Описание главных особенностей внутреннего волнения в шельфовой зоне Белого моря. Общая характеристика и схема расположения районов работ выполняемых 20–24.07.2011 года. Расчет профиля частоты Вяйсяля-Брента, а также определение параметра Урселла.
При низкой оригинальности работы "Внутренние волны на внешнем и внутреннем шельфе пролива Западная Соловецкая салма по данным наблюдений 2011 года", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Основной причиной существования внутренних волн является устойчивая стратификация вод океана, при которой средняя плотность воды увеличивается по направлению ко дну. Размеры и скорость перемещения внутренних волн во многом определяются их природой, происхождением и развитием. Как и любое волновое движение, внутренние волны представляют собой колебания частиц около положения равновесия на различных глубинах в воде с изменяющейся плотностью. Они также могут возникнуть вследствие резонанса между поверхностными волнами и собственными колебаниями в слое скачка плотности, между внутренними волнами на различных глубинах, а также между колебаниями атмосферного давления и собственными колебаниями поверхности раздела слоев. Наиболее часто внутренние волны генерируются при трансформации приливного потока под воздействием рельефа дна или возбуждаются приливом около границы материкового склона; поэтому приливные волны наиболее распространенный тип внутренних волн.Итак, на основе измерений выполненных в апреле 2011 г. были построены и анализированы графики частоты плавучести, рассчитаны параметры Урселла для каждой волны исследуемого полигона на шельфе Белого моря.
Введение
волнение шельфовый мое
Внутренние гравитационные волны - довольно распространенное явление, обычно встречающееся в стратифицированных водах океанов, морей и крупных пресноводных озер. Основной причиной существования внутренних волн является устойчивая стратификация вод океана, при которой средняя плотность воды увеличивается по направлению ко дну.
Размеры и скорость перемещения внутренних волн во многом определяются их природой, происхождением и развитием. Как и любое волновое движение, внутренние волны представляют собой колебания частиц около положения равновесия на различных глубинах в воде с изменяющейся плотностью. Под действием какой-либо внешней силы в океане нарушается природное равновесие слоев. В результате частицы воды погрузятся на глубину, зависящую от градиента плотности и приложенного усилия.
Достигнув глубины, где плотность окружающей воды и частиц различна, они не остановятся, а по инерции будут погружаться в более плотные слои. Погружение будет продолжаться до тех пор, пока силы инерции не уравновесятся силами плавучести. Затем частицы начнут подниматься. Поскольку частицам будет сообщено некоторое ускорение, они по инерции пройдут положение равновесия, в котором находились до погружения.
Войдя в слои с меньшей плотностью, частицы воды остановятся, а затем начнут снова погружаться. Колебания будут продолжаться до тех пор, пока действует вызвавшая их внешняя сила. После прекращения действия силы амплитуда колебаний станет уменьшаться, и колебания будут затухать.
Внутренние волны могут возникать непосредственно под действием внешних сил: приливообразующих и метеорологических. Они также могут возникнуть вследствие резонанса между поверхностными волнами и собственными колебаниями в слое скачка плотности, между внутренними волнами на различных глубинах, а также между колебаниями атмосферного давления и собственными колебаниями поверхности раздела слоев.
Внутренние приливные волны распространяются во всей массе жидкости, и их период, как правило, равен периоду приливообразующей силы: примерно 6 часов при полусуточных приливах и 12 часов - при суточных.
По размерам и периоду внутренние волны можно подразделить на длинные, короткие и стоячие. Длинные волны появляются тогда, когда общая глубина моря мала по сравнению с длиной волны. Такие волны, как правило, имеют приливное или барическое происхождение. Интересно, что скорость их перемещения гораздо меньше, чем скорость перемещения длинных волн на поверхности; при одинаковом периоде они, кроме того, гораздо короче последних.
Причина таких различий - большая разница градиентов плотности на границах разделов вода - воздух и в слое скачка, которая одновременно является мерилом легкости (и трудности) происхождения волны.
Ясно, что поверхностная волна испытывает большее сопротивление при движении, чем волна внутренняя.
Наиболее часто внутренние волны генерируются при трансформации приливного потока под воздействием рельефа дна или возбуждаются приливом около границы материкового склона; поэтому приливные волны наиболее распространенный тип внутренних волн.
1. Описание особенностей внутреннего волнения в шельфовой зоне Белого моря
Постоянно действующим источником поступления энергии к внутренним волнам в Белом море является баротропный прилив, при этом основной энергонесущей гармоникой выступает главная лунная полусуточная волна. Баротропные приливные течения взаимодействуют с неровностями дна, что вызывает вертикальные составляющие скорости потока, которые приводят к смещениям изопикнических поверхностей и образованию внутренних волн.
Внутренняя волна, двигаясь по шельфу к берегу, как правило, испытывает значительную трансформацию и порождает нелинейные волны в виде боров и солитонов (структурно устойчивая уединенная волна, распространяющаяся в нелинейной среде). Иногда они представляют собой интенсивные короткопериодные внутренние волны, которые получили свое название изза значительных амплитуд.
Специальные эксперименты по измерениям внутренних волн в Белом море выявили только присутствие короткопериодных волн небольших высот (1-2 м) и длинных колебаний - полусуточного периода амплитудой 6-8 м. Детальное исследование внутренних волн в Белом море проводилось преимущественно на основе математического моделирования. Эти работы позволили получить общие представления об изменчивости поля внутренних волн, в первую очередь связанных с полусуточным приливом. Были определены районы генерации внутренних волн, их амплитуды, произведены оценки изменчивости приливной энергии в течение приливного цикла.
Главными районами возбуждений внутренних приливных волн являются участок к северу от входа в пролив Западная Соловецкая салма, где наклоны дна критические или сверхкритические, и участок на выходе из Горла, где наклоны дна некритические, но баротропные скорости намного больше, чем в проливе, связывающем Бассейн и Онежский залив. Также было показано, что внутренние волны приливного периода имеют амплитуды до 8 м и диссипируют локально, не успевая распространиться далеко за пределы очагов генерации.
Схема расположения районов работ выполняемых 20-24.07.2011 года
2. Расчет профиля частоты Вяйсяля-Брента
Частота Брента - Вяйсяля (также частота плавучести) - частота с которой элемент жидкости, перемещенный вертикально в стратифицированной среде будет в этой среде осциллировать, т.е. периодически повторяться во времени.
Профили частоты Вяйсяля-Брента для каждого полигона
Из графика сразу видно, что жидкость устойчиво стратифицирована (NI>0).
Устойчивая вертикальная стратификация Белого моря исключает развитие конвекции в большей части моря ниже горизонтов 50-60 м. Несколько глубже (до 80-100 м) вертикальная зимняя циркуляция проникает вблизи Горла, где этому способствует связанная с приливами интенсивная турбулентность. Ограниченная глубина распространения вертикальной зимней циркуляции является характерной особенностью Белого моря.
Наибольший диапазон изменения колебаний частоты (0,005-0,038 1/сек) наблюдалась в районе 2-ого полигона имеющего наибольшую глубину (60 м).
А наименьшая частота (0,005-0,019 1/сек) в районе 4-ого полигона, имеющего глубину до 25 м.
Значение частоты плавучести зависит от 3-х параметром - температура, соленость, плотность. Как известно чем вода теплее, тем плотность ее меньше, а чем меньше плотность, тем меньше соленость и тем больше частота Вяйсяля-Брента. Следовательно, наблюдается прямая зависимость частоты от температуры, и обратная от солености.
Таким образом, температура вод в центральной части выше, чем в прибрежной. Что касается солености, то, зная ее зависимость от температуры, можно сказать, что она будет увеличиваться при приближении к берегу. Это обусловлено связью солености морской воды с гидрологическим режимом. Большой приток речных вод и незначительный обмен с Баренцевым морем привели к сравнительно низкой солености поверхностных вод моря. Опресненные поверхностные воды продвигаются вдоль восточных берегов моря и поступают через Горло в Баренцево море, откуда вдоль западных берегов в Белое море поступают более соленые воды.
3. Расчет параметра Урселла волнение шельфовый море
Параметр Урселла - это параметр помогающий определить вклад процессов нелинейности и дисперсии во внутренней волне с заданными параметрами.
Обозначается: у2
Вычисляется по формуле: у2 = ЗДS2 и следовательно зависит от длины волны, ее высоты и коэффициентов нелинейности и дисперсии.
В случае у2>12, то нелинейность преобладает над дисперсией, если у2<12, то дисперсия над линейностью. у2=12 для стационарной нелинейной волны - солитона.
Таблица расчета параметра Урселла для шельфовой зоны Белого моря
Первый полигон время hcp, м T, сек Co б в Параметр Урселла
20.07.2011 c 20:30 до 22:30 12,01 1080 2,19 0,30 87,8 57966
1,35 360 724
1,725 240 411
1,06 420 774
2,645 480 2522
3,005 660 5416
2,025 540 2443
1,04 360 558
1,095 420 799
1,37 600 2041
20.07.2011 c 23:30 до 01:30 20.07.2011 2,51 180 2,69 0,15 188,5 120
6,29 360 1207
1,545 240 132
3,59 540 1550
5,535 840 5782
4,08 240 348
2,695 660 1738
4,24 360 814
1,595 540 689
7,21 720 5534
21.07.2011 c 02:30 до 04:30 3,56 720 2,47 0,21 136,0 4432
7,21 840 12216
6,32 600 5464
3,96 420 1677
2,58 180 201
3,65 3600 113593
1,895 360 590
13,95 1920 123489
2,95 600 2550
3,39 1560 19811
21.07.2011 c 05:30 до 07:30 5,875 3360 2,37 0,25 115,6 196837
7,69 960 21032
2,525 420 1322
3,34 780 6031
5,885 720 9054
21.07.2011 c 08:30 до 10:30 3,72 300 2,46 0,22 133,8 822
3,385 480 1914
1,7 600 1502
1,93 420 836
2,395 360 762
0,755 360 240
1,635 600 1445
3,965 1020 10125
3,785 600 3344
2,225 780 3323
2,33 1260 9079
21.07.2011 c 11:30 до 13:30 2,115 1080 2,82 0,12 225,3 2675
2,55 600 995
4,695 480 1173
9,705 540 3068
4,77 300 465
6,285 1080 7948
4,185 540 1323
21.07.2011 c 14:30 до 16:30 8,41 1320 2,48 0,21 136,7 34953
4,825 660 5013
4,44 720 5490
3,18 540 2212
1,515 300 325
1,51 300 324
1,225 660 1273
2,43 480 1335
2,22 300 477
2,315 660 2405
2,965 660 3081
21.07.2011 c 17:30 до 19:30 4,765 480 2,38 0,24 117,7 3184
2,57 600 2683
2,99 600 3122
1,265 660 1598
3,64 600 3801
1,5 360 564
1,59 480 1063
2,76 1080 9337
2 540 1692
21.07.2011 c 20:30 до 22:30 3,025 780 2,49 0,21 139,9 4253
2,28 360 683
1,705 720 2042
12,79 2280 153634
1,335 420 544
0,74 420 302
Расчет параметра Урселла для первого полигона показал, что в этом районе работ нелинейность волн преобладает над дисперсией, т.к. у2 (параметр Урселла) >>12. Т.е. преобладают волны с большой амплитудой, при которой начинают сказываться нелинейные свойства среды.
Второй полигон время hcp, м T, сек Со б в параметр Урселла
22.07.2011 c 08:30 до 10:30 3,325 5520 8,26 0,28 1601,2 306901
1,23 660 1623
1,055 540 932
22.07.2011 c 11:30 до 13:30 0,95 900 5,26 0,14 1155,5 649
3,17 3480 32402
1,175 780 603
22.07.2011 c 14:42 до 16:28 1,77 1200 5,35 0,13 1239,8 1880
0,54 780 242
1,57 1320 2018
0,39 1260 457
22.07.2011 c 17:36 до 19:30 2,45 4080 5,39 0,12 1285,3 27980
1,26 1260 1372
1,66 2640 7937
22.07.2011 c 21:00 до 22:30 0,985 900 5,34 0,13 1231,0 597
1,22 1740 2763
0,78 600 210 с 23:30 22.07 до 1:30 23.07 0,59 360 5,20 0,15 1110,4 69
1,01 1380 1746
1,43 2760 9888
23.07.2011 c 02:30 до 04:30 0,67 540 5,32 0,13 1213,4 150
0,76 780 356
23.07.2011 c 05:30 до 07:30 0,925 1380 5,28 0,14 1174,2 1443
23.07.2011 c 08:30 до 10:30 0,96 780 5,30 0,13 1194,6 463
1,17 960 855
1,255 1080 1161
Расчет параметра Урселла для второго полигона показал, что в этом районе, как и в районе первого полигона больше выражена нелинейность волн. (у2>>12)
Четвертый полигон время hcp T Со б в параметр Урселла с 17:46 до 19:30 24.07 1,58 240 1,35 0,12 57,42 84
1,515 300 126
1,855 720 887
1,07 120 14
1,15 420 187
3,32 240 176
2,37 480 504 с 20:00 до 22:00 24.07 0,77 180 1,25 0,15 43,16 34
1,085 180 25 с 1:00 до 3:00 25.07 2,13 120 1,62 0,04 120,78 6
0,92 300 17
1,21 240 14
1,43 240 17
1,08 300 20
2,22 180 15
2,45 120 7
2,395 480 114
1,625 120 5
3,615 240 43 с 6:00 до 8:00 25.07 0,825 180 1,41 0,10 68,18 19
0,575 240 23
1,155 180 26
1,63 120 17
2,565 240 105
1,225 420 153
0,775 420 97
1,095 240 45
1,02 480 166 с 8:30 до 9:30 25.07 1,29 600 0,98 0,26 18,77 1575
1,06 540 1048
0,765 540 757
0,93 240 182 с 10:00 до 11:00 25.07 1,01 120 0,84 0,35 11,03 80
1,36 1200 10815
1,875 300 932
1,035 240 329
0,915 240 291
На третьем полигоне, так же как и на предыдущих двух, преобладает нелинейность волн. И только 25.07 с 1:00 до 3:00 наблюдаются несколько дисперсионных волн (у2<12), т.е. линейных волн имеющих различие фазовых скоростей в зависимости от их частоты. Дисперсия волн приводит к тому, что волновое возмущение произвольной негармонической формы претерпевает изменения по мере его распространения и обычно связана или с наличием временного запаздывания в реакции среды на волновое возмущение (временная дисперсия), или с влиянием на данную точку пространства соседних точек.
Результаты расчета параметра Урселла по трем полигонам показали, что на шельфе пролива Западная Соловецкая салма наблюдалась нелинейность внутренних волн. Так как значение параметра Урселла прямо пропорционально коэффициенту нелинейности, длине и высоте волны, и обратно пропорционально коэффициенту дисперсии, то при увеличении характеристик волны, увеличивается и значение параметра и наоборот.
Следовательно, нелинейные волны имеют достаточно высокую амплитуду, по сравнению с дисперсионными.
Таким образом, интерес к исследованию внутренних волн на шельфе Белого моря вызван именно тем, что здесь могут отмечаться специфические волны рекордных амплитуд, которые за короткое время могут преобразовывать значительную потенциальную энергию, запасенную в стратификации вод, и оказывать влияние на горизонтальный и вертикальный турбулентный обмен.
Вывод
Итак, на основе измерений выполненных в апреле 2011 г. были построены и анализированы графики частоты плавучести, рассчитаны параметры Урселла для каждой волны исследуемого полигона на шельфе Белого моря. Описаны особенности внутреннего волнения. Оценены изменчивости характеристик с привязкой к особенностям региона.
Список литературы
1. Зимин А.В. Внутренние волны на шельфе Белого моря по данным натурных наблюдений / А.В. Зимин // Океанология. - Т.51 №6 -2011 г. с 1-10.
