ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ И БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПОЛЯ И ПРОЦЕССЫ
Представлен алгоритм для оценки вертикальных смещений изопикн и скоростей горизонтальных течений, вызванных внутренними приливными борами по их проявлениям в поле шероховатости на спутниковых изображениях моря Банда. Алгоритм расчёта сформулирован с использованием уравнения Кортевега-де Вриза (KdV), дополненного слагаемым, учитывающим цилиндрическую расходимость. Коэффициенты уравнения KdV — квадратичная нелинейность, дисперсия и скорость линейных внутренних волн с приливной частотой, были рассчитанны с использованием среднеклиматического профиля плотности в море Банда. По спутниковым изображениям были определены скорость солитона, лидирующего в боре, и длина волны в его тыловой зоне. С помощью предложенной методики получены оценки максимального вертикального смещения пикноклина/максимальной амплитуды лидирующего солитона и максимальной скорости поверхностных течений, индуцированных внутренними приливными борами. Из анализа спутниковых наблюдений следует, что внутренние приливные боры в море Банда трансформируются под действием не только нелинейности и дисперсии, но и цилиндрической расходимости. В рамках кноидальной модели внутренних приливных боров показано, что в процессе эволюции энергия его лидирующей и последующих волн затухает вследствие цилиндрической расходимости. Выполнена оценка этого затухания при прохождении расстояния, которое преодолевает лидирующий солитон за время, равное удвоенному приливному периоду.
Статья посвящена получению многолетних физико-географических характеристик Стоковой фронтальной зоны как отдельной гидрологической структуры, формирующейся на границе поверхностного опресненного слоя рек Оби и Енисея и морских вод в Карском море. В качестве исходных данных для выделения фронтальной зоны в работе выступают спутниковые измерения поверхностной температуры (MODIS Aqua, Suomi NPP-VIIRS), поверхностной солености (NASA SMAP) и уровня моря (AVISO) за период с июля по октябрь с 2002 по 2020 гг. Положение и характеристики Стоковой фронтальной зоны определялись с помощью кластерного анализа, который впервые был применен к обобщённому набору данных дистанционного спутникового зондирования в этом регионе. Установлено, что в теплый период года средний многолетний температурный поверхностный градиент Стоковой фронтальной зоны составляет 0,08 °C/км, градиент поверхностной солености 0,1 PSU/км, а площадь — 155 тыс. км2. Выявлено, что за безледный период второго десятилетия XXI века градиент температуры фронтальной зоны ослабевает на 0,04 °C/км, а площадь уменьшается на 100 тыс. км2. Показано, что температурный и соленостный градиенты, а также площадь Стоковой фронтальной зоны определяются объемами речного стока Оби и Енисея и параметрами льдов в теплый период года. Получены оценки связи характеристик фронтальной зоны с объема речного стока, параметрами ледяного покрова и ветра, а также величиной атмосферных индексов Скандинавского колебания.
Проведен анализ многолетних сезонных изменений концентрации хлорофилла, максимальной скорости фотосинтеза фитопланктона и температуры воды в поверхностном слое глубоководной зоны Черного моря с 1998 по 2015 годы. Оценивались тренды указанных показателей. Для исследований использовались данные спутниковых наблюдений SeaWiFS и MODIS-Aqua, MODIS-Terra. Выявлены тенденции к повышению температуры на 4 % по среднегодовым данным в глубоководной западной части моря за 18-тилетний период. Повышение происходило преимущественно за счет зимнего сезона. Понижение первичной продукции фитопланктона отмечено в пределах 16,4–18,6 % от первоначального уровня по среднегодовым величинам при уровне значимости р < 0,1, по всей глубоководной области. Снижение первичной продукции наблюдалось летом. Статистически значимых направленных изменений концентрации хлорофилла по осредненным данным за 18 лет не отмечено. В различных частях глубоководной зоны направленность межгодовых и сезонных изменений всех показателей была сходной. Наметившаяся тенденция к снижению продуктивности фитопланктона за последние годы может привести к перестройке фитопланктонного сообщества.
Продемонстрировано влияние динамики вод на пространственное распределение интенсивности флуоресценции хлорофилла а в поверхностном слое Баренцева и Норвежского морей, полученное на ходу судна с помощью проточного измерительного комплекса в августе 2020 г. В качестве параметра, характеризующего динамику водных масс, выбрана дивергенция поля течений, рассчитанная по данным реанализа. Применение метода скользящих корреляций позволило выделить участки маршрута с положительной и отрицательной корреляциями значений дивергенции и интенсивности флуоресценции хлорофилла а. Показано, что положительная корреляция формируется в результате вертикального движения вод поверхностного слоя, отрицательная — может являться следствием адвекции водных масс и суточного хода значений фотосинтетически активной радиации. Часть полученных результатов подтверждается спутниковыми данными о пространственном распределении концентрации хлорофилла а.
Представлены результаты лабораторного эксперимента, посвящённого моделированию механизмов локализации пленки поверхностно-активного веществ под действием периодических поверхностных волн. Было показано, что область пленки, поджатой поверхностной волной, условно делится на три части: плотная пленка на наибольшем удалении от источника волн, область «разреженной» пленки и область относительно чистой поверхности воды. Основное внимание было уделено процессам, происходящим в области «разреженной» пленки — переходной области от чистой воды к плотной поджатой волнами пленке, где регистрировались горизонтальные циркуляционные движения. В зависимости от амплитуды волны наблюдался различный характер течений: дивергентные циркуляционные ячейки при малых и больших амплитудах волн и роликовые течения, образующие зону конвергенции на оси бассейна при средних амплитудах. Сравнение экспериментально полученного стационарного распределения концентрации поверхностно-активных веществ с развитой ранее моделью компрессии пленок поверхностными напряжениями, вызванными волнами, показало удовлетворительное согласие теории и эксперимента при малых и относительно больших амплитудах волн. Выявленное расхождение при средних амплитудах волн в области «разреженной» пленки объясняется наличием циркуляционных ячеек, которые рассматриваемая модель не учитывает.
Получены оценки эмиссии метана с поверхности Можайского водохранилища за период с 2015 по 2019 гг. с помощью математической модели LAKE2.3. Среднее значение эмиссии составляет 361 тС в год, средний удельный поток — 37,7 мгС–СН4 м–2 день–1, что удовлетворительно согласуется с данными наблюдений. Наибольший вклад в общую эмиссию СН4 вносит пузырьковая составляющая. В течение периода нагревания наблюдается постепенное увеличение эмиссии метана с максимумом перед началом осеннего перемешивания. В ходе численных экспериментов с моделью установлено, что высокочастотная изменчивость потоков метана в атмосферу связана с колебаниями атмосферного давления и резкими изменениями уровня воды при том, что наиболее значимые выбросы связаны с последним фактором. Эффективным способом для калибровки диффузной составляющей потока метана в атмосферу является потенциальная наибольшая скорость окисления метана в реакции Михаэлис-Ментен, а для пузырькового потока — параметр температурной зависимости генерации метана в донных отложениях q10. Исследование чувствительности эмиссии метана к указанным параметрам проведено на основе численной модели LAKE2.3.
Одной из проблем при проектировании портов является оценка перемещений береговых наносов вблизи сооружений. В статье приведены материалы оценки влияния сооружений порта на процессы береговой эрозии/аккумуляции в районе бухты Геленджик (Черное море). Все основные процессы взаимодействия волн, течений и движения наносов происходят в прибрежной зоне, поэтому в исследовании представлены возможности комплексного применения гидродинамических и литодинамических моделей. В данной работе использовались модели ветрового волнения Wave Watch III и SWAN. В качестве исходных данных использовались данные реанализа NCEP/NCAR полей ветра в период с 1989 по 2012 г. Для моделирования течений, переноса наносов и литодинамических процессов использовалась модель генерируемых волнами и ветром двумерных течений COASTOX–CUR, транспорта наносов COASTOX-SED совместно с моделью переформирования дна COASTOX–MORPHO. В сценарии моделирования рассматривалась последовательность 5-ти самых сильных штормов из рассматриваемого периода. Анализ зон размывов/аккумуляции показал, что участки интенсивного переформирования дна связаны с наиболее интенсивными течениями. Показано, что строительство сооружений порта не окажет существенного влияния на литодинамические процессы в Геленджикской бухте.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МОРСКИХ ОБЪЕКТОВ, ОКЕАНА И АТМОСФЕРЫ
Амплитудная модуляция шумового сигнала надводного корабля образуется как непосредственно в процессе шумоизлучения при вращении линии вала и винта, так и дополнительно — вследствие качки корабля, обусловленной волнением моря. При этом дополнительную низкочастотную (не более 0,2 Гц) амплитудную модуляцию шумоизлучения можно наблюдать в виде процесса временных вариаций мощности принимаемого сигнала. В связи с этим, представляет интерес установить связь спектра амплитудно-фазовой модуляции широкополосного сигнала корабля при его качке со спектром процесса качки.
В качестве механизма образования модуляции шумового сигнала при качке корабля рассмотрено явление флуктуирующей интерференции лучей, распространяющихся от вертикально качающегося точечного подводного источника вблизи поверхности воды. Получены аналитические соотношения, связывающие спектр амплитудно-фазовой модуляции широкополосного сигнала корабля при его качке со спектром процесса качки. В результате установлен параметр, описывающий совокупные условия, по которому можно определить спектральные свойства модуляции. Вид спектра вариации мощности может быть различным существенно в зависимости от значений параметра K = σ2k H sinα, где k — волновое число, σH — среднеквадратичное значение вертикальной составляющей (смещения источника) вследствие качки, α — угол скольжения луча у поверхности. При значении K< 1 результаты наблюдения процесса модуляции сигнала можно отожествлять с процессом качки корабля. При значении K> 1 спектр модуляции сигнала не будет соответствовать спектру процесса качки. С ростом значения параметра K спектр модуляции расширяется, выходит за пределы спектра процесса качки. Появляются существенно более низкие и высокие гармоники. Результаты компьютерного моделирования и натурных экспериментов подтвердили зависимость вида спектра модуляции от параметра K. Таким образом, установлено наличие дополнительного механизма образования модуляции шумового сигнала при качке корабля, обусловленного явлением флуктуирующей интерференции лучей, распространяющихся от вертикально качающегося точечного подводного источника вблизи поверхности воды.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ГИДРОФИЗИКА
Предлагается вариант выбора оптимального решения масштабной научно-технической и эколого-экономической проблемы Европейской части РФ на основе комплексного использования результатов численного моделирования гидродинамических процессов, экспертных экологических оценок и рейтингового экономического сравнения.
Объектом научного исследования является участок реки Волги от Городецкого гидроузла до г. Нижнего Новгорода (от 852,5 до 899 км по судовому ходу). Цель работы — подготовка предложений по выбору варианта улучшения условий судоходства на рассматриваемом участке реки Волги в нижнем бьефе Городецких шлюзов при различных режимах стока через Городецкий гидроузел с учетом установленных законодательством приоритетов охраны окружающей среды, охраны водных объектов и использования водных ресурсов. В результате работы предложен вариант проекта, предполагаемого к реализации на территории Нижегородской области для рационального решения проблем судоходства на реке Волге, с учетом оценки влияния на санитарно-эпидемиологическую и экологическую ситуацию в регионе, зоны затопления и подтопления. Проект включает строительство в районе Городецких шлюзов № 15–16 третьего параллельного шлюза и создание судоходной прорези с гарантированной глубиной фарватера 4,0 м.
ИСТОРИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ В ОБЛАСТИ ГИДРОФИЗИКИ
Высота одного из самых выдающихся наводнений Невы 10 (21) сентября 1777 г. практически не запечатлена на стенах зданий и сооружений Санкт-Петербурга. В данном контексте абсолютно уникальным и очень актуальным представляется нивелирный каталог, в котором отражены более 700 меток высот этого наводнения, и планы с расположением этих меток в пределах Санкт-Петербурга. Автор каталога — Фридрих Вильгельм Бауер, генерал-квартирмейстер, геодезист, картограф. Работы по нивелированию затопленных городских территорий были проведены по повелению Екатерины II. В нивелирном каталоге Ф.В. Бауер отмечает, что максимальная высота подъема воды в наводнение 1777 г. достигала 10 футов 3 дюймов, измерялась она от ординара Адмиралтейского футштока. Для измерения превышений Ф.В. Бауером использовалась французская линейная мера. Это позволило пересчитать максимальную высоту наводнения до значения 333 см.
РАЗНОЕ
ISSN 2782-5221 (Online)