Методика оценки перепада температуры
в холодной пленке полунатурного эталона
границы раздела океан-атмосфера для
определенной географической местности
Новикова Светлана Борисовна,
учитель географии и биологии
ГБОУ № 397 Кировского района
им. Г.В. Старовойтовой Санкт-Петербурга
Географические исследования, которые затрагивают проблемы территориально-природного контроля за процессом и параметрами теплообмена между океаном и атмосферой, служат основой как для сохранения, так и для оценивания допустимого увеличения уровня удовлетворения запросов со стороны тех отраслей хозяйства, которые напрямую коррелируют с состоянием моря [1]. Особенно данная задача актуальна в прибрежных областях при определенных погодных условиях: малой скорости близлежащего воздушного потока (спокойная морская гладь) в широком диапазоне перепадов влажности. учитель географии и биологии
ГБОУ № 397 Кировского района
им. Г.В. Старовойтовой Санкт-Петербурга
Проведение экспертизы в реальном масштабе времени требует неоднократного выхода в море, больших трудозатрат и расходов. Альтернативные лабораторные методы прогнозирования, которые позволяют получать результаты прогнозирования с допустимой степенью точностью представляют наибольший практический интерес. Кроме этого они минимизируют соответствующие экспедиционные расходы. При этом результаты прогнозов могут быть достаточно точны, если метеорологический региональный прогноз, полученный ранее оказывается точным по параметрам скорости ветровых потоков, влажности и температуре.
Для проведения лабораторных исследований целесообразно сделать полунатурный эталон исследуемого природного процесса, который впоследствии позволяет сформировать соответствующего цифрового двойника. Разработка цифрового двойника в свою очередь требует получения достаточно точных эмпирических зависимостей, которые в том числе связывают перепада температуры в пленке полунатурного эталона и априорных полученных ранее экспериментальных данных при конкретно-заданных условиях для заданного географического региона [2].
В связи с этим, практически значимый интерес представляет исследование зависимости перепада температуры в холодной плёнке полунатурного эталона границы раздела океан-атмосфера для заданного географического региона. Сам перепад температур образуется в поверхностном слое чистой воды за счет испарения и контактного теплообмена в зависимости от разности температур вода-воздух при различных значениях влажности воздуха и скорости воздушного потока в пределах 0,1 – 1 м/с [3].
Экспериментально и теоретически установлено, что при охлаждении водной поверхности в природных условиях вследствие испарения или радиационного выхолаживания в воде образуется термический пограничный слой миллиметрового масштаба по вертикали. В этом слое, получившем название «холодная поверхностная пленка», при перепаде температур в десятые доли градуса вертикальные температурные градиенты имеют порядок сотен градусов на метр глубины. Первоначально интерес к изучению холодной пленки появился в связи с развитием методов дистанционного зондирования океана.
Дистанционные аэрокосмические методы зондирования морей и океанов уже на рубеже тысячелетий доказали свою эффективность. Однако требования современности приводят к необходимости их развития, разработки и расширения областей применения новых методов [4].
Однако эффект сверхвысоких градиентов температуры может играть существенную роль также при одновременном моделировании процессов в воде и атмосфере, когда возникает необходимость склейки тепловых потоков на границе раздела вода — воздух.
Прямое воспроизведение холодной пленки при численном моделировании мезомасштабной проникающей конвекции в водоеме наталкивается на трудности, связанные с необходимостью одновременной аппроксимации процессов миллиметрового и метрового масштабов по вертикали. Простое отфильтровывание пограничных эффектов, обусловленных микроконвекцией, может привести к значительным погрешностям в расчете составляющих теплового баланса [4]. Отсюда следует необходимость введения параметризации, позволяющих корректно описать существенно разномасштабные процессы и учесть влияние холодной пленки.
Исследование проводились в лабораторных условиях в лотке размерами 800*600*3000мм. Воздух прокачивался над поверхностью воды через канал сечения 300*210 мл. Скорость воздушного потока на оси канала определялась термоанемометром. Температура участка водной поверхности диаметром 0,12 м, центры которых находились на расстоянии 0,21 м от границы обдува, измерялась двухканальным ИК-радиометром.
Измерения влажности воздуха в лаборатории осуществлялись без эталонным диффузионно – кулонометрическим гигрометром. Характеристики системы менялись в следующих пределах: температура воды в лотке, на глубине 5-10см θw – 12-28 0С, температура воздуха θa -16-240С, относительная влажность воздуха f - 25- 85%. Показатель преломления воды составляет n=1,5±0,1
Анализ результатов позволяет делать следующие выводы:
- Зависимость перепада температуры в холодной пленке Δθs=θs-θw от разности температур вода-воздух и относительной влажности воздуха при скорости воздушного потока в канале ν = 0,1 м/с может быт представлена в следующей форме: Δθs=C1(θw - θa) + C2(1-0.01f)n, где С1= -0,042-0,008(1-0,01f); С2=-0,65±0,04; n=1.5±0.1
- В диапазоне скоростей воздушного потока в канале 0,1-1,0 м/с зависимость Δθs(ν) близка к линейной и в первом приближении может быть представлена в виде: Δθs=(С3+С4 ν), где С3= 1-0,1С4, С4= (1,7±0,2).
Кроме этого, полученные соотношения могут быть использованы для реализации цифрового двойника границы раздела сред океан-воздух для области конкретного географического региона, заданного широтой и долготой, что позволяет использовать его непосредственно в системах дистанционного зондирования поверхности земли и океана.
Среди самых перспективных из них следует выделить как непосредственное видеонаблюдение, так импульсное лазерное зондирование пространства с помощью беспилотных летательных аппаратов. Импульсное зондирование короткими импульса при этом позволяет реализовать метод активного стробирования по дальности в локационной системе и более точно определить текущее состояние водной поверхности, наличие пенообразования или загрязнений в виде нефтяной пленки на поверхности воды [6].
В указанном случае, они являются непосредственной комбинацией полученных результатов с другими данными о процессах, позволяющих получить более достоверную картину текущего состояния и предсказания развития природных явлений и связанных с ней процессов биологической активности или целесообразности активизации промысла или добычи в соответствующей области народного хозяйства.
Список литературы
1. Бондур В.Г. Мониторинг окружающей среды. Курс лекций. Московский государственный университет геодезии и картографии. Москва. 1993. 426 с
2. Матишов Г.Г. Закономерности океанографических и биологических процессов в Азовском море. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2000. 434 с.
3. Давидан И.Н., Лопатухин Л.И., Рожков В.А. Ветровое волнение в Мировом океане. Л.: Гидрометеоиздат, 1985, 256 с.
4. Виноградов М.Е. Новые идеи в океанологии. Т. 1: Физика. Химия. Биология.
М.: Наука, 2004, 351 с.
5. Ермаков С.А., Пелиновский Е.Н., Талипова Т.Г. Пленочный механизм воздействия внутренних волн на ветровую рябь. // В сб.: Воздействие крупномасштабных внутренних волн на морскую поверхность. Под. ред. Пелиновского Е.Н., Горький, ИПМ АН СССР, 1982, с. 31-51.
6. Козинцев В.И., Орлов В.М., Белов М.Л. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002, 528 с.
