Замах на турбулентність

турбулентність

Спочатку потрібно домовитися про терміни… Латинське слово «turbulentus» означає «бурхливий, безладний». А утворений від нього термін «турбулентний» тлумачні словники пояснюють як «вихровий, що відрізняється стрімким, невпорядкованим рухом частинок». Давним-давно було помічено, що течія рідини може бути або ламінарною, тобто шаруватою, або турбулентною — безладною.

В кінці XIX століття англійський фізик та інженер Осборн Рейнольде провів серію лабораторних дослідів. Він спостерігав, як тече вода в довгій прозорій трубі. При малих швидкостях кожна частка рідини рухалася по прямолінійній траєкторії і з постійною швидкістю. Однак через внутрішнє тертя струмочки рідини, розташовані ближче до стінок, текли повільніше, ніж ті, що були віддалені від стінок. Течія була ламінарною: рідина як би поділялася на окремі шари. Забарвлена рідина, яку Рейнольде вводив в трубу, рухалася в ній різко окресленою цівкою.

Але варто було збільшити натиск води в трубі, швидкість течії, як картина різко змінювалася. Струмінь фарби раптово розпливався, утворюючи вихори, і рівномірно фарбував всю рідину. Розрахунки показували, що коефіцієнт перемішування при цьому раптово і різко зростав…

В океані перемішування відіграє дуже важливу роль. Адже Сонце фактично єдине джерело енергії для всіх процесів, що відбуваються в товщі океанської води. Тепло з поверхні повинно бути якимось чином перенесено в глибинні шари. Але яким?

Всі знають зі шкільних років, що теплопровідність рідини невелика. Передача тепла від молекули до молекули – процес повільний. Якщо ми змінимо температуру води на поверхні на один градус, то через добу на глибині один метр вона стане іншою тільки на одну соту градуса. Ні, такий процес не може бути єдиним механізмом перемішування. В океані тепло поширюється приблизно в тисячу разів швидше – перемішування відбувається так само енергійно, як при виникненні турбулентності.

Але за рахунок чого виникає турбулентність? Може бути, хвилі перемішують океан? Здавалося б, це не викликає сумніву — досить подивитися на клекочущий прибій, що з ревом накочується на берег. Але давайте проведемо дослід.

Спробуйте кинути поплавок подалі від берега. Одна за одною «біжать» повз поплавка хвилі, але сам він тільки гойдається вгору-вниз, залишаючись на місці.

Справа в тому, що кожна частка води в ідеальній хвилі рухається по еліпсу, її траєкторія замкнута. Переміщається-біжить – тільки сама хвиля. Можна сказати, що в хвильовий рух включаються все нові частинки.

хвилі

У глибинних шарах хвилювання загасає – еліпси стають все менше. Кожна частка як і раніше коливається біля свого положення рівноваги, але розмах цих коливань поступово зменшується.

Звичайно, океанологи знають про це вже давно. Знають, але немов би закривають на це очі, коли говорять про «хвильове перемішування». Хоча зрозуміло, що якщо траєкторія кожної частинки в хвилі замкнута, то ніякого перемішування бути не може. Правда, при сильних вітрах, коли один на одного накладаються системи різноспрямованих хвиль, коли гребені хвиль обрушуються, вода починає перемішуватися. Але сила вітру для цього повинна бути не менше 5 балів — в загальному не такий вже частий випадок.

Усвідомлюючи, що все не так просто, океанологи часто вживають термін «вітрове перемішування». Дійсно, роль вітру не викликає сумніву. Але термін «вітрове» дає уявлення тільки про рушійну силу, ніяк не пояснюючи сам механізм процесу.

Тільки за останній час вчені зуміли дещо зрозуміти. В одній з робіт американські океанологи підводять підсумки досліджень наступним чином: «експерименти виявляють три різних механізми перемішування в океані: термохалінну конвекцію, екманівський потік, ленгмюрівську циркуляцію”.

«Термохалінна конвекція», «екманівський потік», «ленгмюрівська циркуляція»… Що стоїть за цими незрозумілими читачеві термінами? За ними – революція в океанології, революція, яку ще не всі океанологи встигли помітити!..

Сонячні промені входять в товщу води через поверхню океану. Тут вони поглинаються, перетворюючись в тепло. Це поглинання відбувається по-різному в різних діапазонах хвиль сонячного світла. Наприклад, червона частина спектра поглинається приблизно в тисячу разів швидше, ніж блакитна, а інфрачервона — навіть в мільйон разів. До речі сказати, цим, в загальному, і визначається колір моря.

Якщо підсумувати цей процес в цілому, то виявиться, що шар води товщиною в один сантиметр поглинає близько двадцяти відсотків, а десятисантиметровий — вже половину радіації, що проходить. Таким чином, близько половини сонячної енергії акумулюється в тонкому поверхневому шарі. Але ж в цьому випадку сама поверхня повинна сильно нагріватися? Виявляється – ні. Більш того, на поверхні майже завжди є тонка холодна плівка (скін-шар), температура якої нижче температури підстильної води. Чому?

Перш ніж відповісти на поставлене запитання, згадаємо про одну забуту статтю видатного океанолога, професора, контр-адмірала Миколи Миколайовича Зубова. Точніше, це не стаття, а замітка, опублікована в № 10-12 «метеорологічного Вісника» за 1934 рік. Називається вона «чудовий випадок утворення льоду».

На якірній стоянці біля берегів Шпіцбергена М. М. Зубов спостерігав, як за одну ніч на поверхні моря утворився шар льоду товщиною до 7 міліметрів. А чудовий цей випадок тим, що температура води на глибині в півметра — океанологи зазвичай вважають її «поверхневою» — була плюс 4,9 градуса!

Зрозуміло, що лід може утворитися тільки тоді, коли температура води знизиться до точки замерзання (для морської води близько -1,9°). Але як це могло статися, якщо і температура повітря не опускалася нижче плюс 2.6 градуса? Парадокс? Зовсім ні.

Навіть у спекотний літній день, коли світить Сонце, океан не тільки нагрівається, але одночасно і охолоджується. Він постійно віддає тепло в атмосферу в результаті власного випромінювання, в результаті випаровування і контактного теплообміну з атмосферою. Іноді надходження тепла перевищує втрати – це буває влітку і вдень. Іноді, навпаки, втрати тепла перевищують надходження — це буває взимку і вночі. В цілому ж по океану вони приблизно рівні – інакше океан рік за роком повинен був би нагріватися або охолоджуватися. Ми для простоти будемо розглядати саме цей випадок: втрати тепла рівні надходженню.

Однак навіть при рівності потоків на самій поверхні виникає дефіцит тепла. Справа в тому, що втрати енергії за рахунок власного випромінювання відбуваються в шарі міліметрової або навіть мікронної товщини. Механізм випаровування пов’язаний з вильотом найбільш швидких (можна сказати, найтепліших) молекул води. Товщина шару, безпосередньо віддає тепло, не перевищує в силу цього довжини вільного пробігу молекули води. Механізм контактного теплообміну подібний механізму випаровування.

Виходить, що шар води товщиною в один сантиметр поглинає двадцять відсотків вхідного тепла, а віддає всі сто (згадаємо, що загальний прихід і витрата тепла збалансовані). Завдяки цьому на поверхні океану і виникає холодна плівка. Всі ці міркування тепер вже підкріплені прямими спостереженнями в морі. Величезну роботу провели співробітники фізичного факультету МДУ Г. Г. Хунджуа, В.С. Лаворко і Є. Г. Андрєєв. Спробуйте виміряти температуру в шарі товщиною один міліметр, коли висота хвилі досягає двох метрів. Група Г. Г. Хунджуа провела більше тисячі таких вимірювань. І тепер ми можемо досить обгрунтовано говорити про характеристики холодної плівки.

З’ясувалося, що товщина скін-шару коливається від одного до трьох міліметрів. Температура його зазвичай на 0,4—2 градуси нижче температури підстильної води. Але в окремих випадках перепад температур може досягати 5-6 і більше градусів. Спостереження показують, що холодна плівка не пропадає і при значних вітрах. При цьому, коли хвиля обрушується, плівка зникає, але за кілька секунд до приходу наступної хвилі встигає відновитися.

Потрібно також відзначити, що оскільки випаровування грає не останню роль у виникненні холодної плівки, то її солоність зазвичай трохи вище солоності підстильної води.

Але найважливіше – виявилося, що обман в плівці і на кордоні океан — атмосфера визначається молекулярними процесами.

Якраз незнання цієї, останньої обставини і викликало у більшості океанологів протягом півстоліття недовіру до факту існування холодної плівки. Але ж Альберт Мерц вперше писав про неї ще в 1920 році. Потім холодну плівку спостерігали неодноразово, але океанологи протягом півстоліття «не помічали» цих даних.

Звичайно, частково це пояснюється тим, що не було приладів для вимірювання температури в міліметровому шарі. Але консервативність мислення відігравала не останню роль.

У всьому світі температуру поверхні вимірювали насправді на глибині півметра-метра. Це нікого не бентежило – вважалося, що оскільки хвилювання перемішує весь цей шар, то температура самої поверхні і температура на деякій глибині збігаються.

Насправді про існування холодної плівки можна було здогадатися, уважно спостерігаючи природу. Адже тисячі гідрометеостанцій у всьому світі повинні були майже щорічно фіксувати початок льодоутворення ще до того, як температура води «на поверхні» досягне точки замерзання. Але нічого такого не помічали, а вірніше, вважали, що «цього не може бути тому, що не може бути ніколи». Потрібна була наукова сміливість професора Н. Н. Зубова, щоб, зафіксувавши явище, не боятися повідомити про нього.

Сумний приклад того, як багато шкоди науці може принести інерція мислення. Тепер, коли суперечки про існування холодної плівки вже вщухли, океанологам найважче, мабуть, «звикнути» до уявлень про молекулярний характер обміну на кордоні океан — атмосфера, хоча ці уявлення відкривають вельми, на мій погляд, райдужні перспективи.

Не будемо, втім, відволікатися від нашої основної теми. Спробуємо розібратися, як перемішується вода в поверхневому шарі океану.

Перший механізм, згадуваний в американській статті — термохалінна конвекція. У науковій літературі іноді вживаються терміни «мікроконвекція», «мікроконвективні рухи» — ці назви ми і будемо надалі використовувати.
Своїм виникненням мікроконвекція цілком зобов’язана скін-шару. Окремими плямами холодна і більш солона вода лежить на більш теплій і менш солоній. Тому тонкий поверхневий шар не буває стійким. До часу поверхневий натяг утримує плівку біля поверхні. Але вихолоджування триває, і «пляма плівки» поступово «стягується» тим же поверхневим натягом в «краплю».

Досягнувши деякого критичного обсягу «крапля» відривається від поверхні і опускається вниз, поступово розсіюючись. Ви напевно бачили, як конденсується водяна пара на стелі теплого і вологого приміщення. Поступово пар збирається в краплю, обсяг його збільшується, сама крапля поступово витягується і нарешті, відривається від стелі. В океані відбувається щось подібне.

Спостерігати мікроконвекцію в морі можна тільки при штилі. Лабораторні досліди показують, що іноді холодна вода опускається не окремими краплями, а вздовж ліній — так званих смуг сходження.

В загальному мікроконвекція проникає тільки на глибину до півметра. Але при штилі це єдиний спосіб обміну поверхні з товщею води.

Як тільки з’являється вітер, в океані виникає вітрова течія — екманівський потік. Тут ми повинні зробити невеликий історичний відступ.

Вальфрід Екман, тоді ще студент, прийшов в океанологію випадково, «на запрошення». Фрітьоф Нансен після свого знаменитого плавання на «Фрамі» запропонував йому створити теорію вітрових течій. Власне кажучи, теорія вже існувала, але вона явно не витримувала перевірки. Німецький вчений Цеппрітц, творець теорії, припускав, що на частинки води не діють ніякі сили, крім сили тертя, і що теплообмін в океані визначається молекулярними процесами. Енергія передається від молекули до молекули. Втім, другий постулат ніхто не оскаржував, адже теорія турбулентності в самому зачатку з’явилася тільки десяток років по тому. А ось неврахування впливу відхиляючої сили обертання Землі – сили Коріоліса викликало заперечення.

Нансен, спостерігаючи дрейф льодів в Північному Льодовитому океані, зауважив, що напрямок дрейфу завжди відхиляється вправо від напрямку вітру.

«Це відхилення вправо, – писав Нансен — очевидно, викликане відхиляючою силою обертання Землі. Дивно, що дуже мало авторів досить усвідомили факт, що поверхнева течія, створена вітром, не може слідувати в напрямку вітру, але має відхилятися вправо. Внаслідок цього вони, говорячи про дію вітру на поверхню моря, приходили до невірних результатів. Ще менше зверталася увага на ту обставину, що поверхнева течія, створена вітром, не може захоплювати лежачу нижче воду в своєму власному напрямку, але вода буде прагнути відхилитися вправо і, таким чином, кут відхилення шарів води буде збільшуватися з глибиною».

Відповідно до теорії Екмана, кут відхилення течії на поверхні від напрямку вітру повинен становити 45°. У нижчих горизонтах течія поступово повертає вправо (спіраль Екмана), швидкість її зменшується, і на деякій глибині вона розвернувшись в протилежну сторону, стає зникаюче малою. Теплообмін в такому потоці постійний і визначається молекулярними силами.

Однак за всіма даними течія повинна була загасати вже на глибині в півметра. Нансен визнав це абсурдним і, оскільки в той час з’явилися перші роботи Рейнольдса по турбулентності, припустив, що величина теплообміну в тисячі разів більше — обмін турбулентний.

Не можна сказати, що теорія Екмана-Нансена була зустрінута загальними оплесками. Дуже вже багато було в ній протиріч. Особливо викликав заперечення постійний кут в 45°, під яким мав відхилятися потік. Спостереження показували, що цей кут міг змінюватися від 0 до 60 градусів.

І, тим не менш, теорія ця вважалася загальновизнаною. Спіраль Екмана увійшла в усі підручники з океанології: «якщо природа не вкладається в рамки теорії — тим гірше для природи».

Після перших катастроф супертанкерів проблема вітрових течій перестала бути чисто академічною. Коли «Торрі Каньйон» виплеснув в океан 120 тисяч тонн нафти, треба було чітко відповісти на питання: куди і з якою швидкістю понесе вітер величезну пляму забруднення. Нафта, всупереч теорії, дрейфувала у напрямку вітру. Але і цей удар спіраль Екмана витримала.

Були спроби «поліпшити Екмана», але безуспішні. «Якщо рівняння вирішені вірно, – писав ще в сорокових роках М. М. Зубов, – а висновки, отримані при цьому, малоймовірні, то це доводить, що при складанні рівнянь що-небудь упущено. Саме на цю сторону питання, а не на уточнення і доповнення рівнянь Екмана, слід було б звернути увагу». Цим упущеним була холодна плівка…

Важко подолати інерцію сформованих уявлень. Ми знаємо тепер, що в холодній плівці теплообмін йде на молекулярному рівні. Але в нижчих шарах він збільшується в сотні і тисячі разів. Не залишається постійним по глибині, як думали Цеппрітц та Екман, не зменшується, як припускали, а збільшується з глибиною! Як показують спостереження, коефіцієнт перемішування може збільшуватися в десять разів на кожні 15 сантиметрів глибини в поверхневому шарі. Ще важливіше та обставина, що обмін на кордоні океан — атмосфера молекулярний. Це означає, що на поверхні повітря і вода як би прилипають один до одного і рухаються разом, в одному напрямку.

Розрахунки показують, що швидкість течії на самій поверхні спрямована за вітром і становить, мабуть, близько 0,035-0,060 швидкості вітру. Але вже на глибині 2 сантиметри вектор течії повернутий на 20°, на глибині 25 сантиметрів — на 45°, на глибині 2 метри — на 60°. Одночасно швидкість течії зменшується.

Тоді стає зрозумілим, чому при перевірці теорії Екмана кут відхилення течії від напрямку вітру коливався в діапазоні від 0 до 60°. Все залежить від глибини, на якій встановлений вимірювач течій. А за точною глибиною його установки ніхто загалом то не стежив.

Екманівський потік – більш енергійна океанська «мішалка», ніж мікроконвекція, він захоплює шар значно більшої товщини. Але головним знаряддям перемішування виявляються все ж вихори Ленгмюра.

«Натураліст» – майже забуте тепер слово. Ми потроху розучуємося дивуватися, звикаємо довіряти комп’ютерам, вважаючи, що варто тільки прорахувати досить багато варіантів, як всі тонкощі того чи іншого явища будуть зрозумілі і пояснені. Гірка омана! І ілюстрацією тому може служити історія відкриття і вивчення вихорів Ленгмюра.

Ірвінг Ленгмюр не був океанологом. Він був фізико-хіміком. Але він був натуралістом і не втратив здатність дивуватися.

У серпні 1927 року Ленгмюр плив на океанському лайнері з США в Англію. Його вразило, що скупчення водоростей витягнуті за вітром смугами. Багато хто, звичайно, спостерігали це явище і до і після Ленгмюра, але тільки він поставив питання «чому?» і спробував знайти на нього відповідь.

У вільний час (адже це було хобі!) п’ятдесятирічний Ленгмюр провів серію експериментів на озері Джордж поблизу Бостона. Досліди були надзвичайно простими – Ленгмюр кидав у воду листя, поплавці, іноді підфарбовував воду, вимірював температуру на різних глибинах. Результати тих, перших спостережень були опубліковані в науково-популярному журналі в 1938 році.

Виявилося, що у воді може виникати система ліво- і правосторонніх спіралеподібних вихорів, що чергуються. При швидкостях вітру більше шести метрів в секунду вони утворюються майже завжди.

Траєкторії частинок у вихорах Ленгмюра – горизонтальний штопор. Вода рухається у напрямку вітру, одночасно обертаючись у вертикальній площині, то опускаючись в зонах сходження ліво-і правосторонніх вихорів, то піднімаючись до поверхні в зонах розбіжності.

На поверхні смуги сходження добре помітні, оскільки в них накопичується піна і плаваюче сміття. Поплавці, безладно розкидані між смугами, через деякий час витягуються в лінію. Зазвичай при вітрі поверхня океану покрита брижами – капілярними хвилями. Але всередині смуг брижі немає, тут, кажучи мовою океанологів, стан поверхні моря нуль балів.

Відстань між смугами, мабуть, залежить від швидкості вітру. Вана тим більше, чим сильніше вітер, і може досягати в океані багатьох десятків і навіть сотень метрів. Між головними смугами виникають вторинні, і, мабуть, слід говорити не про вихори, а про систему вихорів Ленгмюра. Глибина їх проникнення приблизно дорівнює відстані між смугами.

Океанологи вважали, що вертикальні швидкості в океані дуже малі в порівнянні з горизонтальними. Відкриття вихорів Ленгмюра спростувало цю точку зору. Виявилося, що в смугах сходження вода занурюється з величезною швидкістю: від двох до десяти сантиметрів в секунду. Спадний рух, мабуть, посилюється при посиленні вітру. А між смугами більш повільно піднімаються до поверхні глибинні води.

Вихори Ленгмюра грають визначальну роль в перемішуванні діяльного шару. При їх виникненні циркуляція захоплює глибинні шари, турбулентність зростає в тисячі (якщо не мільйони) разів.

Втім, вживаний мною термін «турбулентність» в даному випадку, мабуть, тільки данина традиції. Турбулентність – процес випадковий, вихори Ленгмюра — процес закономірний.

Ми припускали раніше, що в діяльному шарі постійно діє якийсь турбулентний обмін, який визначається приблизно постійними коефіцієнтами. Насправді ніякого середнього, постійного коефіцієнта фізично просто не існує. Це – фікція.

Тепер ми знаємо, що перемішують верхні шари океану головним чином вихори Ленгмюра, що виникають час від часу, і супутній їм упорядкований вертикальний рух води.

На жаль, усвідомивши роль вихорів Ленгмюра, ми не до кінця розуміємо причини їх виникнення. Частково тому, що нам не вистачає спостережень.

Один приклад. Американський вчений А. Вудкок, спостерігаючи дрейф поплавців, встановив, що ширина правостороннього вихору в півтора рази більше лівостороннього. Майже дві третини поплавців, розкиданих між смугами сходження, пливли в його дослідах направо. Вудкок стверджував, що медузи фізалії «знають» про несиметричність вихорів і біологічно пристосувалися до цього.

медузи фізалії

Треба сказати, що фізалії (як і інший вид медуз — велелла) мають особливий орган — пластинчастий виступ тіла, що знаходиться під водою, щось на зразок вітрила. Завдяки цьому виступу фізалії і велли можуть дрейфувати під деяким кутом до напрямку вітру. Притому у деяких особин «парус» розгорнутий таким чином, що медуза дрейфує вправо від напрямку вітру. У інших – у зворотний бік.

Вудкок показав, що якщо правобічний вихор дійсно в півтора рази ширше лівостороннього, то для фізалій в Північній півкулі доцільніше дрейфувати вліво від напрямку вітру, а в Південному, навпаки, вправо. У цьому випадку медуза більшу частину часу проводила б між смугами — там, де до поверхні піднімаються багаті поживними речовинами підповерхневі води.

Вудкок проводив експерименти в Північній Атлантиці. Він наловив фізалій – 421 штуку, і у 412 з них вітрило було дійсно розгорнуто для дрейфу вліво від напрямку вітру. А 19 з 22 медуз, доставлених Вудкоку з південної півкулі, були «правосторонніми».

Здавалося «біологічний» аргумент Вудкока – вирішальний, і можна стверджувати, що ленгмюрівські вихори несиметричні.

Однак спостереження А. І. Савплова повністю спростували думку американського океанолога. «Правосторонні» і «лівосторонні» медузи дійсно віддають перевагу різним районам океану. Однак і в Північній і в Південній півкулях можна знайти місця з переважанням того чи іншого типу медуз.

Питання про симетричність вихорів Ленгмюра залишається досі відкритим – через брак даних, – хоча його рішення допомогло б розібратися і в причинах виникнення вихорів.

В даний час існує близько двох десятків суперечливих теорій. Виникнення вихорів Ленгмюра пояснюють і атмосферними вихорами (які, втім, не виявлені), і накладенням двох різноспрямованих систем хвиль, і зменшенням шорсткості в смугах сходження (пам’ятаєте — стан поверхні нуль балів), а точніше — посиленням вітру над смугами.

Не вистачає фактів. Більшість дослідників стверджує, що смуги сходження завжди витягнуті за вітром і дуже швидко переорієнтуються, якщо вітер змінюється. Але інші вважають, що смуги відхиляються від напрямку вітру.

«Дрібниця», – скажете ви. Але такі «дрібниці» і дозволяють поступово розібратися в механізмі явища. А поки розгубленість вчених така велика, що деякі з них висувають по дві взаємовиключних теорії.

Можна було б обмежитися визнанням, що океанологи не все ще розуміють в цьому новому для них явищі. Можна було б сказати, що всі гіпотези мають право на існування і що остаточна теорія повинна синтетично об’єднати всі гіпотези. Можна було б… Але мені все-таки хочеться висловити певну точку зору.

Можна думати, що природа циркуляцій Ленгмюра конвективно-дрейфова. Тут грає роль все та ж холодна верхня плівка. Власне кажучи, залежність різних характерних властивостей вихорів від швидкості вітру давно і досить переконливо доведена, ми вже говорили про це. Американський вчений А. Фаллер вважає — він це показав в лабораторних дослідах, — що зі збільшенням швидкості вітрових течій на поверхні екманівський потік може перетворитися в систему спіралеподібних вихорів з горизонтальною віссю, цілком аналогічних вихорам Ленгмюра.

Але все ж тільки впливом вітру не можна пояснити всі спостережені факти. Мабуть, важливу роль відіграє і нестійкість в тонкому поверхневому шарі, пов’язана з холодною плівкою.

По-перше, створюється враження, що енергії вітру просто недостатньо для того, щоб перемішати шар товщиною в кілька десятків метрів.

По-друге, навіть при сильних вітрах — до десяти і більше метрів в секунду — вихори Ленгмюра виникають не завжди. Тут мені хочеться послатися на власні спостереження.

Одного разу я цілий день провів на березі Карського моря в повному подиві. Дув сильний вітер – близько 15 метрів в секунду, але вихори Ленгмюра були відсутні. День був похмурий – низька хмарність, шматки туману. Все, здавалося, було просякнуте вологою, безперервно мрячив дрібний дощ. Температура і води, і повітря весь день трималася близько двох з половиною градусів. До вечора небо хвилин на двадцять несподівано розчистилося, мряка припинилася. І майже відразу ж на поверхні моря з’явилися довгоочікувані смуги сходження. Потім небо затягнулося, смуги зникли…

Здивувала мене відсутність вихорів в Карському морі пояснюється, напевно, специфікою метеоумов. Невелика різниця в температурі води і повітря, а також висока вологість зменшили до межі випаровування і віддачу тепла з океану в атмосферу. Низька температура води і суцільна хмарність зменшили величину ефективного випромінювання. Загальна тепловіддача океану була гранично мала, утворення холодної плівки було утруднено. І вихори Ленгмюра не виникали.

Нещодавно В. Рянжин показав, що появу вихорів Ленгмюра можна в більшості випадків передбачити, знаючи три величини: швидкість вітру, температуру води на поверхні і пружність водяної пари в повітрі. Але і це тільки намацування істини. Зрозуміти до кінця причини виникнення ленгмюрівських циркуляцій абсолютно необхідно. Але сам механізм перемішування в діяльному шарі океану нам в цілому вже тепер зрозумілий. Не безладна турбулентність, а впорядковані конвективно-дрейфові процеси відіграють тут головну роль.

На жаль, про те, як відбувається перемішування в глибинних шарах, ми знаємо дуже мало. Раніше вважалося, що тут теж «панує» турбулентність. У ті зовсім недалекі часи ми вимірювали температуру і солоність води тільки на окремих горизонтах. І, поєднуючи точки – значення температури на глибині 100 метрів, 200, 300, 1000, 2000… – отримували криві вертикального розподілу температури.

Пам’ятаю, як мене, студента, вчили:
– Не можна з’єднувати точки ламаною. Ти повинен накреслити плавну криву. У глибинах немає і не може бути стрибків…

Але скачки існують! Ми побачили їх, коли з’явилися зонди, які дали нам безперервну криву від дна до поверхні.

Виявилося, що океан найбільше нагадує торт «наполеон». Він складається з безлічі окремих майже однорідних шарів товщиною від декількох сантиметрів до дециметрів і десятків метрів. Шари розділені «кремом» – тонкими прошарками, в яких температура, солоність і інші показники різко, стрибкоподібно змінюються.

При такій переслоїності турбулентність може виникати (якщо виникає ?) тільки всередині окремих однорідних шарів. Але в цілому тепло переноситься якимись іншими механізмами. Якими? Поки ми можемо тільки будувати здогади.

Так чи інакше, ломка усталених уявлень в океанології вже відбулася.

Автор: А. Шумілов.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *