Молекулярная и турбулентная диффузия в океане (Энциклопедия)

Диффузия молекулярная — перемещение массы растворенной субстанции из области высокой концентрации в область низкой кон­центрации в результате хаотических движений молекул жидкости. Перенос тепловой энергии из более теплой среды в более холодную вследствие взаимодействия молекул называется молекулярной теплопроводностью. Количе­ство субстанции, которое рассеивается за единицу вре­мени через единицу поверхности, прямо пропорционально градиенту средней концентрации, перпендикулярному к этой поверхности. Коэффициент пропорциональности для переноса субстанции называется коэффициентом Д. м.; для морской воды он равен приблизительно 2*10 в пятой степени (в еди­ницах СГС). Коэффициент пропорциональности для пере­носа тепла называется коэффициентом молекулярной теплопроводности, и он для морской воды приблизительно равен 10-3 (в единицах СГС).

Однако в океане преобладает турбулентное движение и перенос субстанции и тепла турбулентным движением на несколько порядков больше по сравнению с молекуляр­ным движением. Предполагается, что, по аналогии с моле­кулярными процессами, скорость переноса массы тур­булентным движением пропорциональна градиенту сред­ней концентрации. Коэффициент пропорциональности называется в данном случае коэффициентом Д. т. (вихре­вой), который, подобно турбулентной (вихревой) вязкости, не является физической константой, а зависит от природы турбулентного движения.

Эмпирические методы определения турбулентной диффузии (вихревой). Д. т. в океане эмпирически определяется тремя методами;
1) по осредненному распределению «пассивных» величин, таких, как температура и соленость,
2) на основе измере­ний флуктуации этих величин в постоянных точках 1 и
3) на основе определения рассеяния индикаторов в потоке. Первый и второй методы дают Д. т. в неподвижной системе координат или в системе координат Эйлера, третий метод — в координатной системе, перемещающейся с потоком, или в системе координат Лагранжа.

Первый метод широко применяется с 1900 г. В экмановских слоях трения Д. т., как и турбулентная вязкость, гораздо больше в вертикальном направлении, чем в гори­зонтальном. Вертикальная Д. т., как и вертикальная турбулентная вязкость, уменьшается с увеличением устой­чивости. Для того чтобы определить Д. т. из уравнения переноса, или уравнения Фикка, обычно предполагают, что два или три члена этого уравнения сохраняются. Диапазон величины коэффициента Д. т., полученный та­ким образом, приблизительно равен на единицу массы 0,1—102см2/с по вертикали и приблизительно 106— 108 см2/с по горизонтали.
По второму методу Д. т. определяется как отношение величины данного потока к градиенту средней концентра­ции. Советские исследователи пользуются этим методом для определения вертикальной Д. т. в различных частях океана. Они измеряют флуктуации температуры, соле­ности и горизонтальной и вертикальной скоростей водо­обмена на двух глубинах с интервалами от 0,5 до 2 м. Они обнаружили, что вертикальная Д. т. почти обратно пропорциональна числу Ричардсона.

Третий метод обычно применяется для определения горизонтальной Д. т. Определить Д. т. по этому методу можно тремя способами. Первый способ состоит в изуче­нии движения одного предмета, например плавучего буя, пущенного по течению, и определении лагранжевой Д. т. по корреляции скорости данного предмета в различ­ное время. Второй способ заключается в измерении сред­него расстояния между двумя плавающими предметами. На основе этого способа «соседняя» Д. т. оценивается по скорости изменения среднего расстояния между двумя плавающими предметами. Ричардсон, Стоммел, Озмидов, Олсон и Ичие определяли Д. т. в различных частях океана (плавающими предметами у них были репа, бумага, буи и бутылки) и получали величины коэффициентов Д. т. в пределах 106—109 см2/с. По третьему способу исполь­зуется масса мелких предметов или краска. За последние годы краска широко применяется для изучения Д. т.

Статистические теории турбулентной диффузии.  Вихри, создавая переме­шивание и диффузию, имеют различные размеры и энер­гию. Распределение энергии среди вихрей, или спектр энергии, определяется статистически, исходя из пред­положения о случайности движения. Понятие об изотроп­ной турбулентности было введено Тэйлором (1935). В этом случае турбулентность не может ни получать энергию от среднего движения, ни оказывать на него обратного воз­действия.

Дальнейшим шагом вперед было создание Колмого­ровым (1941) теории локально изотропной турбулентности. В этой теории предполагается существование не­прерывного спектра вихрей различных размеров. Самые большие вихри получают энергию от среднего движения, и передают ее меньшим по размерам вихрям. Согласно теории Колмогорова, коэффициент Д. т. пропорционален степени 4/3 от среднего диаметра вихрей, -участвующих в Д. т. Эккарт и советские ученые 2 применили теорию Колмогорова к процессам перемешивания в океане.

Приближенные теории Иозефа, Зенднера и Шен-фольда, основанные на гипотезе о случайном движении частиц, привели к уравнениям диффузии, сходным с урав­нением Фикка с переменным коэффициентом Д. т. Полу­ченные результаты были использованы для предсказания диффузии пятен краски или радиоактивных веществ, вы­пущенных в океан. 

Такаши Ичие 

 

Прим. ред. 1. Группа ученых Морского гидрофизиче­ского института АН УССР во главе с А. Г. Колесниковым разработала малоинерционныё приборы, позволяющие исследовать вертикальную турбулентность.

2. В исследование горизонтальной турбулентности большой вклад внес Р. В. Озмидов (см. Озмидов Р. В. Горизонтальная турбулентность и турбулентный обмен в океане. М., «Наука», 1968).

 

Источник:  Океанографическая энциклопедия, 1974 год, с. 155 — 156

(прим.  будьте бдительны — наука могла уйти далеко вперед)

Другие статьи из энциклопедии можно найти здесь.

Be the first to comment on "Молекулярная и турбулентная диффузия в океане (Энциклопедия)"

Leave a comment

Your email address will not be published.


*