1.2.20. Стратифікація, стійкість та перемішування природних вод

У полі тяжіння Землі (як і інших небесних тіл) речовина створює горизонтальні шари, що характеризуються певними особливостями і певним ступенем єдності. Розподіл таких шарів по вертикалі називають шаруватістю, або стратифікацією (лат. stratum — настил, шар + facеre — робити). По-суті стратифікація це не тільки результат (стан) але і сам процес розвитку шарів. Вона пов’язана з багатьма іншими природними процесами, впливає на них.

Стратифікація природних вод розглядається в основному для водойм, хоча вона існує і в потоках. В умовах відносно повільних рухів води (малого впливу однонаправлених рухів, потоків) вона пов’язана з розподілом густини, який, в свою чергу, пов’язаний з дією інших факторів. Стійкий стан води спостерігається тоді, коли шари з більшою густиною розташовані нижче. Основним фактором розподілу є температура (в океанах і морях важливу роль грає солоність а також тиск). До основних видів температурної стратифікації слід віднести пряму, обернену та нейтральну (гомотермію).

Стратифікація, в умовах збільшення густини шарів з глибиною, сприяє стійкості водних мас, тобто їх здатності чинити опір процесам вертикального обміну речовиною та іншими субстанціями. Додатній гра-дієнт густини (в напрямку заглиблення) складає основу критерія стійкості, запропонованого Хессельбергом та Свердрупом. Його спрощений вигляд такий:

, (1.166)

де g — прискорення сили тяжіння, — густина, — градієнт густини. Показано, що критерій стійкості Е з фізичної точки зору являє собою прискорення частки, зміщеної адіабатично з шару в шар на одиницю відстані. Більш детальний запис критерія враховує вплив змін температури, солоності, а також так-звану адіабатичну поправку на стискаємість. Вивчення вертикальної стійкості має велике значення у дослідженнях водних мас, їх меж, структури. Стійкість можна розглядати як показник неоднорідності середовища, його стану та стратифікації.

Процесом, що протидіє стійкості, є перемішування. Його прийнято розглядати для водойм. У водних потоках також є перемішування, але тут це органічна, невід’ємна складова частина стану об’єкту. Тут воно відбувається не тільки у вертикальному, але і в інших напрямках. Його вивчає теорія турбулентності водних потоків.

В межах водойм перемішування це окремий відносно самостійний процес, який має свої характеристики та різновиди. Тут він пов’яза-ний із змінами основних факторів формування густини води, а також з дією зовнішніх сил (вітру, течій та ін.) Розрізняють два основних види вертикального перемішування у водоймах: молекулярне (дифузія) та турбулентне. Масштаби (інтенсивність) першого на стільки малі, що воно не відіграє значної ролі навіть у дрібних озерах.

Турбулентне перемішування поділяють на два підвиди:

1) конвективне (густинне, вільна конвекція);

2) фрикційне (вимушене).

Але окремі дослідники розглядають їх як незалежні види. Перший підвид виникає внаслідок збільшення густини (зменшення питомого об’єму) вище розташованих шарів води (часто приповерхневих). Це може бути пов’язане з підвищенням солоності (при льодоутворенні і виморожуванні ропи з льоду, або при випаровуванні значних об’ємів води), а також зі змінами температур в напрямку точки найбільшої густини.

Деколи збільшення густини може спостерігатися внаслідок змішування вод різної солоності та температури. Це явище в океанології називають ущільненням при змішуванні (див. 2.1.). Воно пов’язане з нелінійністю залежності густини від температури та солоності.

Розгляд фрикційного перемішування у водоймах часто поєднують з розглядом турбулентності взагалі (турбулентного руху). Теорія турбулентності це складна галузь фізики та геофізики, що продовжує розвиватись.

Турбулентне перемішування (обмін) приводить до переміщення та вирівнювання розподілу як певних властивостей води (тепло, кількість руху та ін.), так і різноманітних домішок в ній. Його можна описати за допомогою рівняння турбулентної дифузії:

, (1.167)

де — потік субстанції через одиницю площі за одиницю часу (інтенсивність обміну); — турбулентний коефіцієнт обміну, значення якого характерно для даної субстанції, а розмірність г/см · с, — градієнт субстанції поздовж певного напрямку. Знак мінус означає, що потік додатній у напрямку зменшення субстанції (від’ємний градієнт).

Наведемо приклади, для певних субстанцій:

1) потік кількості тепла ( )

, (1.168)

2) потік кількості маси (маси домішок) ( )

, (1.169)

3) потік кількості руху, що визначає турбулентний опір ( )

(1.170)

Турбулентні коефіцієнти обміну це досить складні фізичні параметри, на формування яких впливає значна кількість факторів. Існують різні методи їх визначення.