CC BY
9
ВМУ. Серия 3. ФИЗИКА. АСТРОНОМИЯ. 2009. № 3
117
АСТРОНОМИЯ, АСТРОФИЗИКА И КОСМОЛОГИЯ
Исследование смены режимов теплой и холодной пленки
в лабораторных условиях
Ю. Ю. Плаксинаа, В. Н. Аксёнов, Е. Г. Андреев
Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, физический факультет, кафедра
физики атмосферы. Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2. E-mail: " yuplaksitia@mail.ru
Статья поступила 04.07.2008, подписана в печать 10.12.2008.
При помощи малоинерционного термозонда впервые исследован процесс смены режима тепломассообмена между водой и воздухом в лабораторных условиях. Приведены характерные вертикальные профили температуры, показана взаимосвязь между градиентами температуры в ламинарных слоях воды и воздуха и зависимость режимов тепломассообмена от разности температур воздуха и воды.
Ключевые слова: взаимодействие океана и атмосферы, поверхностный слой, тепломассообмен, холодная пленка, теплая пленка.
УДК: 551.465.7. PACS: 92.60.Сс, 92.60.Fm.
Тепломассообмен между океаном и атмосферой, происходящий в непосредственно контактирующих слоях воды и воздуха, не только определяет локальную интенсивность обмена, но и влияет на глобальную циркуляцию водных и воздушных масс и в конечном счете — на формирование погоды. На поверхности морской воды происходит образование хорошо известной термической структуры — поверхностной пленки толщиной от долей до нескольких мм, которая получила название холодной, поскольку обычно температура в этом слое у поверхности понижается. Большинство исследований фиксировали в натурных условиях, особенно в открытом море, именно холодную пленку, отчего и в лабораторных условиях она изучалась больше.
Вместе с тем некоторые авторы [1, 2, 3] отмечают, что в ряде случаев температура воды вблизи поверхности может повышаться с высотой, что получило название «теплой пленки». Исследования такого рода менее подробны и потому представляют большой интерес.
Для изучения ее в лабораторных условиях мы использовали малоинерционную аппаратуру, аналогичную разработанной ранее на нашей кафедре и неоднократно опробованной в натурных условиях [4]. Она позволяет регистрировать вертикальный профиль температуры в тонких примыкающих слоях воздуха и воды с разрешением около 50 мкм (в воде) и точностью 0.1 К. По зарегистрированным профилям температуры несложно было определить суммарный поток тепла градиентомет-рическим методом.
Для измерения относительной влажности воздуха установка была дооснащена тремя полупроводниковыми емкостными датчиками влажности фирмы Honeywell. Среди всех типов датчиков емкостные датчики обладают наибольшей точностью и температурной стабильностью. Датчики фирмы Honeywell обладают еще и отличной стойкостью к загрязнениям и конденсату. Диапазон измерения 0-100% RH, точность в диапазоне наших рабочих температур ±1%, время отклика 15-60 с.
После серии измерений относительной влажности над поверхностью воды в лабораторном бассейне нами было установлено, что наибольшие изменения относительной влажности происходят в прилежащем к воде пятисантиметровом слое воздуха, причем чем ближе к воде,
тем больше по модулю пульсации относительной влажности, тогда как на высоте выше 20-25 см влажность остается примерно постоянной и равной относительной влажности в комнате. Поэтому было решено поставить первый датчик в непосредственной близости к воде, не далее 1 см, второй закрепить в слое от 5 до 20-25 см, где влажность также меняется, но не так сильно, как в пятисантиметровом нижнем слое. И наконец, третий датчик закрепить выше 25 см от поверхности, чтобы он показывал относительную влажность в помещении. Параллельно с этим определялась температура воды и воздуха на разных уровнях с точностью 0.1° С.
Измерения велись при разных относительных влаж-ностях и разностях температур воздуха и воды. Оказалось, что между режимами тепломассообмена и градиентами температуры в прилегающем к поверхности воды воздухе, а также разностью температур воздуха и воды прослеживается явная взаимосвязь. При режиме теплой пленки суммарный поток тепла направлен от границы раздела в воду, а градиент температуры в поверхностном слое воды — положительный. Поскольку вблизи поверхности в воздухе наблюдался линейный характер профиля температуры, то перепад температуры между поверхностью воды и воздухом было решено характеризовать градиентом температуры в приповерхностном слое воздуха толщиной в 0.001 м, поскольку в этом слое температура всегда линейно менялась с высотой. Полученные экспериментальные данные, отражающие взаимосвязь градиента температуры в воде от градиента температуры в воздухе, представлены на рис. 1. Полученная зависимость близка к линейной и может быть аппроксимирована прямой с величиной достоверности аппроксимации R2 = 0.92. Как видно из рисунка, в лабораторных условиях при больших положительных градиентах температуры в воздухе (от 180 К/м и выше) устойчиво наблюдается режим теплой пленки, а при больших отрицательных значениях (менее —150 К/м) — режим холодной. При значениях градиента от — 150 до 180 К/м, которые реализуются, когда температуры воды и воздуха вблизи поверхности отличаются друг от друга не более чем на один градус, наблюдаются режимы как теплой, так и холодной пленки (мы будем условно называть это переходным режимом), по-видимому, при
118
ВМУ. Серия 3. ФИЗИКА. АСТРОНОМИЯ. 2009. № 3
gradTwatcr, К/м 500
у = 0.4672х +5.0051 R2 = 0.9161 • ft .
>
• • К У
• V »
< ft • f
• t • • •
• •
400 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400
-800-600-400-200 0 200
400 600 800 1000 gradTajr, К/м
Рис. 1. График зависимости градиента температуры
в воде от градиента температуры в воздухе вблизи поверхности
мало отличающихся друг от друга температурах другие факторы оказывают влияние на формирование того или иного режима, сравнимое или превышающее температурный фактор. Таким образом, в лабораторных условиях четко прослеживается взаимосвязь между суммарным потоком тепла и разностью температур воды и воздуха при квазистационарных потоках тепла на испарение (конденсацию) и эффективное излучение. Такая зависимость не отмечалась в натурных условиях в береговой зоне, где прослеживалась лишь зависимость направления суммарного потока тепла от разности температур воды и воздуха, поскольку там на него оказывает влияние еще множество других факторов, таких, как направление и скорость ветра, облачность, наличие течений, загрязнение поверхности и т.п., отсутствующих в лабораторных условиях. Для каждого из вышеупомянутых режимов характерны свои виды профилей.
Остановимся подробнее на профилях с устойчивым режимом теплой пленки и на случаях теплой пленки в переходном режиме.
Для режима устойчивой теплой пленки характерны профили вида, приведенного на рис. 2. На данном профиле можно выделить два линейных участка температуры воздуха, примыкающих к поверхности воды, причем угол наклона этих линейных участков разный, что позволяет предполагать, что слой, примыкающий непосредственно к воде, обладает физическими характеристиками, отличающимися от характеристик вышележащего слоя, и нуждается в более детальном изучении. Для остальных типов профилей также характерно наличие аналогичного слоя. Его высота обычно бывает от 1 до 8 мм. Типичные профили с теплой пленкой в переходном режиме приведены на рис. 3. На этих и подобных этим вертикальных профилях температуры отмечался локальный максимум температуры в воздухе на высоте от 2 до 8 мм над водой, который особенно выражен в случаях, когда температуры воды и воздуха почти равны. Механизм такого «выступа» на профиле температур пока до конца не ясен, но его появление было весьма стабильным.
19.0 19.5 20.0 20.5 21.0 21.5 22.0 22.5 23.0
Т, °С
Рис. 2. Пример профиля температуры с режимом теплой пленки, зарегистрированный при разности температуры воздуха и воды больше 1 ° С
X, см 10
6 4 2 0 -2 -4
/
/
/
V
-— —
i / /
22.5 23.0 23.5 24.0 24.5 25.0 25.5 26.0 26.5
Т, °С
Рис. 3. Пример профилей температуры с режимом теплой пленки, зарегистрированных, когда температуры воды и воздуха различаются менее чем на 1 ° С
Таким образом, в лабораторных условиях нам удалось получить режим как холодной, так и теплой пленки и показать, что направление суммарного потока тепла зависит преимущественно от знака разности температур воздуха и воды, если эта разность больше одного градуса.
Списож литературы
1. Хцндж.ца Г.Г., Андреев Е.Г., Аксенов В.Н. // Изв. АН. ФАО. 1997. 33, № 3. С. 298.
2. Белое Ю.Н. Исследования процесса переноса тепла и влаги в пограничном слое вода-воздух без адвекции и при наличии вихревого поля скорости в воздухе: Дис. ... канд. физ.-мат. наук. М., 1984.
3. Репина И.А. // Метеорология и гидрология. 2000. № 9. С. 63.
4. Хцндж.ца Г.Г., Гусев A.M., Андреев Е.Г. и др. // Изв. АН. СССР. 1977. 13, № 7. С. 753.
АСТРОНОМИЯ, АСТРОФИЗИКА И КОСМОЛОГИЯ
Processes of cool and warm surface skin formation under laboratory conditions Yu.Yu. Plaksina , V.N. Aksenov, E.G. Andreev
Department of Physics of Atmosphere, Faculty of Physics, M. V. Lomotiosov Moscow State University, Moscow
119991, Russia.
E-mail: "yuplaksina@mail.ru.
Variations of heat and mass exchange regimes between water and air are investigated in a laboratory for the first time by means of quick-response thermocouple. Characteristic vertical temperature profiles are given, the interconnection of temperature gradients in laminar layers of water and air is shown as well as heat and mass exchange regimes dependence of air and water temperature difference.
Keywords: ocean-atmosphere interaction, skin layer, heat and mass exchange, cool skin, warm skin. PACS: 92.60.Cc, 92.60.Fm. Received 4 July 2008.
English version: Moscow University Physics Bulletin 3(2009).
Сведения об авторах
1. Плаксииа Юлия Юрьевна — преподаватель; тел.: 312-45-53, e-mail: yuplaksina@mail.ru.
2. Аксёнов Владимир Николаевич — к.ф.-м. п., доцент, доцент; тел.: 939-16-52.
3. Андреев Евгений Григорьевич — научн. сотр.; тел.: 939-15-41.
