Океанология. Часть I. Физические явления и процессы в океане - Безруков Ю.Ф.. Океанология. Часть I. Физические явления и процессы в океане - Б. Министерство науки и образования Украины Таврический национальный университет им. В. И. Вернадского

• Название: Министерство науки и образования Украины Таврический национальный университет им. В. И. Вернадского
• Анкор: Океанология. Часть I. Физические явления и процессы в океане - Безруков Ю.Ф..doc
• Дата: 27.05.2017
• Размер: 14.3 Mb.
• Имя файла: Океанология. Часть I. Физические явления и процессы в океане - Б.doc
• Тип: Документы; #8077
• Категория: Геология
• страница: 16 из 21

12. Термохалинный анализ вод океана

12.1. Т,S-кривые

При перемешивании вод в море происходит одновременный обмен физическими, химическими и биологическими свойствами. При смешении двух типов вод с различной температурой и соленостью, которые являются главными физическими характеристиками морской воды, очевидно, что результат смешения должен рассматриваться в Т,S-координатах (на Т,S-диаграмме) в общем случае в виде Т,S-соотношенuй (рис. 29). Каждый тип однородной воды с парой характеристик температуры и солености на Т,S-диаграмме изображается точкой. Построение натурных Т,S -­соотношений вод Мирового океана (они называются Т,S-кривые) и их анализ составляют содержание термохалинного анализа (Т,S-анализа) морских вод. Этот анализ позволяет выявить влияние процессов перемешивания на формирование основных водных масс Мирового океана.

Рис. 29. Т,S-соотношение и прямая смешения двух водных масс

Т,S-кривую можно построить по данными распределения с глубиной температуры и солености какой-либо океанологической станции. Для этого на Т,S-диаграмму наносятся Т,S-точки по температуре и солености, которые наблюдались на каждом из горизонтов. Подписывая у точек значения глубины со­ответствующих горизонтов и соединяя эти точки плавной кривой, получим Т,S-кривую океанологической станции.

Метод интерпретации океанологических наблюдений в виде Т,S-кривых был введен Гелланд-Ганзеном (1918) и оказался весьма эффективным средством океанографического анализа. Первые опыты построения Т,S-кривых, предпринятые Гелланд-Ганзеном и другими исследователями, показали, что Т,S-кривые многих

океанологических станций, лежащих в одном и том же районе, даже очень большом по площади, зачастую весьма сходны между собой. Именно это обстоятельство позволяет идентифицировать на Т,S-диаграмме водные массы, обладающие вполне определенным сочетанием температуры и солености, а также смеси этих водных масс.

Т,S-кривая по параметру глубины z является самым важным типом Т,S-соотношения вод океана. Для сравнения Т,S,z-кривых между собой строят совокупности кривых (в виде "пучков"- в одной и той же шкале). Кроме того, на Т,S-диаграмме можно оконтурить область, в которую ложатся все Т,S-кривые того или иного района Мирового океана.

Поля Т,S-кривых для всех океанов изображены на обобщенной Т,S-диаграмме Дитриха (1962), воспроизведенной на рис. 30. Рисунок демонстрирует геометрическую интерпретацию термохалинного поля океана. "Образы" водных масс, показанные на этом рисунке, должны быть подвергнуты количественному анализу, в физической основе которого лежат представления о смешении между собой "первоначальных" двух, трех или четырех водных масс, однородных по температуре и солености.



Рис. 30. Обобщенные Т,S-соотношения водных масс Мирового океана (Дитрих,1962)

Помимо глубины z, в качестве параметра на Т,S-кривых могут выступать и другие величины, например, время t, расстояние по горизонтали х, повторяемость n. В частности, Т,S, t-кривые характеризуют либо изменение температуры и солености в какой-либо точке океана за счет периодических процессов, либо их изменение в процессе трансформации на каком-нибудь горизонте. Т,S-соотношения по параметру n представляют основу для объемного статистического Т,S-анализа.

12.2. Смешение двух и трех водных масс

Наиболее общим случаем смешения водных масс в реальных условиях Мирового океана является вертикальное перемешивание двух, трех и четырех наложенных друг на друга водных масс.

Обратимся к вопросу о смешении двух и трех водных масс, важному для понимания аналитической теории Т,S,z-кривых.

Рассмотрим две однородные водные массы А и В; пусть температура и соленость водной массы А равны Т₁ S₁, водной массы В – Т₂ S₂. На Т,S-диаграмме эти водные массы будут определяться соответствующими Т,S-точками (рис.29). В океанологии Т,S-точки, соответствующие однородным водным массам, называются термохалинными индексами.

Рассмотрим вопрос о смешении между собой этих двух водных масс и об определении температуры и солености результирующей смеси.

Результат полного смешения водных масс А и В изображается Т,S-точкой М, лежащей на прямой АВ, называемой прямой смешения. Температура и соленость смеси определяются формулами смешения

;

где m₁ и m₂ - пропорции водной массы А и водной массы В. Результирующая точка М лежит на прямой смешения на расстояниях от точек А и В, пропорциональных m₁ и m₂. Точке М соответствует 36% водной массы А и 64% водной массы В, т.е. мы определили в этой точке процентное содержание каждой из двух смешивающихся водных масс.

Так обстоит дело в случае полного смешения. В реальных условиях полного смешения между различными водными массами может не происходить - вследствие того, что помимо процесса смешения, стремящегося выровнять температуру и соленость, в океане происходят процессы, поддерживающие начальные температуру и соленость этих водных масс. К ним, прежде всего, относятся процессы теплообмена с атмосферой, адвекция (перенос) "первоначальных" водных масс из других районов океана и другие. Поэтому в стационарном случае водные массы находятся в состоянии непрерывного частичного смешения, а их Т,S-характеристики в разных точках одной вертикали определяются на прямой смешения. Прямая смешения, таким образом, в рассмотренном частном случае смешения двух водных масс является Т,S-прямой, т.е. частным случаем Т,S-кривой.

Рассмотрим случай смешения трех однородных водных масс A, B и C, имеющих температуру и соленость Т₁S₁, Т₂S₂, Т₃S₃ соответственно. На Т,S-диаграмме (рис. 31) индексы этих трех водных масс, если они не лежат на одной прямой, образуют треу­гольник смешения.

Рис. 31. Треyголъник смешения (номограмма для определения процентногo соотношения трех водных масс)

Продукт полного смешения трех водных масс будет иметь температуру и соленость, определяемые формулами смешения

;

где m₁, m₂ и m₃ пропорции водной массы А, водной массы В и водной массы С, участвующих в смешении.

Результат полного смешения трех водных масс будет изображаться Т,S-точкой М, лежащей внутри треугольника смешения. Зная положение результирующей Т,S-точки в пределах треугольника смешения, можно определить содержание каждой из водных масс в смеси. Для удобства графического определения процентного соотношения каждой из водных масс в смеси строится соответствующая процентная номограмма. Так, например, точке М на рис. 30 соответствует 10% воды А, 60% воды В и 30% воды С.

В Мировом океане широко распространены промежуточные водные массы, характеризующиеся либо экстремумом солености (средиземноморская промежуточная водная масса в Атлантическом океане, красноморская водная масса в Индийском океане), либо экстремумом температуры (атлантическая теплая прослойка в Северном Ледовитом океане). Поэтому при анализе перемешивания трех водных масс и выяснения их процентного содержания, Т,S-кривая, укладывающаяся в пределах треугольника смешения, своим экстремумом будет указывать на промежуточную водную массу, а ее концевые ветви будут принадлежать термохалинным индексам поверхностной и глубинной водным массам. Такой тип Т,S-кривой, указывающий на смешение трех водных масс, характерен для океана и является интересным с точки зрения анализа водных масс. Наличие экстремумов на Т,S-кривых видно также на обобщенной Т,S-диаграмме, изображенной на рис. 30.

12.3. Смешение четырех водных масс

Рассмотрим вопрос о смешении четырех водных масс океана, когдапо меньшей мере две из четырех водных масс находятся в процессе горизонтального смешения, и выясним, насколько правомерно построение треугольников смешения для изучения перемешивания более чем трех водных масс.

В этом случае треугольники смешения можно построить на термохалинных индексах как на вершинах таким образом, что они имеют одну общую сторону. Так, в случае смешения четырех водных масс А, В,С и Dможно построить два треугольника, имеющих одну общую сторону BD (рис. 32). В основе таких построений лежит допу­щение, что в тех или иных океанографических условиях одна из четырех водных масс принимает - по сравнению с тремя другими - ничтожное участие в процессе взаимного смешения вод.

Рис. 32. Два треугольника смешения для определения процентного содержания четырех водных масс, перемешивающихся по вертикали. Жирной линией показана типовая Т,S, z-кривая.

Остановимся вначале на примере вертикального перемешивания четырех наложенных одна на другую водных масс океана - приповерхностной, двух промежу­точных и глубинной (или придонной). Так, рис.32 может соответствовать случаю, когдав условиях устойчивой стратификации перемешиваются поверхностная водная масса А, промежуточные водные массы B(верхняя) и D (нижняя) и глубинная вода C. При таком перемешивании возникает типовая Т,S-кривая, изображенная на рисунке жирной линией. В этом примере две промежуточные водные массы образуют своеобразный стратификационный экран, препятствующий непосредственному вертикальному контакту водной массы Ас водной массой С. Смешение вод А, Ви D рассматривается независимо от водной массы C, смешение вод B, С и Dв свою очередь - независимо от воды А.

Рассмотрим случай, когда между собой смешиваются две поверхностные водные массы А и Ви две промежуточные (или глубинные) водные массы С и D. Типовые Т,S,z-кривые, соответствующие этому варианту, изображены на рис. 33 сплошными жирными линиями - «крайние», а штриховой линией - промежуточная, возникающая в процессе взаимной трансформации первых двух.

Рис. 33. Четырехугольник смешения и номограмма для опре­деления процентного содержания четырех водных масс.

В этом случае преобладает вертикальное смешение вод А и D и вод В и С соответственно; это смешение образует структуры AD и ВС.Одновременно имеет место горизонтальное смешение отдельных элементов этих структур, образующее различные промежуточные структуры. Таким образом, все водные массы находятся в процессе «равноправного» смешения, и выделение треугольников смешения становится неправомерным.

В этом случае необходимо построить четырехугольник смешения ABCD, в качестве вершин которого должны быть взяты термохалинные индексы четырех смешивающихся водных масс, и номограмму их процентного содержания. Номограмма должна удовлетворять условию, что в любой ее точке сумма частей смешивающихся вод должна составлять 100%. Это условие выполняется только в том случае, если преполагается, что равные объемы поверхностных вод Аи Всмешиваются с равными объемами вод С и D; в свою очередь возникшие в результате вертикального перемешивания элементы структур AD и ВСсмешиваются в горизонтальном направлении вдоль поверхностей равного их процентного содержания. Сформулированное ограничение о смешении вод в равных пропорциях с океанографической точки зрения выглядит достоверным: положение поверхностей равного процентного содержания вод, вдоль которых предполагается «горизонтальное» перемешивание близко соответствует положению изопикнических поверхностей, т.е. соблюдается принцип изопикнического перемешивания. Такой подход, предложенный О.И.Мамаевым, дает возможность построить соответ­ствующую номограмму для определения процентного содержания каждой из четырех смешивающихся водных масс ( рис. 33).

Случай смешения четырех водных масс широко распространен в Мировом океане.

12.4. Аналитическая геометрия Т,S- кривых

Основой для изучения вертикального перемешивания вод на Т,S-­диаграмме является аналитическая теория Т,S-кривых, разработанная В.Б.Штокманом (1943, 1944) и развитая в дальнейшем другими исследователями.

Практическим выходом из аналитической теории Т,S-кривых являются правила, вытекающие из «геометрии Т,S-кривых». Эти правила (теоремы) были предложены Штокманом, и их можно сформулировать следующим образом:

1) границей между двумя водными массами следует считать глубину, на которой процентное содержание, определяемое по прямой смешения, треугольнику или четырехугольнику смешения, составляет 50%для каждой из водных масс;

2) если Т,S-кривая близка к прямой линии, то для ее анализа следует пользоваться прямой смешения. В этом случае термохалинные индексы двух смешивающихся водных масс лежат на концах кривой и соответствуют поверхностной и глубинной водным массам;

3) если Т,S-кривая состоит из двух и более прямых (или почти прямых) участков, сопряженных между собой, то имеются три и более водные массы. Количество водных масс равно количеству экстремумов плюс два;

4) определение Т,S-индексов производится проведением касательных к выпрямленным участкам Т,S-кривых. В этом случае пересечение касательных в области экстремума указывает на Т,S-индекс промежуточной водной массы (водные массы Ви С на рис. 34), а концы ветвей Т,S-кривой соответствует приповерхностной и придонной водным массам А и D;

5) для определения границ и процентного содержания водных масс на разных глубинах на Т,S-индексах, как на вершинах, строятся треугольники (треугольники АВС и ВСD на рис. 32) или четырехугольник смешения АВСD (рис. 33);

6) главная медиана треугольника смешения, проведенная из той его вершины, которая соответствует промежуточной водной массе, к середине противолежащей сто­роны (называемой основанием треугольника смешения), пересекает Т,S-кривую в той точке, где параметр глубины z характеризует положение ядра промежуточной водной массы;

Рис. 34. Графический анализ Т, S-кривой океанологической станции

7) побочные медианы треугольника смешения, проведенные из середины основания треугольника смешения к двум другим сторонам, пересекают Т,S-кривую в тех ее точках, где параметр глубины z соответствует границам промежуточной водной массы. Часть Т,S-кривой, заключенная между побочными медианами треугольника смешения, соответствует промежуточной водной массе.

На рис. 34 затемненный параллелограмм характеризует область трансформации промежуточной водной массы В, а побочные медианы соответствуют линиям 50% содержания этой водной массы.

Аналитическая геометрия Т,S-кривых В.Б.Штокмана представляет основу для анализа натурных Т,S-кривых. Этот анализ заключается в восстановлении на Т,S-кривых треугольников смешения, определении термохалинных индексов «первоначальных» (материнских) водных масс и границ процентного содержания смешивающихся водных масс.

12.5. Статистический Т,S- анализ

Если Т,S-диаграмму морских вод, точнее Т,S-плоскостъ, разбить прямоугольной сеткой на клетки (классы) ∆Т×∆S, в каждой из которых нанесено какое-либо значение Т,S-соотношения реальных вод океана, то такая диаграмма носит название статистической Т,S-диаграммы. Числа, попадающие в клетки такой диаграммы представляют значения частоты или вероятности появления значения температуры или солености того или иного класса. Размер клеток-классов ∆Т×∆S определяется достаточностью (репрезентативностью) океанографической информации, если же некоторые клетки-классы окажутся пустыми, это означает, что воды с данными интервалами солености и температуры на исследуемой акватории не встречаются.

Статистический Т,S-анализ был предложен Р.Монтгомери (1955), а его целью является, например, определение объема вод какого-либо бассейна, температура и соленость которых лежат в диапазонах ∆Т и ∆S, повторяемость наблюдений за температурой и соленостью в одной точке или в пределах определенной акватории в те­чение какого-либо отрезка времени, попадающих в тот же интервал и т.д.

В качестве примера на рис.35 представлена статистическая Т,S-диаграмма объемов водных масс Восточно-Китайского моря.

Рис. 35. Статистическая Т,S-диаграмма объемов водных масс Восточно-Китайского моря

Для ее построения все наблюдения за температурой и соленостью были разбиты на классы – каждый класс с интервалом 1⁰С по температуре и 0.2‰ по солености. Например, вода с характеристиками 15⁰<Т<16⁰ и 34.4‰0<Т<16⁰ и 34.6‰
Цифры в клетках - суммарные значения объемов вод с характеристиками определенного класса.

Таким образом, статистическая Т,S-диаграмма показывает поле повторяемости определенных Т,S-пар вод Восточно-Китайского моря, в котором выделяются участки (классы) с большей повторяемостью, и эти классы соответствуют Т,S-индексам основных водных масс моря, а числа в классах показывают объемы этих водных масс, выраженных в кубических километрах.

Суммирование повторяемостей по вертикали и горизонтали дает возможность построить также одномерные распределения – гистограммы отдельно для солености и для температуры. Эти гистограммы изображены на полях Т,S-диаграммы. Так, цифры, проставленные слева Т,S-диаграммы, являются суммарными объемами и процентным содержанием вод соответствующего изотермического слоя, а цифры внизу – соответствующего изохалинного слоя.

В нижней части Т,S-диаграммы изображена картина рельефа рассматриваемой функции – процентного содержания вод соответствующих классов.

Таким образом, статистическая Т,S-диаграмма является средством количественного анализа повторяемости определенных Т,S-пар любой акватории Мирового океана, точного определения Т,S-индексов основных водных масс и решении вопроса об их происхождении, расчета тепла и солей в изотермических и изохалинных слоях.. В классы статистических Т,S-диаграмм можно также наносить значения геострофических расходов воды (если диаграмма построена для разреза), значения других характеристик водных масс – содержания кислорода, биогенных элементов, биомассы планктона.

Наконец, статистический Т,S-анализ можно применять и к вычислению объемов морей и океанов. Так, Д.Кокрейн (1958) применил его для вычисления объема Тихого океана, М.Поллак – Индийского, Р.Монтгомери (1958) и Л.Уортингтон (1982) - Атлантического и Мирового океана.

Интересно отметить, что 42.2% всего объема вод Мирового океана принадлежит классу 0⁰<Т<2⁰ и 34.0‰