Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Современное состояние исследований интрузионного процесса, как процесса формирующего тонкую структуру вод океана с. 20-63
ГЛАВА II. Методические особенности применения голографической интерферометрии при исследовании фазовых объектов в стратифицированной среде с. 62-80
ГЛАВА III. Экспериментальное исследование процесса вязкого растекания единичной цилиндрической интрузии в стратифицированной среде ... с.81-95
ГЛАВА ІV. Исследование интрузионного механизма формирования тонкой структуры вод океана .
1. Лабораторное исследование взаимодействия пятен перемешанной жидкости при их растекании в стратифицированной среде с.96-105
2. Эволюция поля плотности между двумя пятнами перемешанной жидкости при их растека нии в стратифицированной среде с.105-112
3. Универсальное представление результатов экспериментальных исследований интрузионного механизма формирования тонкой структуры вод океана с. 112-118
6. ГЛАВА V. Некоторые оценки времени жизни элементов тонкой структуры океана 119-130
Заключение с.131-134
Литература с.135-152
- Методические особенности применения голографической интерферометрии при исследовании фазовых объектов в стратифицированной среде
- Исследование интрузионного механизма формирования тонкой структуры вод океана
- Эволюция поля плотности между двумя пятнами перемешанной жидкости при их растека нии в стратифицированной среде
- Универсальное представление результатов экспериментальных исследований интрузионного механизма формирования тонкой структуры вод океана
Введение к работе
Открытие тонкой структуры гидрофизических полей океана стало одним из крупнейших событий океанологии XX века. Исследование верхнего слоя океана при помощи малоинерционных приборов, выполненное К.Калле в 1942 году в Балтийском море / Kalle » 1942 /, стало предвестником новых представлений о строении гидрофизических полей океана.
Впервые вместо ожидаемого гладкого профиля были получены профили температуры, отличающиеся сильной изрезанностыо. Уже в более недавнее время данные, полученные с использованием новой техники, позволили Куперу / Cooper , 1961/ выдвинуть гипотезу о переслоенности вод океана.
Итак, тонкая структура гидрофизических полей, наблюдаемая в океане, представляет собой чередование по глубине участков с низкими и высокими вертикальными градиентами той или иной характеристики. Практически однородные по своим свойствам слои, вертикальные размеры которых изменяются от десятков сантиметров до десятков метров, разделяются прослойками, в которых вертикальные градиенты физических свойств могут существенно превышать их средние значения / Stommel, Fedorov , 1967; Cooper , Stommel , 1968; Molcard , Williams , 1975/. Временной масштаб существования таких неоднородностей составляет от нескольких часов до нескольких суток и более /Voorhis , Webb , Millard , 1976; Stommel , Fedorov , 1967; Home . , Bownan , Okuho , 1976; Лаанеметс, 1984, и ДР..
Первый систематический анализ физических механизмов, формирующих тонкую структуру был предпринят в книге К.Н.Федорова (1976). К.Н.Федоровым были выделены три основных механизма формирования тонкой структуры вод океана:
I). Кинематический эффект внутренних волн. Не перемешивая и не создавая областей неустойчивости, внутренние волны, деформируя стратификацию создают иллюзию (именно иллюзию, так как этот процесс - обратимый) тонкой структуры, поскольку внутренние волны вызывают колебания потенциальной энергии структуры /Миропольский, Филюшкин, 1971; Федоров, 1972/.
2). Изопикнический изэнтропийный перенос термохалинных неоднородностей. Изменения потенциальной энергии не происходит: изменение полей температуры и солености не вызывает изменения поля плотности / Gregg , 1975, 1981, Woods , 1976; Федоров, 1976; van Aken , 1981; Журбас, Озмидов, 1984/.
3). Процессы перемешивания:
а) сдвиговая неустойчивость Кельвина-Гельмгольца, резонансное взаимодействие внутренних волн порождают движения, кинетическая энергия которых затрачивается на работу против архимедовых сил, вызывая увеличение потенциальной энергии / Woods , 1968; Thorpe , 1969, 1971, 1972; Garrett , Munk, 1972; Беляев, Гезенцвей, 1978; Озмидов, 1979; Попов, Чашечкин, 1980; McEwan , 1971/;
б) потенциальная энергия переходит в кинетическую с последующей диссипацией за счет дифференциально-диффузионной конвекции / Stern , 1963; Turner , Stommel, 1964; Turner , 1973, 1974, 1978; Попов, Чашечкин, 1979; Чашечкин, 1984/.
Причиной первоначального формирования перемешанных областей в стратифицированной жидкости могут служить: сдвиговая неустойчивость дрейфовых, придонных стратифицированных крупномасштабных течений и приливных волн; обрушивание поверхностных и внутренних волн; конвекция в слоях с неустойчивой плот-ностной стратификацией. Далее, начинает играть роль сдвиг скорости течения, под действием которого в исходно перемешанных областях баланс турбулентной энергии может стать положительным и начинает нарастать турбулентность /Баренблатт, 1982/.
В условиях стратифицированного океана длительное существование турбулентности возможно лишь в тонких слоях - "турбу - 7 лентных блинах" /Колмогоров, цитирую по Монин, Озмидов, 1981/ Натурные исследования в океане показали, что турбулентность здесь имеет ярко выраженный "островной", перемежающийся характер / Phillips , 1966; Монин, 1970, 1973; Озмидов, 1971, 1974, 1982; Пака, 1972; Гайдюков, Федоров, 1976; Монин, Озмидов, 1981 и др./. Проведенные исследования позволили сделать предположение /Баренблатт, 1978/, что регистрируемые в океане блинообразные структуры представляют собой интрузии коллапсирующих пятен перемешанной жидкости, находящихся, в основном, на вязкой стадии своей эволюции.
Таким образом, анализ экспериментальных, натурных наблюдений и теоретических исследований позволил предположить, что процесс коллапса перемешанных областей, в которых живет или вырождается турбулентность, является одним из основных процессов, ответственных за формирование тонкой структуры вод океана /Баренблатт, 1978; Зацепин и др., 1978; Зацепин, Федоров, 1980/.
Эффект коллапса объема перемешанной жидкости в поле плот ности стратифицированной жидкости впервые был обнаружен и исследован Скули и Стюартом /Schooley , Stewart , 1963/ в связи с другой проблемой: изучением следов перемешивания за самодвижущимся телом в стратифицированной жидкости.
Исследования динамики процесса коллапса /Schooley , Stewart , 1963; Wu , 1969; Hartman , Lewis, I972;Dugan et a , 1976; Kao , 1976; Schooley,Hughes , 1972; Merrit , 1974; Whitham , 1974; Amen , Maxworthy, 1980/ позволили выявить следующие его закономерности. Было выделено три стадии коллапса, в процессе которого под действием внешней стратификации перемешанная жидкость в виде интрузии внедряется в окружающую среду.
Теоретическая модель коллапса пятна перемешанной жидкости, образовавшегося на уровне своей равновесной плотности, в поле плотности неограниченной стратифицированной жидкости предложена Г.И.Баренблаттом (1978). Описанные ранее стадии процесса коллапса вошли как составляющие части модели. В этой работе рассмотрены все три установленных стадии коллапса; решения, полученные в ней из более общих соображений для первых двух стадий, согласуются с предложенными ранее. Для вязкой стадии показано, что движущая сила интрузии уравновешивается вязким сопротивлением, поэтому происходит резкое замедление процесса растекания. Получены автомодельные асимптотические законы растекания на вязкой стадии для осесимметричного І //, (МІ) и цилиндрического пятна Lh /А/) .
Предложенная модель положила начало сформировавшемуся в последнее время направлению экспериментальных, теоретических и численных исследований закономерностей процесса коллапса единичных интрузий. Прежде всего, получившиеся закономерности растекания оказались достаточно простыми, поэтому для их проверки были проведены многочисленные экспериментальные исследования. Было экспериментально доказано существование вязкой стадии и исследованы для этого случая закономерности растекания однородной осесимметричной интрузии постоянного /Зацепин и др., 1978/ и переменного /Зацепин, Шапиро, 1982/ объема. Исследовано растекание термохалинной /Воропаев и др., 1978/ и стратифицированной /Зацепин, 1982а/ интрузий.
Эволюция уровня турбулентности при вязком растекании перемешанного пятна в устойчиво-статифицированной среде, когда турбулентность в пятне поддерживается только за счет сдвига скорости течения от растекания самого пятна, теоретически исследовалась В.С.Беляевым; получены ассимптотические решения для пятен осесимметричной и цилиндрической формы /Беляев, 1981/« В этой работе показано, что характерное время жизни турбулентности на вязкой стадии в растекающихся пятнах при отсутствии внешнего сдвига много меньше характерного времени уменьшения их линейных размеров. Таким образом, в условиях отсутствия внешнего сдшга скорости течения в устойчиво -стратифицированных слоях океана преобладают блинообразные структуры, в которых турбулентность уже успела затухнуть. Было теоретически исследовано растекание перемешанных объемов с учетом влияния кориолисовых сил /Щурбас, Кузьмина, 1981; Шапиро,1984; Костяной, Шапиро, 1984/. Была предложена теоретическая модель /Жмур, 1982/ вязкого растекания объемов перемешанного газа, , образующихся в ионосфере за счет неустойчивости и обрушивания гравитационных волн, в которой баланс сил осуществляется между силой Кориолиса, трения и пондеромоторной силой. Были выполнены( на основе полных уравнений Навье-Ст -окса) численные расчеты начальной стадии коллапса /Белоцерковский, Гущин, І98Е; Белоцерковский и др., 1984/.
Общей особенностью выполненных работ было изучение процесса коллапса единичных перемешанных пятен в стратифицированной среде. Визуализация процессов, приводящих к образованию тонкой структуры, свидетельствует о том, что в ходе процесса турбулентного перемешивания возникает не один, а много перемешанных объемов, которые, как правило, достаточно близко расположены, а подчас почти примыкают друг к другу.
Об этом, в частности, свидетельствуют работы Вудса /Вудс, 1979/, Торпа / Thorpe , 1971, 1973/ Тернера /Turner , 1973/. Естественно, что в такой ситуации нельзя пренебречь взаимным влиянием коллапсирующих объемов.
В настоящей работе развиваются представления об образовании тонкой структуры путем коллапса взаимодействующих пятен перемешанной жидкости в поле плотности стратифицированной среды. Сказанное выше определяет актуальность темы, выбранной для диссертационной работы.
Вязкая стадия растекания перемешанной области является наиболее продолжительной по времени и поэтому с наибольшей вероятностью наблюдаемой в естественных условиях океана. Поэтому можно предположить: с наибольшей вероятностью, что перемешанные области влияют друг на друга возможно именно на вязкой стадии.
Методические особенности применения голографической интерферометрии при исследовании фазовых объектов в стратифицированной среде
В условиях океана большинство процессов, приводящих к образованию тонкой структуры, действует практически одновременно, перекрывая друг друга по пространству и времени. Это значительно затрудняет, а подчас и исключает возможность выделения влияния каждого из наблюдаемых механизмов на процесс образования тонкой структуры. К тому же исследования в натурных условиях имеют ряд принципиальных недостатков. Во-первых, это единичные зондирования, которые дают локальные характеристики гидрофизических полей океана. Для получения пространственной картины распределения гидрофизических характеристик требуется интерполяция по единичным зондированиям, разнесенным по времени и по пространству. Проблема натурных измерений требует решения таких вопросов как влияние качки корабля, устойчивость носителя чувствительного элемента измерительного устройства, влияние корпуса носителя на измерительный объем и т.д. До сих пор трудно разрешаемой проблемой является создание чувствительного элемента датчика, способного измерить только одну из интересующих величин и быть нечувствительным к другим. Более подробно эти и другие проблемы инструментальных натурных измерений обсуждаются в монографии /Монин, Озмидов, 1981/. К принципиальным сложностям, связанным с проблемами инструментальных натурных измерений относятся свойства среды, в которой производятся измерения. Сказанное в первую очередь относится к эффекту влияния поля внутренних волн, которые сильно искажают картину тонкой структуры гидрофизических полей. Как правило очень трудно исключить качку судна, и лишь совсем недавно удалось надежно регистрировать скорость и направление дрейфа судна с помощью системы космической навигации.
Только в условиях лабораторного эксперимента можно исключить фоновые помехи и исследовать каждый из возможных меха- , низмов в отдельности в строго контролируемых условиях. Серьезным достоинством лабораторного эксперимента является возможность применения новых физических методов и методик исследования, например, неконтактных: интерферометрии, голографичес-кой интерферометрии, оптической томографии и т.п. Эти методы значительно более информативны, чем применяемые в натурных условиях. Возможность многократного воспроизведения изучаемого процесса или наиболее важных его фрагментов позволяет выделить и изучать физическую природу наблюдаемого явления.
Приведенный анализ показал, что интрузионный процесс является одним из основных механизмов формирования тонкой структуры вод океана. Однако, важно отметить, что в представленных выше теоретических и экспериментальных работах проводились исследования растекания единичных перемешанных областей. Визуализация таких процессов, как например, обрушивание внутренних волн / Thorpe , 1971, 1973/ и структур перемешанных областей в следах перемешивания за телом / Schooley , Stewart , 1963/, колеблющейся решеткой / Turner , 1973; Воропаев, 1977; Linden , 1975; Thompson , Turner , 1975/ и т.п. показало, что, как правило, образуется не одна сплошная перемешанная область, а совокупность близко расположенных перемешанных областей. В этом случае пренебрегать их взаимным влиянием в процессе растекания нельзя. В связи с отсутствием теоретической модели взаимодействия пятен перемешанной жидкости основное внимание в работе было уделено лабораторному исследованию взаимодействия двух близко расположенных пятен цилиндрической формы на вязкой стадии растека ния, представленном в ІУ главе работы. Выбор цилиндрической формы перемешанной области диктовался, например тем, что в , результате действия повсеместно наблюдаемого в океане механизма генерации тонкой структуры, обрушения внутренних волн, образуются перемешанные области, горизонтальный размер которых в несколько раз больше вертикального / Thorpe , 1973; Вудс, 1979/. Такие области могут рассматриваться как цилиндрические. По аналогии с динамикой процесса коллапса единичного пятна вязкая стадия - наиболее продолжительная /Барен-блатт, 1978/, а, следовательно, взаимодействие наиболее вероятно наблюдаемо в натурных условиях на вязкой стадии. Основной задаче исследования предшествовало экспериментальное изучение вязкого растекания единичной перемешанной области цилиндрической формы, которому посвящена Ш глава. Новому в отечественной практике лабораторного гидрофизического эксперимента методу исследования стратифицированных сред - гологра-фической интерферометрии, посвящена П глава. С помощью этого метода получены основные результаты данной работы.
Исследование интрузионного механизма формирования тонкой структуры вод океана
Особенностью выполненных ранее теоретических и экспериментальных исследований интрузионного механизма формирования тонкой океанической структуры было изучение поведения единичной интрузии в стратифицированной жидкости / Wu , 1969; Као , 1976; Баренблатт, 1978; Зацепин и др., 1978; Amen , Maxworthy , 1980; йфрбас, Кузьмина, 1981; Зацепин, Шапиро, 1982; Зацепин, 1982; Абрамян, 1984 и др./. Визуализация процессов разрушения внутренних волн / Thorpe , 1971, 1973/ и следов перемешивания за буксируемыми и колеблющимися телами / Schooley , Stewart , 1963; Turner , 1973; Ьів -den , 1975; Воропаев, 1977/ показали, однако, что в возмущенном слое стратифицированной жидкости наблюдается не одна сплошная перемешанная область, а большое количество близкорасположенных ( рис. 5 ), часто примыкающих друг к другу перемешанных областей достаточно широкого спектра. Естественно, что в таких ситуациях, фактом взаимодействия близкорасположенных коллапсирующих областей перемешанной жидкости пренебречь нельзя. Кроме того, изучение характера взаимодействия при растекании близкорасположенных перемешанных объемов является, с нашей точки зрения, следующим шагом в понимании интрузионного механизма образования тонкой структуры.
Отсутствие теоретической модели взаимодействия близкорасположенных областей перемешанной жидкости при их коллапсе в поле плотности стратифицированной жидкости связано с имевшей место до последнего времени неясностью физического механизма этого явления. Предыдущие экспериментальные иссле-; дования в этом направлении автору не известны. Данная глава посвящена экспериментальному исследованию единичного акта взаимодействия элементов, формирующих тонкую структуру - растеканию пары близкорасположенных пятен перемешанной жидкости на одном изопикническом уровне в линейно-стратифицированной среде. Экспериментальные исследования проводились на установке, схема которой приведена на рис.20 . Установка была смон-::р тирована на несущей плите голографического интерферометра. Бассейн I (650x50x180 мм) из оргстекла заполнялся по методике / Portuin , I960/ стратифицированной по соли жидкостью. Линейное увеличение плотности с глубиной контролировалось с помощью голографического интерферометра. В процессе заполнения бассейна отбирались пробы жидкости, которые затем использовались для создания перемешанных пятен. Методика контроля стратификации в бассейне, а также конструкция генератора и методика получения пятен перемешанной жидкости подробно описаны в гл. Ш. Для того, чтобы получить одновременно два пятна перемешанной жидкости были подобраны одинаковые по проницаемости керамические генераторы и подводящие к ним пневмотракты таким образом, чтобы гидравлические потери в них были одинаковые. Предварительные эксперименты позволили выявить важные методические особенности проведения эксперимента.
Оказалось, что характер взаимодействия пятен существенно различался в зависимости от того, находились ли генераторы в слое, содер Рис. 0 Схема экспериментальной установки: І - бассейн 380 х 180 х 50 мм; 2 - генераторы цилиндрических пятен,- керамические фильтры; 3 - соединительные металлические трубки; 4 - мерные цилиндры; 5 - подача воздуха из ресивера; б - рейтер; 7 - ходовой винт; 8 - пятна. жащем пятна или нет. В том случае, когда генераторы оставались в слое, содержащем пятна после генерации, наблюдалось наползание пятен на поверхность соседнего генератора, т.е. наблюдалась картина ползучего движения в окрестности твердо го тела генератора. При выводе генераторов характер поведения пятен был качественно другим. Его описанию и анализу посвящена настоящая глава. Необходимость вывода генераторов из слоя, содержащего взаимодействующие пятна, потребовала создания специального технического устройства. Конструкция представляла собой рей-тер 7, который мог совершать возвратно поступательные перемещения в вертикальном направлении с помощью ходового винта 8 (рис. 20 ). На рейтере были смонтированы два генератора 2, расстояние между которыми можно было произвольно менять. Экспериментально изучались условия работы устройства, обеспечивающие минимальные дополнительные гидродинамические возмущения в бассейне как с помощью трассеров (алюминиевой пудры), так и методом голографической интерферометрии. Оказалось, что скорость перемещения генераторов при их выводе из слоя, содержащего пятна, не должна превышать I мм с 1. Величина числа Рейнольдса обтекания генераторов в этом слу-чае составляла 15. При проведении экспериментов скорость перемещения генераторов была — 0,5 мм с . На стадии предварительных экспериментов изучалось влияние расстояния между пятнами на характер их взаимодействия. Это расстояние менялось в широких пределах - от максимального, определяемого наибольшим размером, которого достигает единичное пятно данного объема при растекании в данной страти фикации (для пятна \Г 20 см оно было + 160 мм при /V « І с х) до 1/10 этой величины. Было показано, что независимо от расстояния между пятнами характер их взаимодействия был одинаковым. Отметим, что предложенная и детально обсужденная в Ш главе методика создания единичного пятна перемешанной жидкости оказалась пригодной и при изучении взаимодействия близкорасположенных пятен. В первую очередь это относится к практическому отсутствию влияния внутренних волн на всех стадиях растекания. Существенно, что если бы не была применена методика, предложенная в настоящей работе, внутренние волны сильно исказили бы картину взаимодействия пятен.
Дополнительным убедительным доказательством справедливости сделанных в Ш главе физических оценок, было надежное воспроизведение картины процесса взаимодействия пятен и возможность получения репрезентативных инструментальных его измерений. Как и в случае растекания единичного пятна, деформации взаимодействующих пятен, под действием внутренних волн, аналогичные тем, которые описаны в /Воропаев и др., 1978; Зацепин и др., 1978/ не наблюдались. Было проведено двенадцать экспериментов, в которых исследовалось взаимодействие двух цилиндрических пятен постоянного объема (объемы пятен в экспериментах менялись от 10 до 20 от ) в жидкостях различной стратификации ( /У ж 0,689 1,000 с 1). Процесс растекания пятен наблюдался визуально и фотографировался в последовательные моменты времени (от 25 до 40 снимков за время каждого эксперимента) на контрастную пленку "МИКРАТ-300".
Эволюция поля плотности между двумя пятнами перемешанной жидкости при их растека нии в стратифицированной среде
Для проверки этого предположения был применен метод голо-графической интерферометрии, позволивший наблюдать динамику поля плотности в зазоре в реальном времени /Островский, 1977/. Доследование проводилось с помощью голографического интерферометра со стандартной двухлучевой схемой, на несущей плите которого был установлен экспериментальный бассейн (16) (рис.23 ). Регистрация меняющейся интерференционной картины осуществлялась в реальном времени на фотопленку (19). Распределение поля плотности задавалось солевой стратификацией жидкости в бассейне, так как исследования проводились в специально контролируемых изотермических условиях. Методика проведения гидрофизического эксперимента отличалась от описанной выше лишь тем, что пятна слабо подкрашивались для визуального контроля их поведения. После заполнения бассейна линейно-стратифицированной жидкостью на фотопластинке (18) (типа ЛОИ-2 с разрешением 3000 линий/мм) регистрировалась интерференционная картина, соответствующая исходному распределению по глубине показателя преломления (т.е. плотности). Размер сцены наблюдения определяется диаметром линзы коллиматора; в данном случае он был равен 125 мм. Экспонированная фотопластинка обрабатывалась и выставлялась в первоначальное положение. Затем поворотом предметного зеркала 12 наводилась система опорных полос. Нарушение начальной стратификации при создании взаимодействующих друг с другом цилиндрических пятен приводит к искажению предметной волны (I-2-4-I2-I3-I4-I5-I7-I8), проходящей через объект. Эта волна интерферирует с волной, восстановленной голограммой при освещении ее опорным лучом (I-2-3-5-9-8-7-6-I8). Форма наблюдаемых при этом интерференционных полос определяется относительными фазовыми искажениями зондирующей волны.
Поэтому наблюдаемая интерференционная картина отражает пространственное перераспределение плотности жидкости в бассейне относительно ее распределения в исходном , состоянии. На рис.24 представлены сделанные в сопоставимые времена фотографии подкрашенных пятен и интерферограмм в полосах конечной ширины, отражающие изменение доля"плотности в зазоре между пятнами при их вязком растекании в стратифицированной среде. Начальному распределению жидкости по глубине бассейна соответствует картина, приведенная на первом (б) кадре - Ое.Деформация полос, свидетельствующая о перестройке поля плотности в слое, содержащем пятна, показана на кадрах 26-46. Последний кадр отражает влияние диффузии на изучаемый процесс. Интерферограммы процесса формирования пятен на начальной стадии растекания показали, что процесс перестройки поля ( плотности в слое, содержащем пятна сложен и протекает быстро (порядка сотни секунд) по сравнению со временем жизни пятен( у тысячи секунд). Детальное изучение этого процесса представ- ляет самостоятельный интерес. После вырождения вторичных течений (кадр. 26) на профиле поля плотности жидкости в бассейне можно выделить следующие характерные области: I - внешние, 2 - примыкающие к границе пятен, 3 - слой, содержащий пятна. Во внешних областях наличие пятен фактически не меняет поля плотности, о чем свидетельствует практическое равенство углов наклона интерференционных полос на кадре 16 и последующих кадрах. В области, примыкающей к слою, содержащему пятна, наблюдается значительное изменение градиента плотности жидкости по сравнению с начальным. Такое изменение градиента в верхней и нижней примыкающих областях можно объяснить вы давливанием из зазора между пятнами более легкой жидкости, по сравнению с жидкостью в пятнах вверх и более тяжелой - вниз. На приведенных интерферограммах верхняя примыкающая к границе пятен область прослеживается более четко, чем нижняя. В слое, содержащем пятна перемешанной жидкости, форма интерференционных полос указывает на существенное изменение поля плотности в нем (кадры 26-46) по сравнению с полем плотности данного слоя исходной стратификации (кадр 16). Одинаковый сдвиг фаз зондирующей волны по всему слою (кадры 26-56) -наглядное доказательство того, что поле плотности в слое (т.е. в пятнах и в зазоре между ними) одинаково. Анализ эволюции во времени визуализированных пятен и плот-ностной неоднородности, представленной на интерферограммах, позволяет сделать дополнительные важные выводы. Так, наблюдаемые во времени изменения углов наклона интерференционных полос на верхней и нижней границах слоя, содержащего пятна (кадры 26-56), свидетельствуют о его утоныпении. Перестройка поля плотности на периферийных участках слоя связана с процессом диффузии соли, а не с процессом растекания пятна. Величина коэффициента диффузии, определенная из приведенных выше интер-ферограмм, оказалась равной 16,2 0,2 ДО""10 иг/с и находится в удовлетворительном соответствии с известными данными / ы , Gregory , 1974/. На последней интерферограмме слой (кадр 56), содержащий пятна, выделить невозможно. В то же время, на соответствующих фотографиях подкрашенных пятен (кадры 2а-5а) видна прямо противоположная картина их поведения.Очертания подкрашенных пятен хорошо различимы на всех снимках. С течением времени, также за счет диффузии, но не соли, а краски, видимые вертикальные размеры пятен начи нают увеличиваться (кадр 5а). ( Таким образом, сопоставление соответствующих интерферо-грамм, прямых наблюдений эволюции поля плотности, с фотографиями подкрашенных пятен указывает на существование предела по времени использования метода подкрашивания при аналогичных лабораторных исследованиях. Эксперимент показал, что предельными являются времена «а порядка ICrc. Наблюдаемые принципиальные различия в поведении плотностных визуализированных (подкрашенных) и невизуализированных неоднородностей нельзя объяснить только разницей КОЭффИ циентов диффузии пассивной примеси (краски) и соли.
Описанные выше экспериментальные результаты стимулировали теоретические исследования, которые были выполнены СИ.Воропаевым и Б.Л.Гав-рилиным (1984) . Авторы работы показали, что за диффузию пассивной примеси и соли ответственны физические механизмы различной природы. Итак, анализ представленных интерферограмм позволяет утверждать, что в процессе вязкого растекания двух пятен перемешанной жидкости образуется слой, толщина которого определяется толщиной пятен. То обстоятельство, что поле плотности в пятнах и в зазоре между ними одинаково объясняет отсутствие сил плавучести в области взаимодействия пятен. Поэтому растекающиеся пятна не сливаются. Медленные течения, Воропаев СИ., Гаврилин Б.Л. Влияние диффузии примеси на длительность стадии вязкого растекания перемешанных объемов в стратифицированной жидкости. Тезисы докл. Ш Республиканской конференции по прикладной гидромеханике. "Проблемы гидромеханикі в освоении океана". Киев, 1984, 134-135. "
Универсальное представление результатов экспериментальных исследований интрузионного механизма формирования тонкой структуры вод океана
В данном параграфе делается попытка дать универсальное представление результатов экспериментальных исследований интрузионного механизма формирования тонкой структуры вод океана, выполненных в настоящей работе. Напомним, что речь идет о наиболее часто встречающейся в океане вязкой стадии интрузионного процесса, где движущая сила интрузии уравновешивается вязким сопротивлением. Так как процесс вовлечения окружающей жидкости в плотностную неоднородность на этой стадии отсутствует / Wu , 1969/, объем интрузии остается постоянным. Основная идея предложенного подхода заключается в том, что процесс растекания плотностной неоднородности автомоделей и справедливы автомодельные асимптотические законы расширения цилиндрической плотностной неоднородности (цилинд- рические пятна) на вязкой стадии /Баренблатт, 1978/. В этом случае безразмерным определяющим параметром процесса, позволяющим дать универсальное представление результатов экспериментальных исследований интрузионного механизма формирования тонкой структуры, выполненных в настоящей работе, будет отно-жение ш Грузии к к ее длине L . Воспользовавшись выражениями из работы /Баренблатт, 1978/ для закона распространения переднего края единичной цилиндрической интрузии: где }С - №/ZOcV » N - частота Вяйсяля-Брента окружающей жидкости, V - кинематическая вязкость, С - численный коэффициент, который можно считать равным 12, если скорость движения на верхней и нижней границах интрузии мала по сравнению со средней скоростью, \\ - ширина интрузии, F0 « 3,62 автомодельная координата края интрузии, 3 - площадь поперечного сечения цилиндрической интрузии, постоянная на вязкой стадии.
Обратимся к результатам экспериментальных исследований растекания единичных пятен перемешанной жидкости в линейно стратифицированной среде (см.гл.Ш наст.работы). Эксперимен тальные точки, соответствующие изменению величины М от времени Т , аппроксимируются степенной функцией t Показатель степени к в различных опытах принимал зна чения от -0, йЛ , до -0, 33 . Отметим, что величина погрешности при измерении И. составляла і 1%, Такое изменение величины (к связано с большими ошибками при измерении толщины интрузии, абсолютное изменение которой в течение опыта было примерно на два порядка меньше измене ния длины интрузии. В соответствии с теоретически предсказан ной и наблюдаемой в эксперименте формой поперечного сечения языка цилиндрической интрузии толщина цилиндрических пятен измерялась на расстоянии Є/2 и -сД от передней кромки интрузии (здесь 2І. « L ). Максимальный разброс полученных экспериментальных значений соответствует месту измерения з Ореднее по всем экспериментам значение Д. в -0,31 і 0,04 при среднем значении коэффициента корреляции Г «0,99-0,005. На рис.26 представлена зависимость изменения отношения М от времени Т. . Результаты опытов по растекание единичных - II? цилиндрических интрузий показали, что экспериментальные точки хорошо укладываются на универсальную кривую, описываемую формулой (4.4). Обратимся теперь к эксперименту с взаимодействующими пятнами. Интересно отметить, что зависимость удлинения такой неоднородности ис от времени при ее вязком растекании в поле плотности линейно стратифицированной жидкости согласуется с законом растекания единичного цилиндрического пятна Срис. 27 ). Таким образом, экспериментально доказано, что независимо от предыстории возникновения плотностная неоднородность цилиндрической формы на заключительной стадии эволюции растекается по закону единичного цилиндрического пятна, теоретически предсказанному Г. И. Баренблаттом. Проведенный анализ и сделанные выводы позволили предполо жить универсальность зависимости М (NT) И ДЛЯ ПЛОТНОСТНЫХ неоднородностей, сформировавшихся в результате взаимодействия цилиндрических пятен перемешанной жидкости. Результаты экспе риментальной проверки высказанного предположения (для различных значений частоты Вяйсяля-Брента Ы «0,689 + 1,000 с"" ) при ведены на рис. 26 . Исследования показали, что как для еди ничных цилиндрических интрузий, так и для интрузий, образовав шихся в результате взаимодействия цилиндрических пятен, за висимость является универсальной. Важно отметить одну методическую способность выполненной работы. В проведенных экспериментах боковые стенки бассейна ограничивали размер цилиндрических неоднородностей и, естественно, влияли на перестройку поля плотности в зазоре между пятнами. В реальных условиях жестких стенок нет. В этом случае роль жестких стенок выполняют перемешанные объемы, находя- , щиеся в периферийной зоне, на границе перемешанной области с окружающей стратифицированной средой. Физический механизм взаимодействия пятен перемешанной жидкости, описанный в настоящей работе, справедлив по всей перемешанной области за исключением периферийной зоны. Коллапс перемешанной жидкости, пятен, находящихся в периферийной зоне представляет самостоятельный интерес. Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы: 1.
Экспериментально обнаружен и доказан факт применимости закона вязкого растекания единичного цилиндрического пятна, теоретически предсказанного Г.И.Баренблаттом, к эволюции цилиндрической интрузии, возникшей в результате взаимодействия нескольких близкорасположенных цилиндрических пятен перемешанной жидкости, находящихся на одном уровне равновесной плотности. 2. Важное следствие проведенных исследований - возможность оценивать время существования элементов тонкой структуры (цилиндрических неоднородностей) по их характерным пространственным размерам. В настоящее время взгляды на возможность формирования тонкой структуры гидрофизических полей океана путем коллапса перемешанных пятен еще не вполне установились /ср.Баренблатт, 1978; Зацепин и др., 1978; Монин, Озмидов, 1981; Зацепин, Федоров, 1980; Зацепин, 19826/. Остановимся на нескольких наиболее показательных оценках. В работах /Зацепин, Федоров, 1980; Зацепин, 19826/ обсуждается возможность формирования тонкой структуры гидрофизических полей океана путем коллапса единичных перемешанных пятен. Принималось, что пятна образуются в результате однократного обрушивания внутренних волн, независимо от механизма неустойчивости, приводящего к их разрушению / Woods , 1968; Thorpe , 1973; McEwan , 1973; Orlansky , Bryan , 1969/. Для расчетов было принято, что в результате разрушения внутренней волны образуется единичное пятно полностью перемешанной жидкости, и процесс коллапса в океане происходит аналогично процессу, наблюдаемому в лабораторных условиях, т.е. без учета влияния внешнего сдвига; толщина стратифицированного слоя много больше толщины перемешанного пятна. На основании закономерностей, полученных Г.И.Баренблат-том (1978), было определено время, необходимое для вязкого растекания такого перемешанного пятна до достижения им размеров, величина отношения А//, которых I0"3 характерна для тонкой термохалинной стратификации вод океана /Федоров, 1976/. Считалось, что началу вязкой стадии соответствует величина
