ОКЕАНОЛОГИЯ, 2004, том 44, № 1, с. 70-79
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465
ЛАБОРАТОРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕЛКОМАСШТАБНОЙ КОНВЕКЦИИ ПОД НАРАСТАЮЩИМ ЛЕДЯНЫМ ПОКРОВОМ В ЗИМНЕМ АРКТИЧЕСКОМ РАЗВОДЬЕ
© 2004 г. С. Н. Дикарев, С. Г. Поярков, С. И. Чувильчиков
Институт океанологии им. П.П. Ширшова, РАН, Москва Поступила в редакцию 28.05.2003 г.
Проведены лабораторные эксперименты по исследованию свободной мелкомасштабной конвекции под нарастающим ледяным покровом. Структура конвекции представлена изолированными элементами "соликами" и струями. Последние ответственны за образование сталактитов и формирование солевой стратификации приледного слоя воды. Зарегистрированы условия реализации конжеляционного и внутриводного (при переохлаждении) ледообразования. Элементы подобия рассмотрены в приложении результатов экспериментов к натурным наблюдениям термохалинных особенностей в поверхностном слое воды арктических разводьев.
ВВЕДЕНИЕ
В высоких широтах разводья и полыньи служат энергоактивными зонами взаимодействия океан-атмосфера, поскольку в них потоки тепла и соли достигают своих максимальных значений [11, 23]. На современном этапе климатическая [4, 7, 11] и экологическая [9] изменчивость морского ледяного покрова в целом определяет актуальность комплексного изучения именно энергоактивных зон. Проводились специальные натурные [7, 17-19] и численные [16] исследования, где основные задачи были связаны с мезомасштабными процессами (образование бароклинных вихрей и др.). В мелкомасштабной области приповерхностный слой разводья (ПСР) обладает собственной "термохалинной" спецификой [2, 3, 22]. Наиболее ярко это выражено в том, что при слабом дрейфе льда соленость и температура уменьшаются с глубиной, благодаря развитию конвекции в условиях фазовых переходов [2].
Недостаточность имеющихся данных о мелкомасштабной конвекции стимулировало постановку задачи ее лабораторного моделирования, а также определения характерных режимов и параметров при нарастании ледяного покрова. Лабораторные эксперименты позволяют выявить физические механизмы процессов, однако приложение результатов к природным условиям требует соблюдения соответствующих элементов подобия. В работе этому вопросу уделяется определенное внимание.
Другой задачей работы было рассмотрение влияния переохлаждения воды на внутриводное ледообразование при формировании ледяного покрова. Внутриводный лед часто встречается в ледовитых морях [11]. В полыньях он образуется
либо при турбулентном "размешивании" кристаллов льда, образовавшихся на свободной поверхности воды, либо при охлаждении снизу приледного распресненного слоя воды [5, 23]. С другой стороны многочисленные физические исследования переохлаждения воды показали, что ледяные кристаллы возникали в произвольных местах образца [10]. Вопрос о возможности реализации данного механизма внутриводного ледообразования в море рассматривается в работе.
ПОСТАНОВКА И ПРОВЕДЕНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ ОПЫТОВ
Принципиальную схему лабораторной установки определила главная черта изучаемого природного явления - пространственная локализация разводий в окружающем ледовом покрове в начальный период интенсивного образования молодого льда при нестационарном потоке соли в ПСР. Заметим, что эти условия, обладая определенной ледовой спецификой, попадают в общее русло исследований конвективной циркуляции от локальных источников плавучести [12].
Основной отличительной особенностью предложенного подхода является отказ от традиционного способа создания внешних условий для ледообразования в лабораторных экспериментах, когда весь рабочий бассейн с водой помещался в холодильную камеру с температурой -10...-20°С [13, 14, 24, 26]. Вместо этого, с помощью специально разработанных морозильных устройств, в бассейне создавались локальные условия для образования и роста льда. Температура воздуха в холодильной камере поддерживалась близкой к температуре замерзания соленой воды в рабочем бассейне. В этом случае вода в бассейне и воздух в холо-
дильной камере находились в состоянии, близком к тепловому равновесию. Таким образом, достигаются сразу два важных эффекта. Во-первых, создаются условия, наиболее приближенные к реальным в зимних арктических разводьях, где верхний квазиоднородный слой (ВКС) находится при температуре, близкой к замерзанию, и лед намерзает сверху. Во-вторых, создаваемое тепловое равновесие между водой в рабочем бассейне и воздухом в холодильной камере избавляет от проблем, связанных как с учетом паразитных потоков тепла на боковых границах бассейна, так и со сложностью размещения измерительных датчиков под нарастающим ледяным покровом.
Эксперименты начинались с термостатирова-ния холодильной камеры и бассейна с соленой водой. Использовались локальные морозильные устройства двух типов. В первом из них в качестве хладагента выступала твердая углекислота ("сухой лед"). Слой песка, на котором лежал "сухой лед", позволял "регулировать" поток тепла от максимального значения, определяемого температурой сублимации "сухого льда" (около -80°С). В результате моделировались температурные условия зимнего арктического разводья, где температура на поверхности раздела "воздух-лед" может достигать значений -30°...-40°С. При этом, постепенно добавляя хладагент, можно было достаточно долго проводить эксперимент (рис. 1).
В морозильных устройствах второго типа использовался ультракриостат, заполненный жидким хладагентом (тосол с рабочим диапазоном температур до -30°С). Криостат охлаждал и поддерживал заданную температуру тосола и, кроме того, прокачивал его через специальное внешнее устройство - "морозильный диск", который представлял собой круглую жестяную емкость диаметром 29 см и толщиной 3 см, снабженную двумя штуцерами для входа и выхода тосола, циркулировавшего по теплоизолированным соединительным шлангам. Морозильный диск размещался в центральной части рабочего бассейна с соленой водой и служил жестким основанием для образующегося на нем льда.
Первая экспериментальная конфигурация по сравнению со второй имеет следующие преимущества:
возможность достижения экстремально низких температур охлаждающей поверхности (до -80°С);
возможность использования больших площадей охлаждающей поверхности без горизонтальных градиентов потока тепла.
Преимущества второй конфигурации:
простота регулировки и поддержания в широком диапазоне температуры поверхности охлаждения;
возможность исследования процесса обмерзания любых трехмерных поверхностей. Кроме
Температура, °С 0
-20
-40-
(а)
#
-н- ++
++ _I_
-ц-
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
э (б)
Вода --О о_ Об' о Термометр о
- \ О \ ТТ^тт „ о о0 о
- Лед Термистор
1 1 1 1 1 1
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Время, мин
Рис. 1. Временны е ряды данных эксперимента по замораживанию воды сверху с помощью хладагента -"сухой лед".
(а) - температура на нижней границе хладагента (верхняя граница ледяного покрова воды); (б) - изменение температуры воды и льда в бассейне, зарегистрированной ртутным термометром и термистором, который вмерзал в лед по ходу опыта.
этого, использование ультракриостата очень удобно для проведения калибровки датчиков температуры (термисторов) при низких температурах среды.
В ряде экспериментов, главным образом, по исследованию величины переохлаждения воды до начала ледообразования, она механически перемешивалась с помощью либо вертушки, либо колеблющейся решетки.
Измерительно-регистрирующая аппаратура включала следующие блоки: контроля внешних параметров среды (начальной и конечной соленостей воды и льда, температуры воды, воздуха и верхнего слоя льда, массы льда); визуализации неоднородно-стей плотности и скорости; контактных измерений температуры в водно-ледовой среде.
Начальная соленость воды в бассейне задавалась весовым способом, а по окончании опыта соленость проб воды из бассейна 8т и растопленного льда определялась на солемере. Кроме этого, определялся общий объем растаявшего льда Ут. В ходе эксперимента для контроля температуры воздуха в морозильной камере Та и воды в бассейне Тк использовались два ртутных термометра с ценой деления 0.1°С. Температура льда вблизи его верхней границы Тю измерялась цифровым термометром, датчик которого вмораживался в лед.
Рис. 2. Эксперимент по исследованию подледной гравитационной конвекции.
(а) - теневая картина начального периода развития мелкомасштабной термохалинной струйной конвекции на фоне ансамбля "соликов"; (б) - теневая картина квазистационарной термохалинной струи рассола, вытекающей из ледяного сталактита на нижней поверхности намораживаемого льда в воронку водосборника; (в) - вид нижней (приводной) поверхности намораживаемого ледяного покрова.
Зондирующий аппаратно-программный комплекс состоял из миниатюрного датчика температуры (термистор МТ-54 с точностью измерения температуры ±0.1 °С), координатного устройства для проведения вертикального зондирования, механизма перемещения всего устройства по горизонтали и приемно-записывающего блока. Измерялись вертикальные и горизонтальные профили температуры, а также ее временная изменчивость в фиксированных точках.
Горизонтальный плоскопараллельный пучок света от точечного источника, расположенного в фокусе линзы, применялся для визуализации структуры плотностных (термохалинных) неод-нородностей конвективной циркуляции (см. рис. 2а). Теневые изображения (вид сбоку) регистрировались на фото и видеоаппаратуру. Данный метод применялся при изучении конвекции не только для визуализации собственно неоднородностей плотности, но и для оценок скоростей возникающих конвективных движений.
Все основные эксперименты проводились в рабочем бассейне размером 51 х 51 х 50 см3, который заливался водой с начальной соленостью ~ 30%е. Вода в бассейне приводилась в тепловое равновесие с внешней температурой воздуха в холодильной камере (~ -1.5°С) и была близка к температуре замерзания воды при данной солености. Непрерывную запись температуры воды осуществляли отдельные неподвижные датчики, которые со временем вмерзали в растущий лед. Вытекающий изо льда рассол накапливался в специальном воронкообраз
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.