Fizika okieana - Doronin

Ю. П. ДОРОНИН

-------------------------------------

Санкт - Петербург, 2000г.

1.5.Критерии вертикальной плотностной стратификации

3.7.Принцип вероятностного описания океанической

303

4.1.Анализ порядков величин слагаемых уравнений

4.3.Закономерности тепло- и влагообмена океана с

4.4.Изменение температуры и солености верхнего слоя

океана за счет теплообмена и влагообмена с атмосферой 121

4.5.Влияние неоднородности турбулентного перемешивания на вертикальные профили температуры и солености

6.2.Уравнения, описывающие электромагнитное поле

6.4.Электромагнитное поле океана динамической природы,

304

8.4.Прохождение звука через границу сред разной

УДК 551.46

Рецензенты: доктор физико-математич. наук Г.А. Лебедев, доктор географ. наук, профессор Б.А. Слепцов-Шевлевич

Излагаются современные представления об основных физических процессах, протекающих в Мировом океане, дается их теоретическое объяснение и рассматриваются методы расчета различных гидрологических характеристик.

Основное внимание уделяется изложению общих вопросов термодинамики океана, океанской турбулентности и закономерностям изменения его температуры и солености, образования и разрушения морского льда, его физико-механическим свойствам. Рассмотрены электромагнитные явления в океане, распространение в нем света и звука.

Книга предназначена в качестве учебника для студентов вузов, специализирующихся в области океанологии.

The book gives the present notions of the major physical processes that take place in the World ocean. It offers their theoretical explanation and ways and methods of determination of various hydrological elements.

The main attention is paid to general problems, such as oceanic thermodynamics, oceanic turbulence, regularities in variations of temperature and salinity of the ocean, formation and destruction of sea ice, physical and mechanical properties of sea ice.

Some other problems are considered hereby: electromagnetic phenomena in the ocean, light and sound spreading.

The book is intended as a manual for higher school students whose speciality is oceanology.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина «Физика океана» преподается студентамокеанологам 3-го и 4-го курсов после того, как они изучат в установленном объеме общую физику, дифференциальное и интегральное исчисление, элементы математической физики и гидромеханики. Из специальных дисциплин настоящему курсу должно предшествовать изучение «Общей океанологии», дающей общее представление об океане, его водных массах, о диапазоне изменений в нем основных океанологических характеристик, об основных течениях. Все это позволяет при изложении материала считать, что студентам известны общие физические законы естествознания, что они умеют пользоваться аппаратом математической физики и имеют представление об океане как о географическом объекте.

В соответствии с программой дисциплины основное внимание в книге уделено изложению основ термодинамики морской воды и объяснению физических законов и уравнений, описывающих движение морской воды и изменение ее температуры и солености. В связи с турбулентным характером движения воды освещены основные положения турбулентности и методы определения ее интенсивности. Изложены физические свойства морского льда, закономерности его роста и таяния. Все более широко используются электромагнитные, оптические и акустические свойства морской воды и соответствующие явления, протекающие в океане, поэтому они также нашли отражение в книге.

Теория и методы расчета приливов, волн, течений и дрейфа льда, изза общности этих процессов и большого объема материала излагаются в дисциплине «Динамика океана», которая, по сути, является второй частью «Физики океана».

Структура книги осталась такой же, как и учебника «Физика океана» изданного в 1978 г., но все ее разделы в большей или меньшей степени подверглись переработке с целью их наполнения новым материалом и совершенствования методики изложения текста для его лучшего понимания и усвоения студентами.

Первая глава книги дополнена рядом термодинамических соотношений, лучше поясняющих взаимосвязь между термодинамическими потенциалами морской воды. Вторая глава дополнена общей системой уравнений термодинамики океана с пояснением их упрощения для разных категорий движения воды в океане. Существенно переработана глава, описывающая турбулентное перемешивание воды в океане. В ней более детально изложен

3

принцип вероятностного описания турбулентности.

ВВЕДЕНИЕ

1. Задачи дисциплины и метод изучения

В физике океана предусматривается изучение основных физических свойств морской воды и законов, характеризующих состояние океана и протекающих в нем физических процессов; изучение взаимосвязи как между различными параметрами морской воды, так и между физическими процессами; рассмотрение зависимости океанических процессов от причин, их обусловливающих. При этом необходимо не только качественно установить причинно-следственную связь, но и дать математическое выражение этой связи.

Задача дисциплины состоит не только в изучении процессов, но и в рассмотрении возможностей использования причинно-следственных связей для прогнозирования физических явлений, так как прогноз является одной из тех конечных вершин, к достижению которых стремятся все науки о Земле. Собственно, прогноз не является непосредственной задачей курса, но основы для изучения методов прогнозирования закладываются в физике океана.

Второй вершиной, к достижению которой стремятся науки о Земле, являются рекомендации по использованию природы в интересах человечества без нанесения экологического ущерба ее состоянию. В принципе рекомендации могут иметь под собой научную основу только тогда, когда изучена физика процессов и ясны последствия, которые могут возникнуть в результате вмешательства человека в естественный процесс.

Обеспечение хозяйственных и других организаций информацией о физических процессах в океане и их направленности требует знания законов развития этих процессов. Не всегда наш уровень знаний о тех или иных процессах в океане достаточно высокий. Бывает, что новый эмпирический материал приводит к ревизии ранее сложившихся представлений о характере протекания процесса и о причинах, его обусловивших . В настоящем курсе изложены закономерности физических процессов , протекающих в океане, выявленные на базе экспериментального материала, собранного к концу ХХ в. Новая информация может привести к уточнению или пересмотру изложенных положений. Такие не до конца выясненные закономерности протекающих в океане процессов или их весьма приближенное описание отмечаются в учебнике, чтобы у студента не создалось представления о полной изученности океана, чтобы у него появилось

желание самому заняться решением отмеченной задачи.

Наука только тогда достигает существенных результатов, когда ей удается использовать математический аппарат. Это объясняется тем,

5

что вместо приближенного качественного описания естественного процесса математика позволяет определить количественные критерии его интенсивности и установить аналитические связи между причиной и следствием. Поэтому в физике океана широко применяется

физико-географических условиях, которые в деталях не могут быть описаны, пожалуй, никаким математическим аппаратом, то при математическом описании процесса широко используется абстрагирование от несущественных черт. Чем шире и сильнее абстрагирование, тем для более широкого класса явлений применима выявленная закономерность, но вместе с тем вычисленный процесс будет сильнее отличаться от реально существующего. Например, известна закономерность роста температуры верхнего слоя океана с увеличением притока солнечной радиации и тепла от атмосферы. Однако фактическое изменение температуры будет отличаться от общего хода в той мере, в какой не учтены при расчете локальные особенности бассейна: его плотностная стратификация, теплопроводность, адвекция тепла течениями и т.д. Математическое описание процесса тем и ценно, что применение абстрагирования позволяет в данном примере использовать указанную закономерность роста температуры с повышением притока тепла ко всем океанам и морям. Нужно только во всем многообразии действующих факторов выявить и учесть существенные и отбросить второстепенные.

Многие океанические процессы описываются довольно сложными уравнениями, решение которых в аналитическом виде пока не удается получить. В этом случае на помощь приходят электронные вычислительные машины как дискретного действия, так и аналоговые, позволяющие получить конкретное численное решение задачи. Варьирование различными параметрами и слагаемыми уравнений дает возможность оценить роль того или иного параметра или фактора в моделируемом физическом процессе.

Для многих физических процессов еще не известны даже общие закономерности их развития и связи с окружающей географической средой. На настоящем этапе развития наших знаний такие процессы наиболее целесообразно изучать с помощью натурного моделирования, когда модель с возможно большей подробностью воспроизводит в уменьшенном масштабе естественные условия и по внешним параметрам воспроизводится исследуемый процесс. Естественно, что при этом следует иметь в виду выполнение условий подобия лабораторного процесса природному океаническому или морскому.

Таким образом, в методическом отношении задача состоит не только в изучении известных основных законов физики океана, но и в ознакомлении с методами исследования.

6

2. Связь физики океана с другими науками

Океан граничит с литосферой и атмосферой, поэтому все процессы в океане зависят от обмена веществом и энергией с этими средами. Наиболее тесна связь физики океана с физикой атмосферы, с которой ее роднит общность многих научных и практических задач. Это находит свое отражение в том, что при изучении общих вопросов океанологию и метеорологию объединяют в одно понятие «Гидрометеорология».

По характеру решаемых задач и по методам исследования курс физики океана можно считать как бы разделом физики или, точнее, геофизики - науки, имеющей дело с совокупностью физических явлений, возникающих на нашей планете, и включающей в себя такие разделы, как физика атмосферы, физика литосферы, физика океана и т.д. Между этими разделами есть много общего, особенно между физикой атмосферы и океана, но в то же время они освещают существенно различные по физическим свойствам среды, в которых многие физические процессы протекают по-разному. Общее соотношение основных разделов геофизики можно отразить схемой:

В этой классификации акцент делается на объекте, физические свойства и процессы которого освещаются в соответствующем разделе науки.

Широко распространен подход к физике океана как к разделу более общей науки об океане - океанологии, освещающей также его химические свойства и процессы, морфологию дна и берегов, фауну и флору океана и т.д. В данном случае акцент делается на характере рассматриваемых свойств океана и протекающих в нем процессов.

Обе эти классификации равноправны, но при изучении физики океана предпочтительнее первая.

Некоторые разделы физики океана являются разделами курса общей физики, Сюда можно отнести термодинамику, оптику, электричество, акустику и т.д. Отличие состоит в том, что в данном случае процессы изучаются применительно к конкретной среде, т.е. при меньшем абстрагировании.

Физика океана тесно связана с химией океана. Достаточно отметить, что морская вода является раствором почти всех химических элементов. Многие физические процессы в океане протекают поразному в зависимости от концентрации солей в воде. Здесь можно