуточных слоях. Эта особенность делает обмен между глубокими и мелкими областями более эффективным и менее независимым от деталей динамических и гидрологических условий на поверхности и у берега, а также приводит к формированию ячейки с обособленной циркуляцией в верхней (прибрежной) части склона.
Научная новизна работы
Новым является подход к рассмотрению вопросов дифференциального прибрежного прогрева в природных водоёмах как к разновидности конвекции в тонком горизонтальном слое с градиентом температуры/теплопотока на границе. Проведены новые оригинальные лабораторные эксперименты и экспедиционные натурные исследования. Впервые проведено обобщение экспериментальных данных, касающихся соответствующего конвективного опускания вод над склонами (вплоть до развития «каскадинга»), подъёма (вплоть до формирования апвеллинга), продвижения термического бара, дневной/ночной циркуляции, образования промежуточных слоев.
Практическая значимость.
Результаты исследований важны для ряда приложений. В первую очередь это экологические вопросы: оценка скорости самоочищения прибрежной зоны от растворённого и взвешенного загрязнения, интенсивности вентиляции промежуточных и глубинных слоев, скорости поступления биогенных элементов из мелководной в глубоководную зону моря. Вопросы, касающиеся формирования холодных промежуточных слоев и апвеллинга, важны для рыбопромысловых организаций. Результаты лабораторных экспериментов, доказывающих, что бассейн с наклонным дном остывает быстрее, представляют интерес для разработчиков охладительных бассейнов атомных электростанций. Структура и характеристики водообмена важны в анализе геологических и седиментологических вопросов (Емельянов, Гриценко 1999; Емельянов, 2008).
Обсуждение результатов работы проводилось на 26 международных, всесоюзных, российских и региональных конференциях, симпозиумах и совещаниях, в том числе на:
EGS-EGU-AGU General Assembly 2003 (Nice, France); EGU General Assembly 2008 (Vienna, Austria); Baltic Sea Science Congresses 2005, 2007; XXIV, XXV and XXVI International Schools of Hydraulics, Poland, 2004, 2005, 2006; USA-Baltic International Symposium 2004 (Klaipeda, Lithuania); 9th International Estuarine Biogeochemistry Symposium "Estuaries and Enclosed Seas under Changing Environmental Conditions"
2006 (Warnemunde, Germany); 42 ECSA Int. Conf. "Estuarine ecosystems:
structure, function and management" 2007 (Svetlogorsk, Russia);
Международной конференции «Потоки и структуры в жидкостях»
2005, 2007 (Москва, Санкт-Петербург); 4-й Всероссийской научной
конференции «Физические проблемы экологии (Экологическая
физика)» 2004 г. (Москва); VI международной конференции
«Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей»
2004 (Москва); 50-й юбилейная научная конференция МФТИ
«Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» 2007
(Долгопрудный); X Международной научно-технической конференции
«Современные методы и средства океанологических исследований»
2007 (Москва, Россия); 8,9,10,11,12,13 конференциях «Комплексное
изучение бассейна Атлантического океана» 2003-2008, (Калининград);
II и V международных научных конференциях «Инновации в науке и
образовании» 2004, 2007 (Калининград, Россия); XXI Международной
береговой конференции «Прибрежная зона моря: морфолитодинамика
и геоэкология» 2004 (Светлогорск); IV Международной конференции
Музея Мирового Океана 2007 (Калининград).
Текущие результаты неоднократно докладывались и обсуждались и на семинарах в АО ИО РАН, ИО РАН, в институте озероведения РАН (Санкт-Петербург), лимнологическом институте РАН (Иркутск), во время научных визитов автора в Institute of Mechanics (III) of Darmstadt Technical University (Germany); physical limnology group of Constance University (Germany); Department of Mathematics and Geosciences of Rostock University (Germany); Klaipeda University (Lithuania); Isaak Newton Institute for Mathematical Sciences (Cambridge, UK).
Заявки автора проходили экспертную оценку и поддерживались научными грантами Немецкой службы академических обменов (DAAD, «Seasonal cooling processes in Lake Constance»); NATO (Collaborative Linkage Grant ESP.NR.CLG 981369 «Seasonal mixing mechanisms in Baltic and Caspian Seas»); РФФИ (07 05 00850 «Изучение механизма сезонного водообмена шельфа с открытой морской акваторией и его реакции на прогнозируемые изменения климата», 2007-2009; 08-05-08047). В качестве соисполнителя, автор участвовала в работе по международным проектам DFG («Diffusion in Lakes», «Transport in Littoral», «Hydrodynamics in littoral zone of Lake
Constance»), INTAS (№ 460 «Transport in submarine canyons») и проектам РФФИ (№№. 00-05-64103, 05-510 01-326, 03-05-65136, 06-05-64138-а, 06-05-79097, 07-05-10047к), министерства науки РФ, министерства науки и высшей школы РФ.
Публикации.
В диссертацию вошло 73 публикации. Из них - 18 статьи в рецензируемых журналах (из них 12 - в списке ВАК), 3 - статьи в монографиях, П-в сборниках научных трудов, 41 - тезисы в трудах конференций.
Автором лично:
- сформулирована общая проблема, поставлены конкретные
задачи;
разработан единый аналитический подход к количественному описанию рассматриваемого класса явлений;
создана лабораторная установка; поставлены, организованы и проведены серии лабораторных экспериментов;
организованы экспедиционные исследования и проведены натурные измерения в прибрежной зоне Балтики; проведены измерения и создана база данных озера Констанс;
собраны, проанализированы и обобщены опубликованные натурные данные для озёр, внутренних и окраинных морей и шельфовых зон;
инсталлирована и освоена лицензионная трёхмерная гидродинамическая численная модель МІКЕЗ-FlowModel (DHI Water&Environment) и проведена основная часть моделирования.
Формулировка результатов и выводов, написание большинства публикаций принадлежат автору. Автор являлся руководителем или ответственным исполнителем ряда проектов, которые поддерживались перечисленными выше фондами.
Структура и объём диссертации
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка литературы из 294 наименований. Она содержит 280 страниц текста и 98 рисунков.
