27.Конвекция, ее разновидности и причины возникновения в водоемах.

Конвекция – процесс вертикального перемещения объемов воды в водоемах под действием силы тяжести из одного слоя в другой.

Конвективные течения в водоемах обусловлены распределением плотности жидкости (разницей плотности), которое в свою очередь определяется температурой, соленостью и давлением. Известно, что плотность воды существенно зависит от температуры и солености и очень слабо от давления.

 Р ис. 1. Схема конвективного перемешивания жидкости при охлаждении ее сверху .

При подогреве жидкости снизу, нагретые ее частицы под действием сил плавучести поднимаются, а более холодные, а, следовательно, и более тяжелые частицы, расположенные наверху, опускаются. Нагретые частицы, поднимаясь, перемешиваются с более холодными и постепенно охлаждаются за счет теплопроводности. Это обстоятельство приводит к увеличению их плотности. Одновременно плотность поднимающейся жидкости увеличивается и за счет диффузии. Возникшая конвекция может распространиться до свободной поверхности жидкости или не дойти до нее, что зависит от первоначального (исходного) плотностного состояния жидкости и от степени нагрева придонных частиц. Такая конвекция получила название придонной и бывает зимой, когда водоем покрывается льдом (0°С), а температура дна 5-6 °С.

При охлаждении жидкости сверху конвективный процесс протекает в обратном порядке: охладившиеся, а, следовательно, более тяжелые частицы жидкости начнут опускаться и вытеснять вверх более теплые, легкие частицы. В этом случае, так же как и в первом, конвективный процесс может распространиться на всю глубину или погаситься на некоторой глубине.

И зложенная схема конвективного перемещения жидкости при охлаждении сверху в применении к воде нарушается одной из ее аномалий, а именно: аномалией температуры наибольшей плотности — наибольшая плотность пресной воды наблюдается при температуре 4°С). При дальнейшем охлаждении воды сверху (ниже 4°С) конвекция прекращается и более холодные частицы жидкости (но более легкие) остаются на поверхности (рис. 2.).

Рис.2. Процесс охлаждения воды сверху до момента ледообразования

Наблюдениями установлено, что плотностные конвективные течения воды в водоемах осуществляются в форме ячеистой конвекции: на поверхности воды ячеистая конвекция проявляется в виде шестиугольников (рис.3) - «ячейки Бенара».

При развитой конвекции конвективные ячейки имеют пространственный характер в форме шестигранных призм, у периферии которых конвективные токи направлены вниз, а в центре конвективные токи направлены вверх (несет большую энергию, теплее).

Рис.3. Конвективные ячейки Бенара

О писанный выше характер конвекции при наличии ветра резко изменяется, причем слабый ветер ее организует, а сильный — разрушает. Слабый ветер над водной поверхностью приводит беспорядочную столбчатую конвекцию к спиралеобразной в виде соленоидов с горизонтальными осями, вытянутыми вдоль ветра (рис. 4). Эта гипотеза находит подтверждение в том, что на поверхности при ветре наблюдаются полосы пены, мелких плавающих предметов, пыли, которые располагаются примерно на равных расстояниях одна от другой и направлены по ветру. Эти полосы называют линиями схождения, предполагая, что они ограничивают ячейки конвекции. Выполненные в последнее время на Ладожском озере подробные исследования показали, что при глубине воды 8 м расстояние между линиями схождения d ≈ 13 м, а при глубине 60 м d ≈ 35 м, т. е. расстояние d увеличивается с глубиной водоема. Глубина же проникновения циркуляции растет со скоростью ветра. По имени ученого, впервые описавшего этот вид конвективного течения, в литературе закрепился термин «циркуляция Ленгмюра».

 Рис.4. Схема конвекции при слабом ветре 1 — конвективные токи, 2 — линии схождения.

Таким образом, циркуляция Ленгмюра — это результат плотностной неустойчивости, возникающей при охлаждении поверхностного слоя воды под действием ветра.

Т акже наблюдается конвекция за счет минерализации (зимой). У нижней кромки льда – резкое нарастание льда, растет минерализация, а значит возрастает и плотность – подледная конвекция. Она является защитной реакцией водоема, лимитирующей толщену льда.

Рис. 5. Схема конвективных течений при охлаждении водоема

Описанный процесс конвекции в чистом виде наблюдается в водоемах больших размеров в плане при относительно постоянной глубине. Реальные же водоемы ограничены в плане, а глубина их уменьшается до нуля у берегов. В этих водоемах при развитии конвекции возникают конвективные течения, схематически показанные на рис.5. При охлаждении водоема наблюдаются поверхностные конвективные течения от середины водоема к его берегам, а при нагревании — от берегов к средней его части. Придонные течения имеют обратное направление. В этом случае конвективные течения обусловлены разностью температуры воды в горизонтальном направлении.