Вихри подо льдом в Экмановском пограничном слое с приложением к феномену гигантских ледовых колец Байкала
Подледные гидрологические измерения течений и термической структуры вод в районе колец. Рассмотрение антициклонического геострофического вихря и слоя Экмана над ним у льда. Анализ появления интенсивных горизонтальных и вертикальных движений воды.
| Рубрика | Геология, гидрология и геодезия |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 24.10.2018 |
| Размер файла | 923,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
ФЕНОМЕН: «ЗАГАДОЧНЫЕ ЛЕДОВЫЕ КОЛЬЦА БАЙКАЛА»
Институт водных проблем РАН
Доклад на Конференции
«ВИХРИ ПОДО ЛЬДОМ В ЭКМАНОВСКОМ ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ С ПРИЛОЖЕНИЕМ К ФЕНОМЕНУ ГИГАНТСКИХ ЛЕДОВЫХ КОЛЕЦ БАЙКАЛА»
Зырянов В.Н.
Кураев А.В.
В 2009 году по спутниковым снимкам впервые были обнаружены на льду Байкала гигантские кольца в ледовом покрове [1]. И в последующие годы такие кольца регулярно фиксировались на спутниковых снимках на льду Байкала. Внимательное изучение космических снимков за предыдущие годы показало, что кольца на снимках фиксировались даже раньше, начиная с 1970-х гг. [2]. Причем аналогичные кольца были зафиксированы также в разные годы (начиная с 1975) на озере Хубсугул в Монголии [2]. Кольца имеют практически круглую форму в диаметре 5 - 7 км, с шириной самого кольца более темного и более тонкого льда порядка 1 км. Конечно, образования таких гигантских размеров можно было увидеть только со спутников. По кольцу лед тонкий, может составлять 20 - 30 см и менее и представляет опасность для людей и машин, а внутри кольца и вне его лед толстый до метра толщины и белый (рис. 1).
Подледные гидрологические измерения течений и термической структуры вод в районе колец показали [2], что в геострофической области озера под кольцом находится антициклонический вихрь, который и доставляет более теплую глубинную воду к нижней поверхности льда, что и приводит к вытаиванию льда снизу (рис.1) . Но вопрос, почему лед вытаивает снизу по кольцу, остается открытым. В данной работе предлагается теория этого феномена.
Рис. 1. Кольцо во льду Байкала (Слюдянка, 25.04. 2009) [2], (слева); вертикальное распределение температуры в водной толще под кольцом (Байкал, м. Нижнее Изголовье, 2012, апрель) [2], (справа).
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Таяние льда по кольцу происходит в слое Экмана, примыкающего к нижней поверхности льда. Рассмотрим антициклонический геострофический вихрь и слой Экмана над ним у льда (рис.2). Тогда в цилиндрических координатах (рис.2) для радиальной скорости течения и азимутальной в слое Экмана будем иметь выражения
,
где - азимутальная скорость в геострофическом вихре, , f -безразмерный параметр Кориолиса, - вертикальное число Экмана, - коэффициент вертикального турбулентного обмена импульсом. В компоненты скорости движения в слое Экмана (1) радиальная скорость в геострофическом вихре не входит, т.к. она равна нулю. гидрологический термический антициклонический лед
Будем рассматривать однородную по плотности жидкость. Зададим структуру антициклонического геострофического вихря в виде топографического вихря [ 3, 4]. На самом деле, как показали наблюдения над местами появления колец на Байкале, кольца, как правило, появляются в углах каньонов и пока гидродинамика их образования не совсем ясна. Оставляя пока на данный момент в стороне причины образования геострофических вихрей, сосредоточимся на динамике течений в слое Экмана. Будем считать, что кинематика геострофических вихрей в Байкале аналогична кинематике топографических вихрей. Заметим, что те и другие одного типа - антициклонические.
Рис. 2. К постановке задачи: 1 - геострофический антициклонический вихрь; 2 - круговой цилиндрический слой Стьюартсона, 3 - подледный слой Экмана, 4 - дно, 5 - лед.
Для азимутальной скорости в геострофическом вихре радиуса будем иметь выражение [3, 4]:
где - интенсивность вихря, , - планетарный параметр, - бета-эффект, L - размерный радиус вихря, - характерная скорость течения, - Бесселевы функции мнимого аргумента 1-го порядка.
Для вертикальной скорости имеем выражение из уравнения неразрывности в цилиндрических координатах:
Принимая во внимание, что в силу радиальной симметрии , будем иметь из (3)
Подставляя из (1) в (4) и интегрируя по z от нижней границы льда z = 0 до горизонта z, получим
.
Из (2) следует, что
где - Бесселевы функции мнимого аргумента порядка 0, - Бесселевы функции мнимого аргумента порядка 2.
Зная теперь , и , можно вычислить трехмерную структуру течения в подледном пограничном слое Экмана, генерируемую геострофическим вихрем.
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 3 приведено поле скоростей (,) в радиальной плоскости .
Рис. 3. Векторное поле безразмерных скоростей (,) в вертикальной плоскости ( r = 5 - боковая граница геострофического вихря), (левый рисунок); более детальное поле скоростей (,) в вертикальной плоскости в зоне пересечения слоя Стьюартсона с подледным слоем Экмана ( r = 8 - боковая граница геострофического вихря), (правый рисунок).
Видно, что по внутренней области слоя Стьюартсона идет подъем теплых глубинных вод в слой Экмана. Наиболее интенсивные горизонтальные и вертикальные движения воды происходят в экмановском слое в зоне пересечения этих слоев (рис. 4).
Рис. 4. Измеренные скорости течений подо льдом по разрезам через зону ледового кольца вблизи м. Нижнее Изголовье (Байкал, 2014, 3 апреля), [ 2], (левый рисунок); рассчитанные скорости течения в слое Экмана подо льдом (рисунок справа).
Итак, можно сделать основной вывод - вытаивание льда снизу в виде кольца обусловлено формированием слоя Стьюартсона на боковой поверхности геострофического вихря и генерации им кольцевого дивергентного вихря в слое Экмана подо льдом.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (Грант 16-05-00209, ИВП РАН, Зырянов В.Н.); грантов (Кураев А.В.) - ERA.NET RUS Plus S&T #226 “ERALECC”, CNES TOSCA "LakeIce", CNRS PICS "BaLaLaICA", Toulouse Arctic Initiative, RFBR 13-05-91051, GDRI "Car-Wet-Sib", RFBR-RGO 17-05-41043-RGO-а, IDEX InHERA; темы Госбюджета № 149-2018-0003 (ИО РАН, Костяной А.Г.) «Механизмы формирования циркуляционных структур Мирового океана: ключевые процессы в пограничных слоях и их роль в динамике океана на основе экспедиционных исследований, дистанционного зондирования, численного и лабораторного моделирования».
Литература
1. Granin N.G. 2009. The ringed Baikal. Science from First Hands, 3, pp. 22 - 23 (in Russian).
2. Kouraev A.V., Zakharova E.A., Rйmy F., Kostianoy A.G., Shimaraev M.N., Hall N.M.J., Suknev A.Ya., 2016. Giant ice rings on Lakes Baikal and Hovsgol: inventory, associated water structure and potential formation mechanism. Limnology and Oceanography, 61, p. 1001-1014, doi: 10.1002/lno.10268.
3. McCartney M.S. 1975. Inertial Taylor columns on a beta-plane. J. Fluid Mech., v. 68, 1, pp. 71 - 96.
4. Zyryanov V.N. 1985. The Steady Ocean Current Theory. Gidrometeoizdat, St-Petersburg, 248 p. (in Russian).
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Поверхностные, глубинные и сверхглубинные тектонические движения в осадочном слое литосферы, в астеносфере, в низах мантии; их соподчиненность, периодичность; тектогенез. Классификация, свойства, методы изучения вертикальных и горизонтальных движений.
реферат [32,1 K], добавлен 12.05.2011История развития теодолита, его классификация, основные параметры и размеры. Принципиальная схема устройства теодолита. Горизонтальный круг, отсчетные устройства, зрительные трубы, уровни. Измерение и погрешности горизонтальных и вертикальных углов.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 30.04.2014Ознакомление с основными условиями формирования льда. Метеорологический расчет даты появления льда на реках, критической температуры образования ледостава, даты вскрытия ледяного покрова. Правила практического применения метода Госкомгидромета СССР.
презентация [81,3 K], добавлен 16.10.2014Виды и принципы действия тахеометра - геодезического инструмента для измерения расстояний, горизонтальных и вертикальных углов. Применение электронных тахеометров для производства тахеометрической съемки. Обработка результатов измерений, производители.
презентация [291,2 K], добавлен 05.03.2015Современные познания в области законов турбулентных течений. Корреляционные и структурные функции. Определение пространственных корреляционных и структурных функций по данным наблюдений. Характеристики приземного слоя. Спектр турбулентных пульсаций.
курсовая работа [2,4 M], добавлен 26.12.2013Характеристика назначения, устройства и особенностей применения теодолита - наиболее распространенного угломерного инструмента, получившего широкое применение при лесных съемках. Измерения горизонтальных проекций углов, вертикальных углов и расстояний.
презентация [446,1 K], добавлен 19.02.2011Теодолит - прибор для измерения горизонтальных и вертикальных углов. Особенности проведения теодолитной съемки, конструкция теодолитов и подготовка их к работе. Съемка ситуации местности. Теодолитный ход. Создание рабочего геодезического обоснования.
презентация [716,1 K], добавлен 19.04.2017Геодезические приборы для измерения горизонтальных и вертикальных углов. Изучение основных частей, деталей и осей теодолита. Выполнение необходимых геометрических условий. Устройство цилиндрического уровня. Принципы отсчетного устройства теодолита Т30.
лабораторная работа [749,4 K], добавлен 10.07.2011Метеорологические и гидрологические условия, система течений моря Лаптевых, данные об особенностях плавания в районе запланированных работ. Состав работ и применяемое оборудование для данных навигационно-геодезического обеспечения района исследования.
дипломная работа [3,1 M], добавлен 11.09.2011Маркшейдерские работы при проведении выработок встречными забоями. Сбойка горизонтальных, наклонных и вертикальных выработок, проводимых в пределах одной шахты, между двумя и в лабораторных условиях. Предрасчёт погрешности смыкания встречных забоев.
курсовая работа [834,5 K], добавлен 12.05.2015Рассмотрение составных частей Государственного земельного кадастра. Изучение устройства, назначения и особенностей применения теодолитов типа Т30, 2Т30, 2Т5К. Методы измерения и построения горизонтальных углов с помощью экерпа, мензулы и теодолита.
контрольная работа [4,7 M], добавлен 31.01.2010Сущность угловых геодезических измерений. Обзор и применение оптико-механических и электронных технических теодолитов для выполнения геодезической съемки. Принципы измерения горизонтальных и вертикальных углов, особенности обеспечения высокой их точности.
курсовая работа [241,6 K], добавлен 18.01.2013Приборы для измерение расхода открытых потоков. Интеграционные измерения с движущегося судна. Измерение расходов воды с использованием физических эффектов. Градуирование вертушек в полевых условиях. Измерение расхода воды гидрометрической вертушкой.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 16.09.2015Геологические условия в зоне строительства тоннелей. Анализ колец тоннеля с подробным анализом точности деформационных характеристик применительно к метрополитену г. Тегеран. Методика ориентирования подземных геодезических сетей способом двух шахт.
автореферат [166,7 K], добавлен 08.01.2009Физико-географическая и гидрологическая характеристика бассейна реки Дон. Антропогенное воздействие на Донской бассейн. Использование вод и структура планируемого водохозяйственного комплекса. Гидрологические данные гидрографа расходов воды в реке Дон.
курсовая работа [424,8 K], добавлен 30.05.2009Характеристика работы с теодолитом 2Т30, 2Т5К и нивелиром Н3, определение погрешности измерений, порядок поверки, влиятельные факторы. Проектирование и рекнацировка, измерение вертикальных и горизонтальных углов, оценка точности полученных результатов.
отчет по практике [31,2 K], добавлен 17.09.2009Устройство, поверка и юстировка нивелира и теодолита. Измерение превышений, горизонтальных и вертикальных углов, азимутов линий. Инженерно-геодезические задачи. Нивелирование местности по квадратам; разбивка основных осей здания. Расчет границ котлована.
практическая работа [563,7 K], добавлен 06.01.2014Общие характеристики ориентирования шахты. Рассмотрение особенностей гироскопического и геометрического (через один или два вертикальных ствола) способов ориентирования. Расчет допустимого расхождения между стволами для опорных маркшейдерских сетей.
курсовая работа [393,1 K], добавлен 28.02.2015Архитектурно-конструктивный тип судна, назначение и район плавания. Анализ гидрометеорологических условий в районе и на период плавания. Навигационно-гидрографическая характеристика перехода. Учёт приливо-отливных колебаний уровня моря и течений.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 20.11.2011Коллекторские свойства продуктивных пластов. Физико-химические свойства пластовых флюидов. Конструкции горизонтальных скважин Ромашкинского месторождения. Анализ текущего состояния разработки. Выбор и проектирование профиля горизонтальной скважины.
дипломная работа [3,2 M], добавлен 19.05.2012
