Введение к работе
Актуальность тг»ш.
, Повсеместно регистрируемая тонкая структура гидрофизических полей, является следствием процессов обмена теплом, солью и импульсом в стратифицированной среде океана. Будучи звеном единой цени каскадной передачи энергии в океане между синоптическими, мезо-маситабами с одной стороны и микроструктурой с другой, тонкая структура в значительной степени определяет пространственно -временные ЗЕКономэрностг этого процесса.
Однэл из основных процессов приводящих я образованию тонкой структуры является процесс перемешивания, и .последующий коллапс областей перемешивания в стратифицированной среде океана.
Существующие в настоящее время теоретические и экспериментальные модели эволюции перемешанных областей рассматривают их как единичные, однородные либо лішейностратифицированнне области, колдапснрундиэ в безграничной стратифицированной среде. В тойє время, многочисленные лабораторне эксперименты по импульсному возбуждению турбулентности в страЕф-щированной среде показывают, что, как правило; в результате перемешивания образуются слснно-стратифпгдрованнне области, состоящие из совокупности близкорасположенных, различно ориентированных в пространстве пятен частично или полностьв перемешанной яидкости. -Процесс коллапса таких областей с учетом тадродинашческого взаимодействия составляющих их объемов в настоящее время теоретически и экспериментально практически не изучен.
Не менее важным представляется и практическая значимость изучения этого процесса. Так, например, необходимость решения экологических проблем морских акваторий , требует разработки моделей эволюции областей загрезкения водной среды, возникавдих в результате воздействия различных естественных и антропогенних факторов. Как правило эти воздействия сопровоядаются процессами перемешивания различной степени интенсивности. Динамика гидродинамически нейтральной примеси, которой являются загрязнявдие вещества определяется кроме адвекцией и турбулентной диффузией, и собственной динамикой перемешанной области..
Исследование пространственно-временных особенностей интрузи-онного процесса в натурных условиях, связано часто с неразрешимыми трудностями: в реальном океане большинство процессов, приводящих к образованию элементов тонкой структуры и влияниях на их динамику,
дэйствует практически одновременно, перэкрывая друг друга по прос транству и врзменп. Это подчас исключает' возможность выдзлсяп влияния какдого из присутствукшх механизмов на процесс оЗрг:?с ваьйя тонкой структуры. К. тону аз, исследования, в натурных, ус:о-5; ях емэвт ряд пряпцшшальных недостатков связанная с ш>совэриав.ст вом методики проведения измерений.' Лабораторній; эксперимент позво ляет--наклізчкз фоновые помехи, исследовать кагдох из b03xozscjx :-:э ханкзьов в отдельности в строго контродируег.сгг условиях. Siiasi тэльнш,; достоинство;,: лабораторного эксперимента является возможность прженсния вапболоэ информативных неконтактних методов 'sic следования в реально:.! врапэни прсцасса, таких как, Еапр'^'/зр, го-лэграЗяческая івітерфарокетрня, оптическая томографія и т.д.
Tr^at:.: обрасс-:-,;, лабораторное исследование процесса фор:.г.г;ас^й топкої структури вод океана в результате колкапса B3az;;.o:;s»',;'.:.-.,,.-скх пг.тэн шрї.:&иавво1і їкдкости, получению нрклхкоз очого сло:;:о-го кктрузионЕогс процесса к его дкяэ.етэапх стадій, яь-зіязтсі актуальной про0~'.зиой совракзнной океанологии.
Г/лн взаимодействия пятен переметанной ;.c-;:z-;octe в праздісеє коллапса і.їоізо определить исходя из возыогаесго их растолок-гпл і пространстве относительно друг друга, а именно:
-
Горпаен^алъноа взашодайствпэ пятой. Пятка нулзвоїї xuiajy-чэстп паходяа^сл на одном уровне.равновесно» платности (рл ~рг).
-
Еэр::..:;.-г-ноэ взаимодействие пятая, ньккцих 00л -аийі-кальнуэ ось С2к.:этрпн, расярострашшд>о;ся по различным pat-.лоьас-нзі.і уровням (вертикальний пакет пятен), (pi<рг<......<рп).
-
Взапмодв-йствиэ пятен из вмещо. осйцзй вертикальной осп епщитртл -.: распространягавтхея навстречу друг другу по рззлкчаи>л равновосньи уровнял."
Шли и задача; пседедавания.
Цольз работы является лабораторное, исследование прострапст-вгано-врамэнЕнх особапностей процесса коллапса взаяшдайствукдЕЗ. различно ориентированных в пространстве перэкоианних объемов.
Основные задачи исследования заключались:
-
в исследовании пространственно -временных характеристик: процесса коллапса ступенчато- стратпфпцарованной области (вертикального пакета перекаленных пятен ) в линейно стратифшдязованнон среде
-
в исследовании динамики поля плотности в области раскроет-
анания а), единичной интрузии, б), вертикального пакета пятен еремешашой кидкости, в), интрузий распространяющихся по различим горизонтам навстречу друг другу.
3. в применении результатов лабораторных экспериментов при втурном изучении интрузионных форм образования тонкой структуры юд океана.
Основные научные результаты. Основные научные результаты, іриведенные в диссертации, состоят, в следующем:
1. Исследован процесс коллапса вертикального пакета пятен,
шевдего среднюю стратификацию отличную от фоновой, показано, что
гри монотонном развитии периферийных интрузий на всей временном
штервале наблюдений (со скоростями близкими к скоростям соответ-
зтвукдих им по объему единичных пятен), динамика центральной
отгрузка (или нескольких центральных при количестве пятен в пакете
Эолее трех) имеет следующие характерные особенности:
При Nt<20 (N-начальная частота В'яйсяля внешней стратифицированной ерэды, t-время) рззмерн центральной интрузии значительно превышают размеры перефзргапых и единичных интрузий того-ке объема. К їїї~30, распространение центральной интрузии пргоетзнавлива-ется и при 30
2. С помощью метода голографической интерферометрии, получено
качественное объяснение физического механизма, определяэдего,зако
номерности эволюции вертикального пакета перемешанных пятен, кото
рое сводится к следующему. На начальных' стадиях коллапса динамика
центрального языка пакета определяется избыточным горизонтальным
градиентом давления, создаваемым вертикальным пакетом, как единой
плотностной неоднородностью. Обладающие запасом плавучести, пери
ферийные пятна, выходя на равновесные уровни плотности, совершают
относительно них как минимум одно колебание. "Проскакивавие" пе
риферийными пятнами уровней равновесной плотности (при Ht~30) при
водит к тому, что средний по пакету пятен градиент плотности ста
новится больше величины низшей стратификации, что и"вызывает "ан-
тиколлапс" центральной интрузии пакета, продолЕавдийся до момента
возвращения центров масс" периферийных пятен на равновесные уровни
(Ht~T5). С этого момента каждое из составлящих пакет пятен раз-
вивается практически по законам динамики единичных интрузий.
З.Исследована динамика'поля плотности в области распространения единичных интрузии и вертикального пакета пятен в линейностра-тифицированной среде. Получении автомодельные зависимости относительных частот Вяйсяля (аналогов чисел Кокса) для границ (высо-коградиентвых прослоек) и квазиоднородного слоя единичных интрузий от времени и. начальных условий формирования перемешанной области (ее характерного размера и величины фоновой стратификации). Показано, что на вязкой стадии эволюции вертикальный градент плотности на границах интрузий как единичных, так и составляющих вертикальный пакет, превосходит фоновое значение меньше чем на порядок и не зависит от начального размера переметанной области.
4. Обнаружено, что при динамическом взаимодействии пятен
распространявдихся навстречу друг другу по различным горизонтам z
(Дг~а, где h-текущий вертикальный размер пятен), в вертикальном
зазоре между пятнами величина градиента плотности может на порядок
превышать начальные фоновые значения.
5. На основании полученных рэзультатов предложен новый клас
сификационный признак механизмов формирования элементов тонкой
структуры вод океана и их динамического состояния по данным CTD-
зондирования: превышение локальной величины . градиента поля
плотности в прослойке среднего значения более чем на порядок
.свидетельствует о. присутствии динамической фазы встречного взаи
модействия.
G. Получено уравнение, описывающее вероятностную структуру степени перемешанности квазиоднородных пятен. Проведены специальные лабораторные эксперименты по определению констант функциональных зависимостей, входящих в теоретическое описание. На основании натурных экспериментальных данных по выделению пятен в различных районах мирового океана показано качественное согласие полученных натурных гистограмм с теоретически предсказанной формой распределения степени перемешанности внутри пятен.
Научная новизна исследований, достоверность полученных результатов и научных выводов..
Лабораторные исследвания,' выполненные в диссертации, привели к ряду принципиально новых результатов, основными из которых, можно считать следующие:
I. Показано, что в процессе коллапса различно ориентированных
! пространстве пятен перемешанной жидкости их взаимодействие жазывает существенное влияние на закономерности динамики линейных шмеров и в некоторых случаях плотностных характеристик кавдого ттна.
-
Впервые выявлена ранее неизвестная стадия эволщии стугіен-іато-стратифиаированннх областей в стратифицированной среде (стадия "антиколлапса" центральных интрузий), которая затек была обна-эужена и в натурных условиях. С помощью методов голографической штерфероматрии получено объяснение физического механизма, приво-дацего к значительным колебаниям горизонтальных размеров центральных интрузий.
-
Впервые исследована динамика поля плотности в области распространения единичных, взаимодействующих, различноориентированных з пространстве пятен перемешанной жидкости. Получен критериальный зризнак (по закономерностям распределения поля.вертикальных гради-энтов плотности) динамического состояния и типа взаимодействия штрузионных объемов.
Научные вывода, полученные по экспериментальным данным, обес
печены использованием результатов измерений кялиорованвнми прибо
рами с необходимым контролем их тарировочных характеристик. -Ста
тистическая обработка основывалась на обеспеченных выборках анали
зируемых данных, что позволило получить достоверные статистические
оценки характеристик. ' '
Практическая значимость работы. Результаты работы имеют важное значение для понимания процессов формирования тонкой структуры вод океана, процессов эволюции перемешанных областей, а также энергетического и массообмена плотностных неоднородностей с окружающей водной средой в ходе их эволюции. Модельные представления опи-сыващие динамику линейных размеров ступенчато-стратифицированных областей (вертикальных пакетов перемешанных пятен) и закономерности деформации поля плотности в области распространения взаимодействующих интрузий позволяют на качественно новом уровне совершенствовать методику классификации форм тонкоструктурвых неоднородностей.
Предложенная модель эволюции вертикального пакета пятен перемешанной жидкости в стратифицированной среде напша практическое годтверадение при интерпретации данных акустического зондирования плотностной неоднородности искусственно созданной в морской среде.
Полученные результаты могут быть использованы при разработке
и совершенствовании моделей эволюции областей загрязнения морских акваторий, и тем самым способствовать совершенствованию методов прогноза экологической ситуации, например, при нормативных сбросах сточных вод, аварийных ситуациях.
Личный вклад автора и публикация результатов работы. - . диссертационная работа является результатом обобщения цикла лабораторных экспериментальных исследований автора, выполненных в Институте геохимии и аналитической химии РАН. Непосредственно автором созданы' все используемые лабораторные установки, в том числе и с использованием метода голографической интерферометрии. Проведение экспериментов и вся обработка экспериментальных данвых-(вклкнэя первичную) производилось лично автором.' Анализ интерфе-рограмм проводился по оригинальным методикам, разработанным автором. Автор принимал участие в разработке программ ряда натурных экспериментов по изучению эволюции областей перемешанной жидкости, осуществлял обработку, анализ и теоретическую интерпретацию полученных, результатов.
Основные результаты исследований, полученные в диссертации опубликованы в 9 научных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Апробация рг.Яэтн. Результаты, полученные в диссертации были доложены и обсуэдены на I Всесоюзной конференции "Проблемы стратифицированных течений" (Саласдалс, 1988), всесоюзном свшнаре "Измерения в потоках. Методы, аппаратура и применение". (Москва, 1990), на I Всесоюзной конференции "Оптические методы исследования потоков" (Новосибирск 1931), II Всесоюзной конференции "Проблемы стратифицированных течений" Канев, 1991г., мэндународной конференции "Проблемы Черного моря" (Севастополь 1992), семинарах ГЕОХИ РАН, ИО РАН, ИГИ УАН (в 1990-19931-.г.), 17 General Assetably of Europian Geophysical Society (Edinburgh. 1992), 9th International Pollution Engineering Exhibition (Paris 1993).
