Почему возникают пленки? Ответ первый и простой, но не всегда пригодный

В 1972 г. в МГУ защищал кандидатскую диссертацию А. В. Шумилов. Докладчик не говорил ничего нового, он перечислял известные истины, показывал рисунки из учебников. По мере доклада росло недоумение в зале. Время истекало. Когда же раскроется новый смысл в перечислении известных фактов? Это было похоже на затяжной прыжок парашютиста.

А факты были такие. В воду океана входит из атмосферы в среднем такой же по величине поток тепла, какой выходит из воды, ~295 кал/(см²xсутки), или ~4 Вт/м². Около 51% выходящего потока приходится на испарение, которое связано с потерей тепла в самой верхней микроскопической пленке воды; 42% потерь занимает длинноволновое тепловое излучение воды, оно также забирает тепло из тонкого слоя много меньше 1 мм; наконец последние 7% уходящего потока приходятся на контактный теплообмен, осуществляющийся путем соударения молекул воды и воздуха, - эту потерю, как и остальные статьи расхода, также несут самые верхние микрослои воды.

С притоком тепла дело обстоит по-другому. Верхний сантиметр воды поглощает около 20% входящей в воду радиации, остальная лучистая энергия проникает в более глубокие слои и трансформируется там в тепло.

Таким образом (и здесь начинается раскрытие парашюта), в верхнем сантиметровом слое воды в процессе теплообмена с атмосферой расход тепла превышает приход в среднем на 80%, что соответствует дефициту примерно 200 кал/(см²-сутки), или ~3 Вт/см². Так происходит формирование поверхностной холодной пленки океана - процесс закономерный и глобальный. Похожие мнения ученые высказывали и раньше, но надо было завершить логическую модель и показать, как ведет себя потом пленка, которая, как мы помним, образуется всего за несколько секунд, почему она не тонет и как устанавливается динамическое равновесие верхних горизонтов воды.

Согласно лабораторным опытам и математическим расчетам, судьба у пленки складывается следующим образом. Пленка непрерывно возникает и разрушается. Разрушается путем^разрыва на отдельные куски и стягивания кусков силой поверхностного натяжения в капли. При этом поверхностное натяжение существует не только между водой и воздухом, но и между водами разной температуры, т. е. между пленкой и подстилающей поверхностью воды. Около 1 см³ объема, стягиваясь, отрывается от поверхности и погружается в виде струйки диаметром примерно 0,5 см со скоростью 0,2 см/с до глубины 25-50 см. Явление микроконвекции в лабораторных условиях подтверждали фотографии и киносъемка. При этом погружающиеся объемы тяжелой подкрашенной жидкости вращались [Черноусько, Шумилов, 1971].

Серия других важных исследований пленки нашла завершение в работе А И. Гинзбурга и К. Н. Федорова [1978], получивших полуэмпирические формулы для расчета поверхностных и придонных термических пленок по скорости теплообмена.

В. С. Лаворко, регистрируя специальным самописцем тонкую структуру воды у поверхности в Черном море, обнаружил, что коэффициент теплопроводности в интервале глубин от 2 до 25 см линейно возрастает в 50 раз. Известно, что различные коэффициенты обмена - теплом (коэффициент теплопроводности), количеством движения (коэффициент вязкости), растворенным веществом (коэффициент диффузии)-связаны друг с другом и возрастают с усилением перемешивания, которое можно назвать самодиффузией воды. Основываясь на этом, А. В. Шумилов [1976] предположил, что коэффициент вязкости уменьшается с приближением к поверхности приблизительно так же быстро, как коэффициент теплопроводности. Но это должно иметь большие последствия для структуры ветрового течения в поверхностном слое. Чем меньше трение между двумя движущимися друг над другом слоями воды, тем больший относительный вес приобретает сила Кориолиса и тем сильнее она будет отклонять вовлекаемый в движение трением нижний слой воды вправо от верхнего слоя. И эпюра ветрового течения увеличит свой разворот с приближением к поверхности моря. В математическом решении, по которому выполнен рис. 19, заложено условие слипания поверхностных пленок вода - воздух и совпадение скорости и направления их движения.

Рис. 19. Направление и скорость ветрового течения с интервалами 5 см по глубине по математической модели А В. Шумилова (1976).