Кафедра термогидромеханики океана МФТИ
преподаватель: Зацепин Андрей Георгиевич доктор физико-математических наук
Цель курса
- формирование базовых знаний по геофизической гидродинамике и лабораторному моделированию физических процессов для использования в областях и дисциплинах естественнонаучного профиля;
- формирование исследовательских навыков и способности применять знания на практике.
Задачи курса
- дать студентам базовые знания в области геофизической гидродинамики;
- обучить студентов азам лабораторного моделирования физических процессов.
Содержание курса, структурированное по темам (разделам)
- Введение в предмет
Историческая справка. Различные подходы к лабораторному моделированию.
Содержание лекций курса, цель курса. 4 основных раздела курса, группы экспериментов (ОНЖ, СНЖ, ОВЖ, СВЖ). - Теория подобия, Pi-теорема
Моделирование с использованием критериев подобия (воспроизведение отношений действующих сил) - Автомодельность, степенные законы
Автомодельность, степенные законы. - Свободная тепловая конвекция
Свободная тепловая конвекция. Задача Релея. Вывод числа Релея. - Закономерности свободной конвекции
Вывод числа Нуссельта. - Термический погранслой океана и первичные масштабы конвекции
Тепловой баланс на поверхности океана. Решение уравнения теплопроводности.
Лабораторный эксперимент: Исследование теплого и холодного погранслоев у границы раздела вода-воздух, процессов свободной и вынужденной (ветровой) конвекции. Задачи эксперимента.
Теплый пограничный слой. Решение уравнения теплопроводности с граничными и начальными условиями.
Холодный пограничный слой. Черты свободной конвекции (теневые изображения). Результаты лабораторных эспериментов. Проверка зависимости числа Нуссельта от числа Релея, оценка толщины термического погранслоя и времени перемежаемости свободной конвекции. Вертикальная скорость термиков. Неустойчивость Релея-Тейлора и иерархия масштабов конвекции.
Лабораторный эксперимент: Конвекция Релея-Тейлора в переворачивающемся бассейне. - Вынужденная конвекция
Определение, причины возникновения.
Лабораторный эксперимент: Экспериментальные исследования вынужденной конвекции. - Проникающая конвекция
Проникающая вынужденная конвекция и ее роль в формировании верхнего квазиоднородного слоя (ВКС)
Лабораторный эксперимент: Закономерности формирования ВКС при возбуждении турбулентности колеблющимися решетками в линейно-стратифицированной жидкости. - Формирование ВКС
Формирование ВКС при развитии проникающей термической конвекции в линейно-стратифицированном по температуре слое. Экспериментальная оценка коэффициента вовлечения. - Методы создания стратификации
Методы создания стратификации. - Турбулентное вовлечение в СЖ
Турбулентное вовлечение в СЖ. Моделирование процесса формирования ВКС в океане вследствие волно-ветрового турбулентного перемешивания. Методы турбулентного перемешивания в лабораторных условиях. Перемешивание с помощью колеблющихся решеток: результаты эксперимента. Перемешивание с помощью тангенциального сдвига скорости, приложенного к поверхности жидкости: результаты эксперимента. Синтез результатов исследования закономерностей турбулентного вовлечения в СЖ. - Выхолаживание и углубление ВКС на Черном море
Выхолаживание и углубление ВКС на Черном море при «норд-осте» вследствие турбулентного вовлечения: описание феномена и выполненных наблюдений. Выхолаживание и углубление ВКС за счет турбулентного вовлечения. Временной ход скорости ветра: формулировка модели. Проверка модели турбулентного вовлечения Като-Филлипса.
Сезонный цикл в океане.
Лабораторный эксперимент: Лабораторное моделирование процесса формирования сезонного термоклина. - Процессы внутреннего перемешивания
Процессы внутреннего перемешивания. Изучение внутреннего перемешивания на примере Черного моря. Причины внутреннего перемешивания. Механическое перемешивание в линейно-стратифицированной жидкости (ЛСЖ), неустойчивость («слоистость») турбулентности: результаты эксперимента. Расслоение сдвигового стратифицированного течения. Теоретическое обоснование расслоения. - Дифференциально-диффузионная (Д-Д) конвекция
Дифференциально-диффузионная (Д-Д) конвекция: причины возникновения. Два режима Д-Д конвекции: «Солевые пальцы» и «Диффузия». Режим солевых пальцев - натурные наблюдения. Режим солевых пальцев в лаборатории.
Потоки тепла и соли в режиме «солевых пальцев». Режим «диффузия» - натурные наблюдения. Чем определяется масштаб ступеньки при Д-Д конвекции в режиме «диффузия»? Потоки через диффузионную границу раздела.
Лабораторный эксперимент: Плавучая (теплая) струя в однородной и стратифицированной по солености жидкости. - Внутриводное ледообразование
Внутриводное ледообразование за счет двойной диффузии. Внутриводный лед (ВЛ) в натурных условиях.
Лабораторный эксперимент: ВЛ в лабораторных условиях.
Лабораторный эксперимент: ВЛ в лабораторных условиях в ламинарной водной среде.
Лабораторный эксперимент: Исследование тепло-массообмена через плотностную границу раздела между двумя турбулентными слоями.
Три режима тепло-массообмена через плотностную границу раздела между турбулентными слоями: молекулярный, молекулярно-турбулентный, турбулентный. Закономерности тепло-массообмена между слоями. Внутриводный лед в турбулентной двуслойной среде. Модель внутриводного ледообразования при турбулентно-молекулярном режиме обмена между перемешиваемыми слоями. Оценки скорости ВЛ согласно расчетам по модели. - Интрузионные процессы
Интрузионные процессы в стратифицированной жидкости. Механизмы формирования интрузий.Тонкая термохалинная структура вод океана и ее интрузионное происхождение. - Локальное перемешивание и коллапс - растекание перемешанных пятен
Локальное перемешивание (обрушение внутренних волн, сдвиговая неустойчивость течения) и коллапс - растекание перемешанных пятен. Условия перемешивания. Исследование тонкой структуры и турбулентности в черноморском антициклоническом вихре. Вертикальное распределение температуры и температурных флуктуаций - «тонкой структуры» на станциях разреза в Черном море через антициклонический вихрь.
Лабораторный эксперимент: Воспроизведение механизма локального перемешивания СЖ за счет сдвиговой неустойчивости течения и обрушения коротких внутренних волн (ВВ). - Коллапс не полностью перемешанных пятен
Коллапс перемешанных пятен: ускоренная инерционная стадия растекания. Схема коллапса локально перемешанных пятен. Коллапс перемешанных пятен: модель Баренблатта для вязкой стадии растекания симметричного пятна.
Лабораторный эксперимент: Исследование процесса коллапса осесимметричного перемешанного пятна.
Растекание перемешанного пятна в ЛС (результаты эксперимента на теневых фотографиях). Закон растекания перемешанного пятна в ЛСЖ - «0.1». Осесимметричная вязкая интрузия с постоянным притоком в ЛСЖ: автомодельное решение.
Лабораторный эксперимент: Исследование осесимметричной интрузии с постоянным притоком в ЛСЖ.
Осесимметричная интрузия в ЛСЖ: результаты эксперимента. Экспериментальные закономерности растекания осесимметричных интрузий. Экспериментальная зависимость радиуса интрузии от времени в безразмерном (автомодельном) виде.Д-Д симметричная интрузия в ЛСЖ.
Лабораторный эксперимент: Д-Д интрузионное расслоение на термохалинных фронтах.
Коллапс стратифицированных пятен в ЛСЖ (концептуальная схема). Коллапс стратифицированных и однородных пятен в ЛСЖ. Закономерности коллапса стратифицированных пятен. - Плотностные течения на наклонном дне и их взаимодействие с пикноклином
Описание ПТ. Типы и причины образования ПТ, примеры. Безразмерные параметры.
Лабораторный эксперимент: Исследование скорости и толщины ПТ на наклонном дне от определяющих масштабов задачи.
Динамика ПТ с постоянным притоком в невращающейся жидкости. Режимы ПТ. Результаты эксперимента. - Турбулентные ПТ на наклонном дне в однородной жидкости
Лабораторный эксперимент: Опыты с турбулентными ПТ.
Экспериментальное подтверждение автомодельности процесса распространения ПТ. Результаты обработки данных оптического датчика. - Взаимодействие ПТ со скачком плотности
Взаимодействие ПТ со скачком плотности (резким пикноклином).
Результаты опытов. Приложение результатов опытов к черноморским условиям. Численные эксперименты с ПТ в двуслойной жидкости на XZ-модели. Примеры расчетов. - Примеры влияния вращения Земли на динамику вод океана
Примеры влияния вращения Земли на динамику вод океана. Параметр Кориолиса. Однородная вращающаяся жидкость - ОВЖ. Основные уравнения для ОВЖ. Уравнения динамики в безразмерном виде: основные параметры подобия. - Инерционные колебания
Инерционные колебания. Аналогия со свободными колебаниями в стратифицированной жидкости. Лагранжевые дрифтеры со спутниковой связью как средство исследования динамики ВКС. Дрифтерные данные: спектр компонент лагранжевой скорости течений в Черном море. Проявление инерционных колебаний на траектории движения дрифтера верхнего слоя в Черном море. Вертикально однородные (баротропные) вихревые структуры в ОВЖ - аналог плотностных интрузий - Потенциальный вихрь
Определение потенциального вихря и условие его сохранения.
Вихревые колонки Тейлора-Праудмена как пример стремления к вертикальной однородности (двумерности) течения в ОВЖ. - Эффекты трения - экмановский
Эффекты трения - экмановский пограничный слой. Интегральный экмановский перенос. Вывод формул.
Лабораторный эксперимент: Спин-ап в круглом бассейне на вращающейся платформе.
Влияние придонного трения на динамику баротропного вихря-интрузии над горизонтальным дном. Свободная конвекция во вращающейся жидкости. Зависимость критического числа Релея от числа Тейлора - Влияние параметра Кориолиса с широтой на динамику вод океана
Влияние изменения параметра Кориолиса с широтой (планетарного бета-эффекта) на динамику вод океана: свободные колебания - волны Россби-Блиновой. Вихри-интрузии в ОВЖ при наличии бета-эффекта.
Лабораторный эксперимент: Исследование механизма формирования автоколебаний на примере с баротропным вихрем-интрузией на наклонном дне в ОВЖ.
Бета-эффект как основной механизм формирования асимметрии общей циркуляции вод океана (интенсивных западных пограничных течений). Асимметрия общей циркуляции ОВЖ над наклонным дном в лабораторном бассейне.
Влияние планетарного бета-эффекта на динамику вод океана: свердруповский баланс. Экмановская накачка циркуляции в ОВЖ. - Стратифицированная вращающаяся жидкость (СВЖ)
Стратифицированная вращающаяся жидкость (СВЖ). Геострофический баланс: уравнения. - Экмановская накачка циркуляции в СВЖ
Экмановская накачка циркуляции в СВЖ. Бароклинная неустойчивость океанских течений, формирование меандров и мезомасштабных вихрей. - Гидрологическая структура Черного моря
Гидрологическая структура Черного моря. Крупномасштабная циркуляция и мезомасштабная динамика вод Черного моря. - Геострофические течения, возбуждаемые положительной экмановской накачкой в двуслойной жидкости
Геострофические течения, возбуждаемые положительной экмановской накачкой в двуслойной жидкости.
Лабораторный эксперимент: моделирование влияния периодически изменяющейся экмановской накачки на режим течений в двуслойной вращающейся жидкости. - Определяющие безразмерные параметры для Черного моря и лабораторной модели
Определяющие безразмерные параметры для Черного моря и лабораторной модели. Развитие неустойчивости прибрежного течения, возбуждаемого экмановской накачкой на стадии его релаксации.
Влияние изменчивости экмановской накачки на Основное черноморское течение и мезомасштабную вихревую динамику.
Экмановская накачка: сильная и слабая.
Основная литература
- Кошляков М.Н., Тараканов Р.Ю. Введение в физическую океанографию: Учеб. Пособие. – М. : МФТИ, 2014. – 142 с.
- Тернер Дж. Эффекты плавучести в жидкости. – М.: "Мир", 1977. – 431 с.
- Stewart, R. Introduction to physical oceanography. – Texas A&M University, 2005. 346 p.
- Гилл А. Динамика атмосферы и океана. Т.1./пер. с англ. М. : Мир. 1986. 397 с.
Учебно-методические материалы для самостоятельной работы
- Аверкиев А.С., Беликова Г.И., Белянцев М.А., Каган Б.А., Плинк Н.Л. Взаимодействие океана с атмосферой (лабораторный практикум). – Л. : Гидрометеоиздат, 1989. – 200с.
- Доронин Ю.П., Лукьянов С.В. Лабораторные работы по физике океана. Санкт-Петербург: Изд-во РГГМИ, 1993. — 87 с.
Дополнительная литература
- Федоров К.Н. Тонкая термохалинная структура вод океана. – Л.: Гидрометеоиздат, 1976. – 184 с.
- Pacanowski R.C., Philander S.G.H. Parameterization of vertical mixing in numerical models of tropical oceans // J. Phys. Oceanogr. 1981. V.11. №11. P.1443-1451.
Перечень ресурсов, необходимых для освоения дисциплины
- Электронная библиотека Физтеха: http://lib.mipt.ru/
- Сайт сети публикации геоданных и данных по окружающей среде: http://www.Pangaea.de
- Сайт ЕСИМО: http://www.data.oceaninfo.ru
- Коллекции исходных данных для Ocean Data View: атлас Мирового океана изд. Левитуса 2004г, коллекция исторических данных Rayd-Mantyla, доступны на сайте Полярного университета им. А.Вегенера http://odv.awi.de
- Сайт научной океанографической литературы: http://www.oceanographers.ru
- Сайт научной океанографической литературы http://www.sci-hub.org
