ОКЕАНОЛОГИЯ, 2014, том 54, № 6, с. 744-753
= ФИЗИКА МОРЯ =
УДК 551.465.77
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА НА ГРАНИЦЕ ВОДА-ДОННЫЕ ОСАДКИ В АМУРСКОМ ЗАЛИВЕ ЯПОНСКОГО МОРЯ
В ЗИМНИЙ ПЕРИОД
© 2014 г. Б. А. Буров1, А. Ю. Лазарюк1, 2, В. Б. Лобанов1
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН, Владивосток e-mail: burov@poi.dvo.ru, lazaryuk@poi.dvo.ru, lobanov@poi.dvo.ru 2Дальневосточный федеральный университет, Владивосток Поступила в редакцию 19.04.2012 г., после доработки 04.04.2014 г.
Представлены результаты натурных исследований профилей температуры и теплового потока в верхнем слое донных осадков Амурского залива Японского моря, которые охватывают холодный период (с 22 ноября по 25 марта 2010 г.). Полученные количественные характеристики теплового потока из донных осадков в водный слой объясняют феномен образования придонного теплого слоя воды высокой солености в Амурском заливе в зимний период.
DOI: 10.7868/S0030157414060021
1. ВВЕДЕНИЕ
В результате многолетних наблюдений за температурным режимом вод Амурского залива, являющегося вторичным заливом, расположенным в заливе Петра Великого Японского моря (рис. 1), было обнаружено, что в зимний период в его северной части температура придонного слоя воды (—1.5...—1.3°С) превышает температуру вышележащих слоев (—1.9...—1.7°С) на 0.4-0.6°С [3]. СТЭ-зондирования, выполненные зимой 2005 г. [6] и в последующие годы [12], подтвердили наличие теплого придонного слоя, выявили устойчивую двухслойную структуру водных масс в северной и центральной частях залива и позволили определить соленость придонного слоя воды. При средней толщине этого слоя около двух метров его соленость на 0.4—0.6%о превышала соленость воды в верхнем квазиоднородном слое, а температура оказалась на 0.6—0.8°С выше температуры верхнего слоя воды. Наблюдаемая высокая концентрация соли в придонном слое вод Амурского залива объясняется погружением на дно тяжелого рассола, который выделяется при образовании морского льда. Однако увеличение температуры придонного слоя воды требует притока тепла, которое может поступать либо за счет горизонтальной адвекции, либо из донных осадков.
Как известно [3, 5], характеристики вод северной части Амурского залива подвержены заметному влиянию речного стока. Поэтому в летний период эти воды имеют значительно меньшую соленость в сравнении с открытой частью залива Петра Великого и прилегающей областью Японского моря. Однако осенью за счет апвеллинга морских вод температура придонных вод Амур-
ского залива резко понижается, а соленость возрастает [4, 9]. Еще более значительное понижение температуры и повышение солености вод Амурского залива происходит зимой в результате термохалин-ной конвекции до -1.8-1.5°С и 34.2-34.8% [9]. При этом в зимний период воды открытой части залива Петра Великого имеют значительно более высокую температуру и низкую соленость (-1.2-0.5°С и 33.8-34.0%) и соответственно более низкую плотность [5, 9]. Они поступают в Амурский залив в поверхностном слое и не взаимодействуют с донными водами залива. Таким образом, приток воды в северную часть Амурского залива с юга из его открытой области не может создать описанный выше придонный слой повышенной температуры и солености.
Причиной увеличения температуры придонного слоя воды может быть приток тепла из донных осадков. При этом для нагревания слоя воды толщиной 2 м на 0.8°С за период интенсивного ледообразования (40-50 сут) требуется поток тепловой энергии плотностью около 2 Вт/м2. Эта оценка на один-два порядка превосходит типичные значения геотермального потока для Японского моря [10, 13], что предполагает наличие других источников тепловой энергии. Одним из них может быть тепло, накопленное донными осадками на протяжении летнего периода и затем возвращенное в водный слой зимой. Рассматривая донные осадки как источник аккумулированной тепловой энергии для нагрева придонного слоя воды в зимний период, в данной работе исследуется временная и пространственная изменчивость теплового потока на границе донные осадки - водный слой.
131.8° 132.0° в.д.
Рис. 1. Схематическая карта северной и центральной части Амурского залива. Т1 — Т3 — точки, в которых измерения профилей температуры в донных осадках проводились по методике зондирования. Т4 — точка измерений в режиме стационарной постановки. На вставке — северная часть залива Петра Великого. 1 — Амурский залив; 2 — Уссурийский залив.
2. ПРИБОРЫ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Величина теплового потока не является непосредственно измеряемой величиной. Плотность теплового потока вычисляется как взятое со знаком минус произведение градиента температуры на коэффициент теплопроводности среды между точками измерения температуры (формула (1) далее). В описанных ниже "измерениях" плотности теплового потока использован коэффициент теплопроводности к = 0.92 Вт/м К, определенный путем лабораторных измерений теплопроводности образца ила, который был отобран в районе измерений профилей температуры с глубины 0.6 м в осадках. Измеренное на лабораторной установке с погрешностью ±5% значение коэффициента теплопроводности совпало со справочным значением этого коэффициента для морского ила [7]. Учитывая это совпадение, а также однотипность иловых отложений в нескольких десятках кернов, извлеченных из донных осадков в северной части Амурского залива, в расчетах теплового потока использован указанный выше коэффициент теплопроводности для всех точек измерений.
Измерения профиля температуры в донных осадках выполнены с помощью зонда с управляемым погружением в донные осадки, на котором установлены шесть термисторных датчиков температуры [2]. Расстояния между датчиками температуры указаны на схематическом изображении
зонда, представленном на рис. 2. Основу конструкции зонда составляет коническая игла высотой 215 см, изготовленная из древесины с теплопроводностью 0.35 Вт/м К, что почти в 3 раза меньше измеренной теплопроводности донных осадков. Чувствительность канала измерения температуры с разными термисторными датчиками находится в интервале 0.005—0.007°С, инструментальная точность составляет ±0.01°С. Такая точность измерения температуры в осадках обеспечивалась калибровкой всех датчиков температуры зонда перед началом и после окончания измерения каждого профиля. Процедура калибровки состояла в помещении зонда в квазиоднородный слой морской воды и сопоставлении уровня сигнала каждого термистора со значением температуры, измеренным автономным гидрологическим зондом SBE-19+ (Sea-Bird Electronics, США), заявленная точность которого не хуже 0.005°С. Выбор слоев для калибровки упрощался наличием в районе проведения измерений характерной двухслойной термохалинной структуры (рис. 3) с относительно теплым рассолом у дна и холодной водой, расположенной выше.
Если в результате калибровки после окончания измерений в осадках обнаруживалось расхождение между значениями температуры, измеренной зондом SBE-19+ и тремя или более датчиками температуры зонда для измерения теплового
Рис. 2. Схематическое изображение конструкции зонда для измерения теплового потока с управляемым погружением в донные осадки акваторий. 1 — несущий конус из древесины; 2 - термисторы; 3 — контейнер из нержавеющей стали; 4 - груз-ударник; 5 - кабель-трос; 6 - контроллер ввода информации в компьютер; 7 - компьютер. (Размеры указаны в сантиметрах).
потока, превышающее 0.01°С, то полученный температурный профиль в осадках отбраковывался.
В данном сообщении представлены результаты двух серий измерений, выполненных в январе-марте 2010 г. и ноябре 2010 г.- январе 2011 г., которые методически отличаются тем, что измерения в январе-марте проводились в нескольких точках залива со льда (рис. 1), в режиме зондирования, а измерения в ноябре-январе проведены в одной точке (Т4 на рис. 1) в режиме стационарной постановки.
Зонд, установленный в донных осадках стационарно, находился на удалении 480 м от берега и имел электрическую связь по кабель-тросу с регистрирующим комплексом, который располагался в здании на берегу. Электронный блок преобразования сопротивления термисторов в частоту передаваемого на берег сигнала помещался в контейнере на верхнем торце зонда для исключения влияния кабеля на результаты измерений.
Глубина в осадках температурных датчиков стационарного зонда определена с точностью ±1 см по фотографии зонда в рабочем положении, сделанной водолазом.
Измерения профилей температуры в донных осадках в режиме зондирования начинались с погружения в осадки двух или трех нижних датчиков температуры. Такое проникновение зонда в осадки на глубину около 0.7 м позволяло зафиксировать его в вертикальном положении. Дальнейшие измерения температуры на увеличивающихся глубинах в осадках осуществлялись путем периодического вертикального продвижения зонда на определенную глубину (10-15 см) с помощью ударов массивного груза, скользящего по кабелю, которым зонд связан с компьютером. Положение зонда в осадках определялось по отметкам на кабеле с точностью ±6 см.
В погрешность определения положения датчиков в осадках, наряду с погрешностью разметки кабеля (±1 см), его провисанием (±1 см) и ошибкой измерения глубины водного слоя (±3 см), существенный вклад вносит полусуточная вариация высоты прилива. За время измерения профиля температуры (в среднем 1.5 часа) изменение глубины залива, вызванное полусуточными приливными колебаниями с амплитудой 20 см, составляет 5 см. Считая все перечисленные ошибки измерения глубины зонда независимыми, в качестве наиболее вероятной величины результирующей ошибки принята среднеквадратическая сумма всех составляющих, равная 6 см.
Интервалы времени между последовательными заглублениями зонда составляли от 8 до 12 мин. Их длительность определяется временем выхода сигналов от температурных датчиков на стационарный уровень при визуальном контроле регистрации температуры на экране дисплея.
Процесс измерения профиля температуры, состоящий из серии измерений на увеличивающихся глубинах погружения зонда в осадки, делает возможным измерение температуры в одних и тех же точках (с учетом точно
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.