Экспериментальное исследование внутренних волн в зоне Арктического шельфа

УДК 551.466.014

О.Д.ШИШКИНА

Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННИХ ВОЛН В ЗОНЕ АРКТИЧЕСКОГО ШЕЛЬФА

Выполнено лабораторное моделирование распространения внутренних волн вдоль шельфа в двуслойной жидкости. Исследованы возмущения стратифицированной жидкости, возникающие в шельфовой зоне, в зависимости от параметров стратификации и проходящей волны. Движение внутренней волны вдоль кромки шельфа может вызывать сдвиговое течение в мелководной части шельфа или генерировать трехмерные волновые возмущения, нормальные к направлению движения исходной волны.

Laboratory modelling has been carried out for internal waves propagating along the shelf in a two-layer fluid. There were studied perturbations of a stratified fluid induced in the shelf zone versus the stratification parameters and amplitudes of passing internal waves. It has been revealed that propagation of internal waves along the shelf margin may induce a shear flow in the shallow part of the shelf or generate the 3D internal wave motion normal to the direction of propagation of the initial wave system.

Внутренние волны, возникающие в результате трансформации внутренних приливных волн, являются одним из общих явлений в морях с выраженной сезонной стра-тифицикацией. Натурные наблюдения этих волн показали, что они генерируются в районах с переменным рельефом дна, таких как шельфовая зона или донные неровности. Здесь взаимодействие баротропных приливов с рельефом дна является причиной колебаний пикноклина с приливной частотой. Это явление, известное как внутренний прилив, изучено довольно подробно.

Все ранее выполненные исследования рассматривали внутренние волны, распро-

страняющиеся в стратифицированной жидкости постоянной глубины или при изменении глубины в направлении движения волны. В данной работе представлены результаты лабораторного моделирования трансформации внутренней волны в случае существенного изменения профиля дна поперек траектории ее движения (свал глубин на шельфе). Такой случай распространения внутренних волн (краевые внутренние волны) приводит к появлению трехмерных внутренних возмущений жидкости в мелководной части шельфовой зоны.

Бассейн размером L х В х Н = 12,0 х х 0,5 х 1,0 м (рис.1) заполнялся двухслой-

Pi

Р2

ys

Рис. 1. Схема экспериментальной установки 1-4 - положение видеокамер

h

s

h1

h2

1

1

1 1 Р1

. г

\

Р2

* л г

hi

Уз

Рис.2. Схема смещения границы раздела жидкостей над «глубоким шельфом»

ной жидкостью (пресная вода поверх соленой) с толщиной слоев ^ = 0,1 м и ^ = 0,615 м и соответствующими плотностями р1 = 0,999 кг/дм3 и р2 = 1,022 ± ± 0,001 кг/дм3.

Шельфовый участок высотой ^ = 0,6 м, шириной ys = 0,17 м и горизонтальным дном был смонтирован вдоль одной из стенок бассейна и имел протяженность 6,3 м. Внутренняя волна генерировалась с помощью объема пресной воды, вливаемого за короткое время на горизонт пикноклина с помощью подъемного щита, установленного в

торцевой части бассейна. Амплитуда волны определялась объемом вливаемой воды.

Траектории визуализирующих частиц фиксировались четырьмя видеокамерами, установленными напротив каждого из световых ножей. Затем выполнялась цифровая обработка видеозаписей с помощью Р1У-технологии [1] и восстанавливалось распределение поля скоростей, индуцированных на шельфе проходящей уединенной волной. Характер возмущений в слое жидкости, расположенном над шельфовым дном, зависел от заглубления пикноклина относительно шельфа.

Визуализация движений жидкости в зоне шельфа производилась с помощью частиц, имевших нейтральную плавучесть в зоне пикноклина, в вертикальной и горизонтальной плоскостях (рис.1). Движение визуализирующих частиц фиксировалось с помощью четырех видеокамер.

Внутренняя волна имела профиль соли-тона длиной X = 0,8 м с периодом т = 15 с. В ходе эксперимента варьировались амплитуда солитона а = 0,025^0,107 м и толщина нижнего слоя жидкости h2 (1,025Л1 и 1,083Л1). Такое соотношение конечных значений толщины слоев и амплитуды солитона соответствует уравнению Кортевега - де Вриза для определения нелинейных характеристик задачи.

t = 0 seconds

t = 4,8 seconds t = 9,04 seconds

14 12 10 8 6 4 2 0 2 4 6

////1 -I I ,,,,/

III,,,,

t,,„~ III/,,, Ht/,„ m/^y

Hl/SS, t!f„,/ tffAUi

и и и

il itilii

14 12 10 8 6 4 2 0 2 4 6

41111

чип

0 5 10 15

14 12 10 8 6 4 2 0 2 4 6

0 5 10 15 0 5 10 15

б 20

15

10

5

0

5 10

t = 0 seconds

t = 5,2 seconds

t = 10 seconds

.....wf/ift,,,,,

.....IlMllmm

'lllllllh.m,

20

15

10

10

20

15

10

10

Ам„|, iiniiiiiii

wSkuimillliiii,,,

MllllllM

AW,, -wlllll,

-AW... «llllllll mlllllli M.lllllll

Mllll,

MIHII

:::: ;;;

wiiii,

..........

"—чИ#/|

Willi!

Hill Ii),

«Ulllll, «Hin

««.Hill

""««-MM. nvullll,

ТГ'" «Ulli,,

'""V—lullllll

........ 11

0 20 40

0 20 40

0 20 40

h

h

2

h

а

5

5

0

0

5

5

Рис.3. Поле горизонтальных скоростей в шельфовой зоне (вид сверху): a - «мелкий» шельф; б - «глубокий» шельф

Когда пикноклин располагался в непосредственной близости от дна шельфа к2 = 1,025кл, волновые движения жидкости в пикноклине не развивались и наблюдались только в глубоководной части бассейна. На дне шельфа происходило формирование интенсивного горизонтального течения с периодом, равным периоду уединенной волны, т.е. в течение первой половины периода т/2 визуализирующие частицы смывались индуктированным течением со дна шельфа, а затем вновь возвращались на шельф из глубоководной части.

Кроме того, горизонтальный поток на шельфе разделялся на две части (рис.2), одна из которых (пристенная у < у ) имела только продольную составляющую скорости V, другая (у < у  ул) имела как продольную V, так и поперечную V компоненты. Схематичное изображение потока на шельфе (вид сверху) представлено на рис.2. Физические предпосылки генерации вторичной волновой системы следующие: зона шельфа (к* < к1) - солитон повышения; глубоководная зона (к2 > к\) - солитон понижения. Соответствующие поля горизонтальных скоростей в слое пикноклина были рассчитаны с помощью РГУ-технологии (рис.3).

В случае расположения пикноклина на удалении от дна шельфа к2 = 1,083кл волновые движения распространялись также и на шельфовую зону.

Поскольку условия внутреннего волнообразования в этом случае были различными для глубоководной и мелководной частей бассейна, теоретическое описание дальнейшего распространения волны также различается. Так как амплитуда солитона была сравнима с расстоянием от пикноклина до дна шельфа (а/к1 = 1,2), то часть набегающей волны над шельфовой зоной формировалась далее согласно теории сильнонелинейных волн (см. рис.2).

Взаимодействие двух образовавшихся волновых систем приводит к генерации третьей волновой системы. И продольное распространение солитона вдоль шельфа трансформируется в поперечную периодическую волновую систему с длиной волны

порядка ширины шельфа X* ~ ул (см. рис.3, б и 4, б).

В натурных условиях возникновение периодических прибрежных течений было исследовано у восточного побережья Флориды [3]. Выполненный в данной работе анализ многочисленных натурных наблюдений, однако, не дал адекватной интерпретации возникновения периодических течений в мелководной части шельфа. В ходе сравнения опубликованных в [3] батиметриии, гидрологии, параметров ветра, прибрежных течений и внутренних волн, автором была выявлена коррреляция между динамикой пикноклина и картиной периодических течений. В результате чего был сделан вывод о решающей роли внутренних волн в их формировании. Нагонные движения на шельф соответствуют подъему пикноклина, а сгон частиц жидкости совпадает с движением пикноклина вниз. Формирование второго цикла прибрежных течений ниже по потоку соответствует новому периоду внутренней волны.

Кроме того, в ходе экспедиций Института океанологии РАН (Москва) 2002-2004 годов было выявлено подобие механизмов генерации внутренних волн вблизи проливов Гибралтар и Карские ворота [4]. В частности, в проливах генерация внутренних волн происходит при взаимодействии внутреннего прилива с неровностью дна. Затем такие волны проходят вдоль кромки шельфа. Аналогичный механизм генерации внутренних волн наблюдается в проливе Карские ворота (рис.5-7). При этом наблюдается формирование периодических сдвиговых течений, индуцированных вертикальными волновыми смещениями пикноклина вблизи мелководной части шельфа.

Существование таких течений в случае «мелкого» шельфа строго соответствует результатам лабораторного моделирования. Вероятно, внутренние волны имеют значительную амплитуду, так как сдвиговый поток наблюдается по всей ширине шельфа, и прибрежная зона с продольной компонентой скорости у (см. рис.2) отсутствует.

о

¡3

0,4 0,2 0

-0,2 -0,4

0,6 0,4 0,2 0

-0,2

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 tc 0/к

0,2 0,1

<? 0 /

-0,1 -0,2 -0,3

0,6 0,4 0,2 0

-0,2

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0

0,5 -1

-50

0 -0,5 -1

50

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 к0/к

Рис.4. Зависимости поперечного V и продольного V компонентов горизонтальной скорости в двух соседних точках на кромке шельфа (х = 6,8 м, у = 0,17 м): а - «мелкий» шельф; б - «глубокий» шельф. Справа показаны исходные

профили солитона

71°

70°

69°

54° 55° 56° 57° 58° 59° 60° 61° Рис.5. Расстановка буев в Карских воротах [4]

z, м 110 120 130 140 150 160 170 180

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ^ с

Рис.6. Показания датчика 3

а

0

б

Явления, наблюдаемые в ходе экспериментов и выявленные с помощью визуализации возмущений в пикноклине, подтвердили наличие массообмена между шельфовой зоной и глубоководной частью моря при интенсивном перемешивании жидкости в районе кромки шельфа, вызванном прохождением внутренней волны вдоль берега. Согласно экспериментальным данным, это происходит, если амплитуда волны велика по сравнению с расстоянием от пик-ноклина до шельфового дна.

Полученные результаты могут быть использованы для решения задач, возникающих в процессе освоения шельфовой зоны, в частности при планировании расположения технологического оборудования на дне. Понимание поведения внутренних волн также необходимо при проектировании глубоководных трубопроводов. Конкретный интерес эти данные могут представлять с точки зрения экологической защиты для предотвращения распространения донных выбросов из шельфовой зоны.

Рис.7. Батиметрия зоны шельфа Карского и Баренцева морей

ЛИТЕРАТУРА

1. Морозов Е.Г. Внутренний прилив в проливе Карские ворота / Е.Г.Морозов, В.Г.Нейман, А.Д.Щербинин // ДАН. 2003. Т.393. № 5. С.688-690.

2. Properties of large-amplitude internal waves / J.Grue, A.Jensen, P.-O.Rusas, J.K.Sween // J.Fluid Mech. 1999. V.380. P.247-278.

3. Shay L.K. Submesoscale Coastal Ocean Flows Detected by Very High Frequency Radar and Autonomous Underwater Vehicles / L.K.Shay, T.M.Cook, P.E.An // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology 20 (11). 2003. Р.1583-1599.