Внутренние волны на внешнем и внутреннем шельфе пролива Западная Соловецкая салма по данным наблюдений 2011 года

Внутренние волны на внешнем и внутреннем шельфе пролива Западная Соловецкая салма по данным наблюдений 2011 года

КУРСОВАЯ РАБОТА

Внутренние волны на внешнем и внутреннем шельфе пролива Западная Соловецкая салма по данным наблюдений 2011 года

Цели и задачи работы

Основной целью работы является оценить изменчивость характеристик внутреннего волнения на внутреннем и внешнем шельфе пролива в Белом море по данным наблюдений 2011 года.

Задачи работы:

) Описать по литературным источникам особенности внутреннего волнения в шельфовой зоне моря.

) По данным сканирований выполнить расчет профиля частоты Вяйсяля-Брента для каждого полигона.

) По данным наблюдений за внутренним волнением на трех полигонах произвести расчет параметра Урселла.

) Составить таблицу по полученным результатам.

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 уединённая волна, распространяющаяся в нелинейной среде). Иногда они представляют собой интенсивные короткопериодные внутренние волны, которые получили свое название из-за 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, перемещённый 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 (NІ>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, солёность, плотность. Как известно чем вода теплее, тем плотность ее меньше, а чем меньше плотность, тем меньше солёность и тем больше частота Вяйсяля-Брента. Следовательно, наблюдается прямая зависимость частоты от температуры, и обратная от солёности.

Таким образом, температура вод в центральной части выше, чем в прибрежной. Что касается солёности, то, зная её зависимость от температуры, можно сказать, что она будет увеличиваться при приближении к берегу. Это обусловлено связью солёности морской воды с гидрологическим режимом. Большой приток речных вод и незначительный обмен с Баренцевым морем привели к сравнительно низкой солёности поверхностных вод моря. Опреснённые поверхностные воды продвигаются вдоль восточных берегов моря и поступают через Горло в Баренцево море, откуда вдоль западных берегов в Белое море поступают более солёные 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, её 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

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

Расчет параметра Урселла для второго полигона показал, что в этом районе, как и в районе первого полигона больше выражена нелинейность волн. (у²>>12)

Четвёртый полигон

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 (временна́я дисперсия), или с влиянием на данную точку пространства соседних точек.

Результаты расчета параметра Урселла по трём 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.

Заключение

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.

2.      URL: http://www.hydrometeorology.ws/str15.html

.        URL: http://oceanfromspace.scanex.ru/index.php/ocean/waves/vnutrinnyvolni