книги из ГПНТБ / Смирнов Г.Н. Океанология (в инженерном изложении) учебник

1-10, а) и цвет моря становится менее насыщенным (белесова­

тым) .

При волнении моря создаются условия, когда в глаз наблюдате­ ля попадает больше внутреннего света, чем при спокойной поверх­ ности моря, так как увеличивается угол наблюдения аг>аі (рис. 1-10, б), в результате чего цвет моря темнеет и сохраняет интенсив­ ную окраску до самого горизонта.

Прозрачностью морской воды Ѳ называется отношение светово­ го потока, прошедшего через единичный слой воды без изменения направления, к потоку света, вошедшего в воду в виде параллель­ ного пучка. Это же отношение при толщине слоя воды z, отличном от единицы, называют коэффициентом пропускания ТП\ его опреде­

где с — показатель ослабления направленного светового излучения:

На практике очень часто пользуются относительной прозрачно­ стью 2 б, под которой понимают глубину (в метрах) исчезновения белого диска диаметром 30 см.

Таблица 1-11

Относительная прозрачность в различных районах Мирового океана

В зависимости от местных условий величина относительной про­ зрачности воды колеблется в весьма широких пределах: от несколь­ ких десятков метров в открытом океане до одного-двух метров и меньше в прибрежной зоне и портовых акваториях (табл. 1-11).

Явление исчезновения диска при его погружении объясняется уменьшением величины контраста К яркости диска и слоя воды —

40

фона, на котором он наблюдается, до порогового значения контра­ стной чувствительности глаза /СПОр = 0,02 [1].

Контраст яркости равен отношению разности яркостей объекта 5 0б и фона Вф к яркости фона

При наблюдении объекта через слой воды толщиной I вместо величины Яоб будет зарегистрирована Ві — яркость объекта на рас­ стоянии I, измененная из-за ослабления светового потока и наложе­ ния на него собственной яркости слоя воды ß;; величину Ві опреде­ ляют по формуле

где е — показатель ослабления направленного светового излучения, связанный с с выражением

8 = c-lge = 0,43с.

В теории видимости собственная яркость рассеивающего и по­ глощающего слоя определяется уравнением Кошмидера

где Б — яркость слоя бесконечной протяженности.

Уравнение (1-25) получено для плоской задачи в предположе­ нии, что среда оптически однородна и бесконечно простирается в направлении наблюдения, излучение монохроматическое, а условия освещения среды во всех точках одинаковы.

Для указанных условий контраст яркости Кі на расстоянии / равен

где Ко — начальный контраст яркости при / = 0 .

Тогда предельная дальность видимости объекта /пор равна

Реальные условия наблюдения объектов в воде отличаются от принятых при выводе уравнения (1-27). Поэтому предельная даль­ ность видимости объектов в реальных условиях будет в большей или меньшей степени отличаться от расчетной.

41

Тем не менее, с помощью уравнений (1-28), (1-29) можно с до­ статочной для решения практических задач точностью производить оценку величины е путем определения /пор эталонных объектов, предварительно измерив предельную дальность видимости черного диска, наблюдаемого под водой в горизонтальном направлении.

С учетом того, что /Спор= 0,02 и для черного диска /С0=1, по­ лучим

1,7

(1-30)

^ПОР

Многие исследователи [14, 44, 45] указывают на наличие устой­ чивой зависимости

и определяют численное значение коэффициента с для различных водоемов.

§ 7. АКУСТИЧЕСКИЕ И НЕКОТОРЫЕ ДРУГИЕ

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОРСКОЙ ВОДЫ

При распространении звука в воде происходят периодические сжатия и разрежения частиц воды, т. е. образуются продольные упругие волны, скорость распространения которых и есть скорость распространения звука в воде.

Рассматривая процесс сжатия и разрежения как адиабатный, теоретическую формулу для определения скорости звука можно за­ писать в виде

где у = ср/сѵ, а — удельный объем морской воды; К — истинный ко­ эффициент сжимаемости воды.

Скорость звука в морской воде изменяется от 1450 м/сек до 1600 м/сек в зависимости от температуры, солености и давления, так как от этих параметров зависят величины у, а и К.

Скорость звука в морской воде возрастает с увеличением темпе­ ратуры, солености и давления, причем, наибольшее влияние ока­ зывает температура. Так, по опытным измерениям [25], при началь­ ной температуре 0 °С с изменением температуры на 1°С скорость звука в морской воде меняется на 4,4 м/сек; с увеличением солено­

до ± 4 м/сек, поэтому для практического использования предложен ряд номограмм и эмпирических формул, из которых наибольшую точность (0,1—0,2 м/сек) дает формула Вильсона [25].

В связи с тем, что температура, соленость и давление меняются во времени и в пространстве, скорость звука в морской воде также

42

жаются и направляются к поверхности воды (рис. 1-11, а). Зимой при охлаждении поверхностных слоев воды звуковые лучи искрив­ ляются выпуклостью вниз и упругие волны могут до дна не дойти (рис. 1-11, б).

В океане по глубине соленость меняется незначительно, темпе­ ратура же заметно уменьшается до глубины примерно 1000 м, ниже оставаясь практически постоянной. Поэтому скорость звука до этой глубины убывает, а затем возрастает в результате увеличения дав­ ления. Эти условия являются оптимальными для образования зву­ кового канала с осью на горизонте, где скорость звука минимальна (рис. 1-12, а). Если источник звука поместить на оси звукового ка­ нала, то звуковые лучи, направленные вверх и вниз от оси, вслед­

43

следовательно, концентрация энергии (рис.1-12, б). Благодаря на­ личию звукового канала в глубоком море, звук здесь распростра­ няется на очень большие расстояния без заметного затухания. Так, например, по наблюдениям в Атлантическом океане взрыв бомбы весом 2,7 кг прослушивался на расстоянии 5750 км.

Затухание звука в морской воде происходит вследствие погло­ щения и рассеяния звуковой энергии.

Поглощение звука обусловлено вязкостью и теплопроводностью воды, а также происходит из-за потерь энергии при сжатии и раз­ режении молекул воды; по экспериментальным данным дополни­ тельное поглощение звука вызывается растворенными в морской воде солями, в частности MgSC>4 и NaCl.

Рассеяние звука в направлении его распространения вызывает­ ся взвешенными в воде частицами, пузырьками воздуха, планкто­

где X— расстояние в направлении распространения звука; гп\ — ко­ эффициент затухания.

Изменение коэффициента т.\ описывается формулой

/ = 90 кгц. Для более низких частот значение гп\ оказывается зна­ чительно меньшим. Так, например, при частотах 50—350 гц коэф­ фициент затухания Ш]^0,05 дб/км, т. е. колебания низкой частоты затухают в воде медленнее, чем колебания высокой частоты.

Из других физических свойств морской воды коротко остановим­ ся на вязкости (внутреннем трении), поверхностном натяжении и электропроводности.

Свойство жидкостей оказывать сопротивление при перемещении одной части жидкости относительно другой в условиях ламинарно­ го течения называется молекулярной вязкостью. С точки зрения молекулярной теории вязкость обусловливается прониканием моле­ кул из одного слоя жидкости в другой и наличием молекулярных сил.

Основной закон вязкого ламинарного течения описывается урав­ нением Ньютона

где F — действующая сила; S — площадь слоев жидкости, по кото-

du

рым происходит сдвиг; — —-градиент скорости, или скорость сдви- dz

га; г) — коэффициент молекулярной вязкости.

44

1 «з = 1 г/(см-сек). В системе СИ— 1 н-сек/м2, 1 «з = 0,1 н-сек/м2.

Иногда вязкость характеризуют кинематической вязкостью ѵ = = ра, здесь а — удельный объем жидкости, измеряемой в стоксах, 1 сг= 1 см2/сек. В системе СИ за единицу кинематической вязкости принят 1 м2/сек\ 1 ст= 1 • ІО-4 м2/сек.

Молекулярная вязкость морской воды возрастает с увеличением солености и уменьшением температуры (табл. 1-12); изменение дав­ ления мало влияет на величину вязкости.

При исследовании большинства динамических процессов в океа­ не молекулярной вязкостью обычно пренебрегают, так как много­ численные измерения и исследования показали, что, как правило, движение воды в море является турбулентным.

Расположенные на поверхности воды молекулы испытывают мо­ лекулярное притяжение только с одной стороны — со стороны воды. Под действием межмолекулярных сил вода стремится сохранить свою поверхность, в результате чего на ее поверхности возникают силы поверхностного натяжения, касательные к поверхности и пер­ пендикулярные к границе поверхности. Численно сила поверхност­ ного натяжения, действующая в сторону сокращения поверхности,

где I — длина границы поверхности; а — коэффициент поверхност­ ного натяжения, измеряемый в системе СГС в эрг/см2 или в дин/см и в СИ — в н/м или дж/м2.

Поверхностное натяжение воды в значительной степени зависит от температуры и падает до нуля при ее критическом значении. Од­ нако в природных условиях поверхностное натяжение морской во­ ды мало изменяется при реально существующем диапазоне изме­ нений температуры и солености: от а=75,5 дин/см при / = 0°С и S = =0%о до 0 = 72,09 дин/см при ( = 30° С и S = 35%o-

Силы поверхностного натяжения играют важную роль при за­ рождении ветровых волн (см. гл. 4), и поскольку влияние солености на поверхностное натяжение невелико, то процесс этот протекает одинаково, как в пресной, так и в морской воде.

45

Так как морская вода представляет собой слабый и поэтому почти полностью ионизированный раствор, то она обладает хоро­ шей электропроводностью, которая количественно оценивается удельной объемной проводимостью, величина которой в значитель­ ной степени зависит от солености и температуры и изменяется от 9,24-10-3 (ом-см)-1 при і = 0°С и S = 1 0 % 0 до 58,51-10_3 (ом-см)-1 при ^ = 24°С и S = 40 % о-

§ 8. ПОНЯТИЕ О ПЕРЕМЕШИВАНИИ

Различные термические и динамические процессы, происходя­ щие в океане, неодинаковы в разных его частях и на различных глубинах. В результате этого возникает неравномерность в распре­ делении физико-химических характеристик морской воды, в том числе ее солености и температуры. Следовательно, возникают гори­ зонтальные и вертикальные градиенты этих характеристик, что в свою очередь вызывает процессы, направленные на их выравнива­ ние за счет проникновения отдельных молекул из одного элементар­ ного слоя в другой или за счет перемещения конечных объемов жидкости. Этот механизм получил название перемешивания.

Впервом случае имеет место молекулярное перемешивание, ко­ торое происходит в результате теплового взаимодействия отдель­ ных молекул и наблюдается при ламинарном горизонтальном или вертикальном движении жидкости. Интенсивность молекулярного перемешивания зависит от скорости движения молекул и длин их пробегов.

Во втором случае имеет место турбулентное перемешивание. Различают фрикционное перемешивание (динамическая турбулент­ ность), которое возникает при наличии градиентов скорости, что и обусловливает передачу количества энергии и других свойств воды из одного слоя в другой, и конвективное перемешивание (гравита­ ционная турбулентность), которая возникает при уменьшении плот­ ности воды сверху вниз.

Фрикционное перемешивание — стационарное явление и может наблюдаться как в однородной, так и в неоднородной морской воде

вгоризонтальном и вертикальном направлениях. Конвективное пе­ ремешивание— явление не стационарное, наблюдается только в вертикальном направлении в неоднородной воде до тех пор, пока не наступит полного выравнивания характеристик воды по глу­ бине.

Вокеане, где движение воды является, как правило, турбулент­ ным, основное значение имеет турбулентное перемешивание. Интен­ сивность турбулентного фрикционного перемешивания зависит от кинематических характеристик движения и в первую очередь от величины пульсации скорости, которая на несколько порядков вы­ ше скорости движения молекул. Однако молекулярное перемеши­ вание не исчезает, а сохраняется как бы внутри турбулентного пе­ ремешивания.

46

Действительную скорость турбулентного движения и можно рас­ сматривать как сумму осредненной и пульсационной (турбулент­ ной) скоростей и = п + и'. Здесь

X о

где т — период осреднения.

При рассмотрении турбулентного движения воды вводится по­ нятие эффективного напряжения турбулентного трения, которое по аналогии с формулой Ньютона для ламинарного движения в слу­ чае, например, вертикального перемешивания, выражается фор­ мулой

(1-37)

что позволяет записать силу внутреннего трения при турбулентном движении в виде

(1-38)

где й — средняя скорость движения воды в горизонтальном направ­ лении; Az— коэффициент перемешивания в вертикальном направ­ лении, который не зависит от свойств и физических констант мор­ ской воды.

При горизонтальном перемешивании вводится коэффициент Ах, который значительно больше Аг, что вызвано большим протяжени­ ем водных масс по горизонтали, чем по вертикали.

Вертикальный коэффициент перемешивания уменьшается с уве­ личением стратификации по плотности, так как при этом на пере­ мещение объема жидкости по вертикали затрачивается дополни­ тельная работа. При значительной стратификации эта работа может оказаться больше кинетической энергии, обусловленной допол­ нительной турбулентной скоростью, и вертикальная турбулентность может затухнуть. Таким образом, в стратифицированной воде вер­ тикальный коэффициент перемешивания будет минимальным, а в однородной по плотности воде — максимальным. По данным изме­ рений различных авторов вертикальный коэффициент перемешива­ ния Аг колеблется от 1 до 1000 г!(см-сек), т. е. может в ІО6 раз и больше превосходить молекулярную вязкость.

Коэффициент горизонтального перемешивания колеблется в бо­ лее широких пределах: от значения, равного молекулярной вязко­ сти г}, до Ах= 10п г/(см-сек).

Если при движении воды на ее частицы одновременно с силой тяжести действуют силы инерции, то в приведенных выражениях вместо Аг следует записать по аналогии с кинематической вязко­ стью величину Ага.

47

Перераспределение характеристик воды по глубине вследствие молекулярного и турбулентного фрикционного перемешивания огра­ ничивается глубиной порядка 100— 150 м. Основным процессом, обеспечивающим перераспределение характеристик воды по глуби­ не, является конвективное перемешивание, возникающее за счет повышения солености и понижения температуры поверхностных вод, причем наиболее интенсивно перемешивание происходит во втором случае при зимнем охлаждении (зимняя вертикальная циркуля­ ция).

В открытом океане конвективное перемешивание может наблю­ даться в слое воды около 500 м, а иногда и 1000—1500 м. В некото­ рых районах, например в Средиземном море, где летом при испаре­ нии сильно увеличивается соленость, но перемешивания не происхо­ дит вследствие одновременного повышения температуры, зимой развивается мощная конвекция, захватывающая всю толщу воды от поверхности до дна.

§ 9. ВОЗДЕЙСТВИЕ МОРСКОЙ ВОДЫ НА ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

Самой серьезной проблемой, которую приходится решать при морском гидротехническом строительстве, — это защита гидротех­ нических сооружений от агрессивного воздействия морской воды.

Агрессивное воздействие морской воды на гидротехнические со­ оружения по их высоте неодинаково: наиболее интенсивно коррозия протекает в зоне переменного уровня и в зоне выше уровня, где конструкции подвергаются попеременному смачиванию и высыха­ нию при колебаниях уровня, попадании брызг воды и при испаре­ нии воды; слабее коррозия протекает в подводной зоне и еще сла­ бее ниже уровня дна (табл. 1-13).

Т а б л и ц а 1-13

Интенсивность коррозии металла в морской воде (по Н. Н. Джунковскому)

Расположение зоны Интенсивность коррозии, мм'год

При возведении морских гидротехнических сооружений широко применяют такие строительные материалы как песок, камень, ме­ талл, бетон, железобетон, дерево *. Эти материалы, находясь в

* Причины разрушения дерева в морской воде рассматриваются в главе III.

48

непосредственном контакте с морской водой, подвергаются ее воз­ действию, которое может быть: а) химическим, определяемым взаи­ модействием химических веществ и элементов, растворенных в мор­ ской воде, непосредственно со строительными материалами (ме­ талл) или с соединениями, входящими в состав этих материалов (бетон); б) физическим от давления на стенки пор и капилляров материала химических новообразований или кристаллов солей, вы­ павших из раствора при испарении или замерзании воды (камень, бетон). В результате происходит разрушение — коррозия строитель­ ных материалов, что снижает долговечность инженерных соору­ жений.

Песок, состоящий, как правило, из зерен кварца с примесью иногда небольшого количества пылеватых частиц, может находить­ ся в морской воде, не изменяя своих свойств, практически неогра­ ниченно долго.

При строительстве морских гидротехнических сооружений, со­ гласно требованиям СНиП (1-В.3-67) применяют камень из плот­ ных горных пород: гранитов, сиенитов, диоритов, габбро, базальтов (изверженные породы), обыкновенных плотных известняков с со­ держанием глинистых частиц до 3%, кремнистых песчаников (оса­ дочные породы), гнейсов (метаморфические породы).

Эти каменные материалы, за исключением известняков, химиче­ ски стойки по отношению к морской воде. Известняки при наличии несвязанной двуокиси углерода (ОСЬ) могут растворяться в мор­ ской воде, но процесс этот идет чрезвычайно медленно и практиче­ ски не влияет на долговечность сооружений. Однако совершенно недопустимо использование для устройства каменных отсыпок в ос­ новании морских гидротехнических сооружений и в качестве запол­ нителя при изготовлении бетона мергелей — известняков, содержа­ щих от 2 0 % до 50% глинистых частиц, так как они под воздействи­ ем морской воды с течением времени теряют свою прочность. Начальная прочность мергелей так же невелика: камни в верхнем слое каменной постели начинают трескаться при удельном давле­ нии под подошвой штампа, равном примерно 1,0—1,5 кГ/см2.

Наибольшему химическому воздействию в морской воде подвер­ жены металл, бетон и железобетон.

Во всех зонах по высоте сооружения металл в морской воде под­ вергается электрохимической коррозии, которая возникает в ре­ зультате действия множества микроскопических короткозамкнутых гальванических элементов, образующихся на поверхности металла благодаря наличию участков с неодинаковыми электрическими по­ тенциалами. Разность потенциалов наблюдается между различны­ ми металлами, различно обработанными участками поверхности, в заклепочных и болтовых соединениях, в сварных швах, между раз­ ными структурными составляющими сплава, примесями и основным металлом, между участками поверхности с различным состоянием пленки окислов.

Процесс электрохимической коррозии может быть разбит на ряд элементарных процессов [4, 66].

49