Введение к работе
Актуальность темы
Открытое недавно явление гидротермальной активности, связанное с функционированием тепловых источников на дне океанов в районах спрединга Срединно-океанских хребтов, вызвало большой интерес у океанологов и заставило по-новому взглянуть на некоторые проблемы в океанологии. Интерес к этому явлению прежде всего связан с поступлением эндогенного вещества в толщу придонных вод в виде высокотемпературных потоков жидкости, насыщенной растворимыми элементами и тоннодисперсными частицами рудных компонент. В свою очередь, это приводит к формированию массивных холмов сужьфндных руд на две океанов с "черными курильщиками" на их вершинах, особой фауны гндротермахн, основанной на процессах хемосинтеза, что явилось крупнейшим открытием XX века в области наук о Земле.
Активное изучение гидротермальных областей за последние 10 лет позволяет сделать выводы о колоссальных, до настоящего времени недооцененных масштабах поступления эндогенного вещества в глубинные и придонные воды океанов и формирования огромных запасов полиметаллических руд на дне Мирового океана, о глобальных процессах обмена океан-литосфера. С другой стороны, гидротермальная циркуляция играет важную роль в процессах тепло- и мас-сопереноса, распределения химических элементов в толще онеан-ских вод. При этом фактор длительности функционирования гидротерм приводит к тому, что за несколько миллионов пет суммарный объем гидротермальных растворов равен объему вод всего Мирового
океана. Это в значительной мере определяет как химический состав вод Мирового океана, так и количественное соотношение между растворенными в воде элементами. Таким образом, актуальность исследования зон гидротермальной активности в придонных водах океана очевидна.
Мелкомасштабные неоднородности, тонкоструктурное расслоение гидрофизических полей - повсеместное явление в океане. Они являются следствием особенностей протекания процессов обмена импульсом, теплом и солью в условиях устойчивой стратификации вод и проявляются во всей толще океана от поверхности до дна. Необходимость этих исследований имеет актуальное значение, поскольку именно мелкомасштабные процессы являются конечным звеном единой цепи каскадной передачи кинетической энергии всех движений вод в онеане с последующим её переходом в теплоту под действием вязкой диссипации. В связи с этим мелкомасштабные процессы в конечном итоге играют существенную роль в изменении погоды и климата Земли.
В настоящее время большой интерес вызывает исследование придонных слоев океана, обусловленный необходимостью получения сведений о динамике и структуре вод как пограничных его слоев. Таких сведений очень мало, что и определяет актуальность и важность исследования круга проблем, связанных, например, с модели рованием циркуляции вод океана. В этой связи наличие тонкострук турного расслоения характеристик придонных и граничащих с ними глубинных вод, обнаруженных и исследуемых в диссертации, сущест венно корректируют наши представления о физике процессов в придонных слоях океана.
Цель работы
В настоящей работе исследуется физика локальных явлении и мелко- и мезомасштабных процессов, протекающих в различных районах Мирового океана от поверхности до дна. При этом океан рассматривается как среда, в которой распределения гидрофизических характеристик по вертикали представлены в виде непрерывно чередующихся тонноструктурных неоднородностей разных масштабов и ин-теннсивности перепадов свойств воды по всей глубине океана. На фоне тонкоструктурного расслоения гидрофизических характеристик в работе исследуются динамика и структура вод в их взаимосвязи и взаимообусловленности.
Основные задачи исследования
- построение физических конструкций и моделей, всесторонне опи
сывающих гидротермальное явление на всех этапах его развития и
состоящих из :
1) циркуляции придонных вод в трещиноватых системах онеанской
коры, приводящей н выносу на поверхность океанского ложа высоко
температурных рудообразующих растворов и формированию залежей
массивных холмов руд с "черными курильщиками" на их вершинах ;
2) струйных течений высокотемпературных турбулентных потоков
жидкости, бьющих со дна океана и насыщенных рудообразующими ком
понентами;
3) формирования аномальных областей воды -"плюмов"- на конеч
ной стадии струйных потонов, играющие важную роль в регулирова
ние процессов тепло- и массопереноса в глубинных и придонных
слоях океана;
- исследования влияния различных форм тонкоструктурных неодно-
родностей поля плотности океанских вод на параметры короткопе-риодных внутренних волн;
- исследование механизмов тоннострунтурного расслоения гидро
физических полей в различных раинах океана (зоны апвеллингов,
области фронтальных разделов, линза средиземноморской воды, при
донные слои вод вблизи гидротермальных источников).
Научная новизна
впервые физически обосновано проведено замыкание системы интегральных уравнений, описывающей поведение плавучей турбулентной струи в стратифицированной жидкости, что представляет собой законченное решение одной из проблем гидродинамики.
впервые разработан комппенс модельных конструкций, всесторонне описывающий гидротермальное явление в целом на всех этапах его развития;
впервые обнаружено и исследованно тонкоструктурное расслоение термохалинных характеристик вод в придонных слоях океана на больших его глубинах;
- впервые проведено исследование влияния модельного тонкострук
турного распределение плотности воды, заданного в явной анали
тической форме, на характеристики ВВ. Такое распределение сущест
венно упрощает поиск связей между характеристиками ВВ и парамет
рами тонкой структуры поля плотности воды.
Обоснованность научных положении и выводов
В цепом диссертация носит комплексный характер : от разработок оригинальных методик исследований и обработок экспериментальных данных до всестороннего анализа и теоретического обобше-
ния изучаемых явлений в океане. Обоснованность результатов работы основана, с одной стороны, на экспериментальных данных, полученных с помощью регулярно поверяемой измерительной аппаратуры. С другой - на использовании строгих математических методов при решении физических задач, проверке и сравнения их с известными результатами как численных схем расчетов, так и данными натурных наблюдений.
Практическая важность работы
Тема диссертации определяется особой важностью в решении проблем океанологии в области изучения динамики гидротермальных потоков и обусловленных ими крупных залежей полиметаллических руд на дне океанов. Решена одна из прблем гидродинамики: проблема замынания системы интегральных уравнений, описывающей поведение плавучей турбулентной струи в однородной и стратифицированной жидкостях. Разработан комплекс модельных конструкций,всесторонне описывающих локальные гидротермальные явления в придонных слоях океана, разработаны метопы поиска гидротермальных проявлений в виде аномальных областей вод - "ппюмов", зависших над горячими источниками.
Изложенные в диссертационной работе результаты могут быть использованы: 1 ) для расчетов физико-химических параметров рудо-обраэующих гидротермальных потоков, бьющих со дна океанов, количественных оценок рудных номлонент, содержащихся в рудных холмах с "черными курильщиками" на их вершинах ; 2) при построении численных моделей локальных явлений в океане, интерпретации лабораторных и натурных экспериментов ; 3) для выявления механизмов тонкоструктурного расслоения физичеческих характеристик вод в
различных по гидрометеорологическим районах океана от поверхности по дна; 4) для расчета параметров внутренних волн, изменяющихся под влиянием разных по форме тонкоструктурных неоднород-ностей поля плотности воды в океане;
Апробация результатов и научные публикации
Изложенные в диссертации результаты докладывались на Советско-Французском симпозиуме "Физическая океанография" (Новосибирск, 1983), на 3-м Всесоюзном симпозиуме "Тонкая структура" (Таллинн, 1984), на VI Всесоюзном Лимнологическом совещании "Гидрология и гидрофизика озер и водохранилищ"(Байкал, 1985), на 3-й Всесоюзной конференции "Вихри и турбулентность в океане" (Светлогорск, 1990 ), на рабочем совещании США-СССР в Скриппском Океанографическом институте (Сан-Диего, 1990), на XX сессии Генеральной Ассамблеи Международного геофизического общества (Вена, 1991), на рабочем совещании США-СССР - XX сессия МГСС (Вена, 1991), на 17 сессии Генеральной Ассамблеи Европейского общества (Эдинбург, 1992), на Соросовсной Международной Конференции "Ди-намина океана и атмосферы" (Москва, 1995), а также на научных се-минарах в Институте океанологии (1983-1996), Морском гидрофизическом институте (Севастополь,1996).
Основные положения диссертации и выводы содержатся в 25 опубликованных работах автора, список которых приведен в конце Автореферата. В статьях, написанных в соавторстве диссертанту при-надлежат основные идеи, постановки задач, методы обработки данных наблюдений; его участие в решении задач и анализе исследуемых явлений было существенным на всех этапах опубликованных работ.
)бъем и структура диссертации
Диссертация состоит из Введения, 5 глав, Заключения, Поспесло-зия и Списна литературы. Работа содержит 318 страницы, из которых 253 страниц текста, 65 страниц с графинами и рисунками. Спи ?он цитируемой литературы включает 241 наименование,
