Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Поверхностный слой – слой турбулентной жидкости, наиболее подверженный воздействию взаимодействия с поверхностью.
Layer of a turbulent fluid affected by interaction with a surface
Поверхностный слой – это слой турбулентной жидкости, наиболее сильно испытывающий влияние твердой поверхности или границы раздела между газом и жидкостью, где характеристики турбулентности зависят от расстояния до этой границы. Поверхностные слои характеризуются большими нормальными градиентами касательной скорости и большими градиентами концентрации любых веществ (температуры, влажности, осадка и т.д.), переносимых к или от границы. Термин "пограничный слой" используется в метеорологии и физической океанографии. Атмосферный поверхностный слой – это нижняя часть атмосферного пограничного слоя (обычно нижние 10%, где применим логарифмический профиль ветра). Океан имеет два поверхностных слоя: придонный, расположенный непосредственно над морским дном, и морской поверхностный слой, на границе раздела воздуха и моря.
The surface layer is the layer of a turbulent fluid most affected by interaction with a solid surface or the surface separating a gas and a liquid where the characteristics of the turbulence depend on distance from the interface. Surface layers are characterized by large normal gradients of tangential velocity and large concentration gradients of any substances (temperature, moisture, sediments et cetera) transported to or from the interface. The term boundary layer is used in meteorology and in physical oceanography. The atmospheric surface layer is the lowest part of the atmospheric boundary layer (typically the bottom 10% where the log wind profile is valid). The ocean has two surface layers: the benthic, found immediately above the sea floor and the marine surface layer, at the air sea interface.
Поверхностный слой в океанографии
Поверхностный слой изучается в океанографии, поскольку как напряжение ветра, так и воздействие поверхностных волн могут вызывать турбулентное перемешивание, необходимое для его формирования. Мировой океан состоит из множества различных водных масс, каждая из которых обладает специфическими температурными и солевыми характеристиками, обусловленными местом их образования. После формирования в определенном источнике водная масса перемещается на значительное расстояние посредством крупномасштабной океанской циркуляции. Обычно течение воды в океане описывается как турбулентное (то есть оно не следует по прямым линиям). Водные массы могут перемещаться по океану в виде турбулентных вихрей или пакетов воды, как правило, вдоль поверхностей постоянной плотности (изопикнических), где затраты энергии минимальны. При взаимодействии турбулентных вихрей различных водных масс происходит их смешение. При достаточном смешении достигается определенное стабильное равновесие и формируется перемешанный слой. Турбулентные вихри также могут возникать из-за напряжения ветра, оказываемого атмосферой на океан. Этот вид взаимодействия и перемешивания, обусловленного плавучестью на поверхности океана, также играет роль в формировании поверхностного перемешанного слоя.
The surface layer is studied in oceanography, as both the wind stress and action of surface waves can cause turbulent mixing necessary for the formation of a surface layer. The world's oceans are made up of many different water masses. Each have particular temperature and salinity characteristics as a result of the location in which they formed. Once formed at a particular source, a water mass will travel some distance via large scale ocean circulation. Typically, the flow of water in the ocean is described as turbulent (i. e. it doesn't follow straight lines). Water masses can travel across the ocean as turbulent eddies, or parcels of water usually along constant density (isopycnic) surfaces where the expenditure of energy is smallest. When these turbulent eddies of different water masses interact, they will mix together. With enough mixing, some stable equilibrium is reached and a mixed layer is formed. Turbulent eddies can also be produced from wind stress by the atmosphere on the ocean. This kind of interaction and mixing through buoyancy at the surface of the ocean also plays a role in the formation of a surface mixed layer.
Расхождения с традиционной теорией
Логарифмический профиль потока давно наблюдается в океане, но недавние высокочувствительные измерения выявили подслой в поверхностном слое, где турбулентные вихри усиливаются под воздействием поверхностных волн. Становится все более очевидным, что поверхностный слой океана недостаточно точно моделируется как взаимодействующий с "стеной" воздушного и морского взаимодействия. Наблюдения за турбулентностью в озере Онтарио показывают, что в условиях обрыва волн традиционная теория значительно недооценивает производство турбулентной кинетической энергии в поверхностном слое. Ночью поверхность океана охлаждается, поскольку атмосферная циркуляция ослабевает из-за изменения теплового баланса с заходом солнца. Холодная вода менее плавуча и опускается. Этот эффект плавучести приводит к переносу водных масс на большие глубины, даже ниже, чем те, которые достигаются днем. В течение следующего дня вода на глубине стратифицируется или не перемешивается из-за потепления поверхности моря и плавучести, поднимающей нагретую воду вверх. Весь цикл повторяется, и вода перемешивается в течение следующей ночи. В целом, поверхностный смешанный слой занимает лишь первые 100 метров океана, но может достигать 150 м к концу зимы. Суточный цикл не оказывает существенного влияния на глубину смешанного слоя по сравнению с сезонным циклом, который вызывает гораздо более значительные изменения температуры поверхности моря и плавучести. Используя несколько вертикальных профилей, можно оценить глубину смешанного слоя, задав определенную температуру или разницу плотности воды между наблюдениями с поверхности и с глубины океана – этот метод известен как "пороговый метод". Однако этот суточный цикл оказывает иное влияние в средних широтах, чем в тропических. Тропические регионы реже, чем регионы средних широт, имеют смешанный слой, зависящий от суточных изменений температуры. В одном исследовании изучалась суточная изменчивость глубины смешанного слоя в западной экваториальной части Тихого океана. Результаты показали отсутствие существенных изменений глубины смешанного слоя в зависимости от времени суток. Значительные осадки в этом тропическом регионе приводят к дальнейшей стратификации смешанного слоя. Другое исследование, посвященное центральной экваториальной части Тихого океана, выявило тенденцию к увеличению глубины смешанного слоя в ночное время. Было показано, что на экстратропический или смешанный слой средних широт суточная изменчивость оказывает большее влияние, чем на результаты двух исследований тропических океанов. В ходе 15-дневного исследования в Австралии суточный цикл смешанного слоя повторялся последовательно, с ослаблением турбулентности в течение дня.
The logarithmic flow profile has long been observed in the ocean, but recent, highly sensitive measurements reveal a sublayer within the surface layer in which turbulent eddies are enhanced by the action of surface waves. It is becoming clear that the surface layer of the ocean is only poorly modeled as being up against the "wall" of the air sea interaction. Observations of turbulence in Lake Ontario reveal under wave breaking conditions the traditional theory significantly underestimates the production of turbulent kinetic energy within the surface layer. During the nighttime, the surface ocean cools because the atmospheric circulation is reduced due to the change in heat with the setting of the sun each day. Cooler water is less buoyant and will sink. This buoyancy effect causes water masses to be transported to lower depths even lower those reached during daytime. During the following daytime, water at depth is restratified or un mixed because of the warming of the sea surface and buoyancy driving the warmed water upward. The entire cycle will be repeated and the water will be mixed during the following nighttime. In general, the surface mixed layer only occupies the first 100 meters of the ocean but can reach 150 m in the end of winter. The diurnal cycle does not change the depth of the mixed layer significantly relative to the seasonal cycle which produces much larger changes in sea surface temperature and buoyancy. With several vertical profiles, one can estimate the depth of the mixed layer by assigning a set temperature or density difference in water between surface and deep ocean observations – this is known as the “threshold method”. However, this diurnal cycle does not have the same effect in midlatitudes as it does at tropical latitudes. Tropical regions are less likely than midlatitude regions to have a mixed layer dependent on diurnal temperature changes. One study explored diurnal variability of the mixed layer depth in the Western Equatorial Pacific Ocean. Results suggested no appreciable change in the mixed layer depth with the time of day. The significant precipitation in this tropical area would lead to further stratification of the mixed layer. Another study which instead focused on the Central Equatorial Pacific Ocean found a tendency for increased depths of the mixed layer during nighttime. The extratropical or midlatitude mixed layer was shown in one study to be more affected by diurnal variability than the results of the two tropical ocean studies. Over a 15 day study period in Australia, the diurnal mixed layer cycle repeated in a consistent manner with decaying turbulence throughout the day.