Водолазы и автоматы изучают пограничный слой на морском дне

В конце 1960-х годов лаборатория подводных исследований Ленинградского гидрометеорологического института провела киносъемки движения воды на дне Черного моря. На ровной площадке дна на глубине 10 - 12 м снимали примыкающий к дну пограничный слой толщиной 20 см. Скорость движения воды колебалась от 1 до 18 см/с. Слой на разных уровнях подкрашивали жидкостью нейтральной плавучести.

На профилях скорости (рис. 28) у дна получили подслой толщиной около 1 см, в котором скорость изменяется линейно. Следующий 10-сантиметровый слой характеризовался наблюдателями как переходный слой возникновения и развития турбулентности. Траектории пятен красителя, построенные по последовательным кинокадрам, показали, что на ламинарном подслое возникают гребни волн, перемещающихся по течению. Из гребней вытягиваются вверх по течению окрашенные нити, образующие затем как бы ободы объемов воды, «катящихся» по ламинарному подслою со скоростью v. Объемы во время движения вращаются как твердые тела. Существование подобной формы движения воды в виде «катков» на дне естественных водоемов предполагал еще М. А. Великанов. «По-видимому, такой характер движения,- пишет В. X. Бурнашев [1971],- когда турбулентное ядро потока отделено от ламинарного подслоя вихревыми «катками», является энергетически наивыгоднейшим...»

Рис. 28. Структура течений в пограничном 20-сантиметровом слое воды у дна в Черном море, выявленная с помощью киносъемки подкрашенных струй потока [В. X. Бурнашев, 1971]. а - вертикальные профили скорости; б - траектории движения частиц (v, w - горизонтальные и вертикальные составляющие скорости; δ - толщина ламинарного слоя).

В том же году Ветерли [Weatherly, 1972] провел наблюдения за придонным пограничным слоем во Флоридском проливе на глубине 780 м. На расстоянии от дна 0,3, 0,6, 1,5, 1,9 м и далее в продолжение недели через 1,5 минуты брали отсчеты по регистраторам течений.

Автор эксперимента ставил своей целью сравнить вертикальную структуру придонного течения с моделью «планетарного пограничного слоя» (т. е. пограничного слоя на вращающейся поверхности), изложенной применительно к атмосфере А. С. Монииым. Согласно этой модели, пограничный слой атмосферы можно разделить на три части:

1) «лахминарный» подслой (преобладает молекулярная вязкость) имеет толщину

(111)

где и_* - скорость трения (см. гл. 3) v - молекулярная вязкость,

2) логарифмический слой (направление потока и сила трения не изменяются с высотой, а величина скорости возрастает по логарифмическому закону) имеет толщину, по Монину и Обухову,

(112)

где Ω - планетарный вихрь (параметр Кориолиса), W - скорость движения вне пограничной области;

3) экмановский слой (сила трения и сила Кориолиса уравновешивают друг друга и последняя приводит к развороту эпюры скорости в направлении геострофического ветра) имеет толщину

(113)

Полный разворот эпюры скорости устанавливался обычно за 15 минут после стабилизации внепограничного потока, имел устойчивое значение ≈10^° и осуществлялся в самом нижнем трехметровом придонном слое. Это на порядок большая толщина, чем та, которую дает формула (112), что подтверждает модель, но значительно меньше 25 м, которые показывает формула (113) при

Ветерлй предположительно объясняет уменьшение толщины пограничного слоя против требований теории тем, что поток не был вполне устойчив и подвергался влиянию суточного прилива.

По данным советских наблюдений на Черном море [Доброклонский и др., 1972], у дна, покрытого водорослями,

что прекрасно совпадает с формулой (112).

Толщина пограничных слоев, вызванных тепловыми и гидродинамическими волнами, зависит от периода волн и коэффициента температуропроводности (или вязкости) одинаковым образом с точностью до постоянного множителя, который есть результат договоренности о границе слоя. Это следует из формулы для толщины придонного пограничного слоя [Н. П. Левков, Л. Б. Черкесов, 1975]

(114)

где К-турбулентная кинематическая вязкость, ω - частота.

Регистраторы, погружаемые на дно, в том числе на глубину более 1 км, удается использовать и для некоторых химических анализов. Специалисты Вудс-Холлского океанографического института разработали свободно погружаемое устройство для измерения потребления кислорода сообществами придонного пограничного слоя [Smith е. а., 1976]. В центре двухметровой алюминиевой треноги были помещены кинокамера для регистрации обстановки и поведения организмов и 4 камеры-респирометра. После спуска аппарата по акустической команде включался регистратор кослорода и каждая камера-респирометр накрывала (изолировала) поверхность осадков на площади 730 см², причем одна камера работала как контрольная - в ней измерялось химическое потребление кислорода (метаболизм сообщества блокировали хлороформом). После нескольких дней работы по второй акустической команде сбрасывался груз, и устройство свободно всплывало на поверхность.

Измерения показали, что на поверхности раздела вода - дно с глубиной и с удалением от берега скорость потребления кислорода уменьшается на 3 порядка (от 21,4 мл О₂/(м²xч) на 30 м до 0,02 мл 0₂/(м²xч) на 5200 м), причем на малых глубинах биологическое потребление его составляет 83%, а химическое - 17%, на больших же глубинах химическое потребление О₂ не отмечено.

Казалось бы, наконец-то можно проводить хотя и дорогие (стоимость устройства 20 тысяч долларов), но вполне надежные измерения скорости биохимических процессов непосредственно на глубоководной твердой границе океана и в пограничных слоях по обе стороны от нее. Однако некоторые сомнения все же оставались: придонная вода под колпаком была изолирована от обмена с окружающей водой, и неясно, как влияло возведение искусственных границ раздела.

Биологи Кильского университета [Smetacek е. а., 1976] провели эксперимент, из которого следует, что возведение вертикальных границ (была поставлена «на попа» огромная пластиковая труба),меняющих гидродинамические условия (прекращалась турбулентная диффузия), в конечном счете влияет даже на обмен через нижнюю границу раздела и на всю биогеохимическую обстановку в полуизоляторе. Непосредственные измерения скорости процессов с участием организмов в природных условиях оказались, следовательно, невозможными.

Так или иначе приходится иметь дело с реальной (натурной) моделью, а это требует ее подобия оригиналу в гидродинамическом, химическом и экологическом отношениях одновременно. Погружение лаборатории под воду создает лишь иллюзию непосредственного измерения скорости биогеохимических процессов in situ. Надежными остаются только измерения собственно концентраций. Такие измерения дали поразительные результаты: толщина придонного пограничного слоя местами превышает 100 м и иногда, в районах с глубиной несколько километров, достигает 1 км.

Оптические измерения с помощью регистраторов мутности (нефелометров) тоже показали толщину однородного (нефелоидного) придонного слоя местами больше 100 м, концентрация глинистых частиц в нем около 1 мг/л, в глубинных же водах концентрация их обычно составляет 0,01 мг/л. Наконец, и по измерениям температуры обнаружили местами очень мощный, толщиной несколько сотен метров, придонный однородный слой, верхняя граница которого четко выделяется термоклином, аналогично нижней границе верхнего главного пограничного слоя океана. В. Манк назвал его бентосным термоклином, а пограничный слой соответственно бентосным пограничным слоем.

Таким образом, в нижнем пограничном слое океана, как и в верхнем, выделяются различные структурные подразделения. Непомерно большая толщина бентосного пограничного слоя, превышающая толщину верхнего квазиоднородного пограничного слоя вероятно, связана с рассмотренным выше тепловым потоком из недр Земли и конвекцией.