книги из ГПНТБ / Океанография и морская метеорология учебник

Так как величины коэффициентов давления исполь­ зуемых термоглубомеров известны, а средняя плотность морской воды в районе работ может быть рассчитана, то удобно заранее рассчитать вспомогательные величины

_ 10

для каждого ТГМ. Тогда

Из формулы (3.21) следует, что точность измерения глубины с помощью термоглубомеров зависит от точ­ ности:

—измерения температуры глубоководными термо­ метрами и ТГМ;

—определения коэффициента давления;

—вывода средней плотности морской воды.

Относительная средняя квадратическая ошибка тер­

1000 м — ±0,7%, более 1000 м — ±0,5%- Следовательно,

применение термоглубомеров целесообразно на боль­ ших глубинах, где приборы обеспечивают высокую точ­ ность измерений.

В датчиках глубины м а н о м е т р и ч е с к о г о т и п а в качестве чувствительных упругих элементов чаще всего используются мембраны, манометрические короб­ ки (сильфоны), трубки Бурдона, витые трубчатые пру­ жины. Глубина погружения приборов определяется по величине упругой деформации чувствительного элемен­ та под действием деформирующего усилия, которым является внешнее гидростатическое давление.

По способу измерения деформаций и механических напряжений датчики глубины могут быть различных типов. Так, например, в датчике глубины (батиблоке) термобатиграфа чувствительным элементом является манометрическая коробка (сильфон), внутри которой заключены направляющий стержень и цилиндрическая пружина, обеспечивающая чувствительному элементу необходимую упругость. При погружении прибора силь­ фон и пружина сжимаются, величина деформации фик­ сируется чисто механическим путем с помощью стрел­

8 0

ки, пишущее перо которой при неизменности температу­ ры с глубиной вычертит на термобатиграмме прямую вертикальную линию, длина которой пропорциональна величине деформирующего усилия. В общем же случае при регистрации да-нных измерений от двух датчиков — бати- и термоблока на термобатиграмме будет вычерче­ на кривая распределения температуры воды по глубине. Прибор обеспечивает определение глубины погружения

сотносительной средней квадратической ошибкой ±3% .

Вустановке УТСГ-1 в качестве упругого элемента используется витая трубчатая манометрическая пру­ жина. При изменении давления воды с глубиной пру­

жина раскручивается, и ее свободный конец получает смещение, пропорциональное изменению глубины. Ве­ личины возникающих упругих деформаций преобразу­ ются в электрические величины с помощью потенцио­ метра, движок которого через систему рычагов связан со свободным концом .манометрической пружины. Дат­ чики глубины потенциометрического типа обладают хо­ рошей линейностью и при индивидуальной тарирозке могут дать вполне удовлетворительную точность. Отно­ сительная средняя квадратическая ошибка измерения глубины аппаратурой УТСГ-1 не превышает ±1% , но, вообще говоря, точность измерения глубины с помощью датчиков потенциометрического типа может быть повы­ шена до ± 0,1 —0,3%. s

Вкачестве измерительных схем для датчиков дав­ ления применяются электрические измерительные мо­ сты, аналогичные мостам для измерения температуры. Недостатком потенциометрических датчиков с прово­ лочными сопротивлениями является ступенчатость вы­ ходного сигнала.

Вдатчиках глубины с малыми пределами измене­ ния сопротивления (например, в датчиках глубины вол­

нографов, где давление изменяется в узком диапазоне от 0 до 2 кге/см2) чаще всего применяются тензометри­

температурным коэффициентом, зигзагообразно уло­ женную на изолирующую пленку.

Тензосопротивлени'е синтетическим клеем приклеи­ вается к стальной упругой пластинке и становится как

бы неотъемлемой частью ее поверхности, при этом на­ правление ожидаемой дефррмации должно совпадать с длинной стороной петель проволоки.

Деформация при погружении упругого элемента (мембраны) вызывает изгиб связанной с пей стальной пластинки тензометра; при этом длина проволоки и ее сечение изменяются. Вследствие изменения геометриче­ ских размеров проволоки меняется ее электрическое сопротивление, являющееся функцией деформации пла­ стинки и, следовательно, функцией механических на­ пряжений в ней. Опыт показывает, что эта функция близка к линейной:

Для тензосопротивлений целесообразнее использо­ вать такую проволоку, которая обладала бы возможно большей чувствительностью, т. е. возможно большим значением коэффициента k. Чаще всего для этого ис­

датчиков также мостовая. В качестве вторичного при­ бора для измерения выходного параметра моста приме­ няются либо электронные потенциометры, либо магнито­ электрические осциллографы. Преимущество тензоме­ трических датчиков — в непрерывности выходного сиг­ нала при удовлетворительной линейности и точности из­ мерения давления (относительная средняя квадратиче­ ская ошибка ± 1 —2%).

Определение глубины погружения серии гидрологи­ ческих приборов. На океанографических станциях для ускорения работы и получения сравнимых по всей глуби­ не данных наблюдения ведутся несколькими батометра­ ми— сериями из 15—20 и более приборов. В этом слу­ чае нет необходимости определять глубину погружения каждого прибора отдельно (с помощью глубомеров), достаточно установить только 3—4 глубомера, глубины погружения всех остальных (промежуточных) батоме­ тров можно определить по расчету одним из трех гра­ фических методов — построением кривой троса, методом разности или соответствия. Все эти три метода равно­

82

t

ценны по точности и трудоемкости, хотя первый метод оказывается более наглядным, чем остальные.

Для решения задачи должны быть известны: глу­ бины погружения Z не менее чем трех батометров, опре­ деленные независимо, длина вытравленного троса L до каждого из этих батометров и длина вытравленного троса Li до всех промежуточных батометров.

При построении кривой троса (рис. 13, а) использу­ ются известные величины Z и L для тех приборов, ко­ торые вооружены глубомерами. В пересечении дуг ра­ диуса L с линиями глубин погружения приборов Z на­ мечают точки, которые соединяют плавной линией. Эта линия на графике изображает кривую троса в воде, ее общая длина в масштабе графика должна быть равна общей длине вытравленного троса, ее отдельные отрез­ ки— длинам прогонов между соответствующими бато­ метрами, а наклон верхней части кривой относительно оси ординат — углу а отклонения надводной части троса от вертикали, что и используется для контроля выпол­ ненных построений. Глубины погружения Z,- для про­ межуточных приборов могут быть получены нахожде­ нием их места на кривой троса по известным длинам вытравленного троса L;.

В методе разности (рис. 13,6) исходными для гра­ фических построений являются длины троса L и зара­ нее вычисленные величины (L — Z). Глубины погруже­

принимается точка с абсциссой, численно равной коси­ нусу угла а отклонения надводной части троса от вер­

84

Xi Рис. 13. Определение глубины погружения серии гидрологических приборов:

а — построением кривой троса; б — методом разности; в — методом соответствия

согласующихся с общим плавным ходом построенных кривых, свидетельствует либо об ошибках графических построений, либо о грубых промахах в определении ис­ ходных величин.

§ 10. СОСТАВ И СОЛЕНОСТЬ ВОД ОКЕАНОВ И МОРЕЙ

Вода в природе нигде не встречается в химически чистом виде, даже дождевая и снеговая вода содержит некоторое количество примесей.

Изучая химию океана, состав его воды следует рас­ сматривать в зависимости от состава вод суши, так как океан собирает все воды земной поверхности и аккуму­ лирует химические элементы, существующие в земной коре. В настоящее время в водах океана обнаружено около 50 элементов, по, по-видимому, в них имеются все элементы, входящие в таблицу Менделеева.

В химическом составе вод океана условно можно выделить пять основных компонентов:

1) главные ионы и молекулы;

2)растворенные газы;

3)биогенные элементы;

4)ѵорганические вещества; 5 ) ' микроэлементы.

Главные ионы. Соленость. Если газы и органические

вещества присутствуют в морской воде главным обра­ зом в виде молекул, а некоторые минеральные и орга­ нические соединения — в виде коллоидов, то соли при­ сутствуют преимущественно в виде ионов и частично в виде ионно-молекулярных комплексов. Морская вода является почти полностью диссоциированным раствором многих солей, причем в наибольшем количестве содер­ жатся хлоридные ионы и ионы натрия. В среднем в со­ ставе морской воды содержится 88,7% хлоридов, 10,8%' сульфатов, 0,3% карбонатов, на все прочие соли прихо­ дится только 0,2%. Этим воды океана резко отличаются от вод суши, для которых характерно преобладание карбонатов. К главным ионам принято относить те из них, концентрация которых превышает условную величңну 0,001 г на 1 кг морской воды. С учетом этого кри­ терия в числе главных ионов оказываются анионы СГ,

SO’ , Н С О 3 , Br', C Q g.F' и катионы Na*, Mg", Са", К'

и Sr", в совокупности они составляют 99,99% всех рас­

85

творенных в океане минеральных веществ, оцениваемых величиной примерно 49,2-ІО15 т. Насколько велика эта солевая масса, можно определить из следующего сравнения. Если океанскую соль в сухом виде распре­ делить по всей поверхности суши (149 млн. км2), то материки будут покрыты слоем соли толщиной около 150 м и на каждый квадратный метр придется по 330 т соли. Накопление такого огромного количества солей, очевидно, могло произойти в течение очень продолжи­ тельного времени.

Происхождение солей в океанах еще окончательно не выяснено. Одна из гипотез предполагает вынос солей в океан реками; согласно другой гипотезе океаны были солеными с самого начала, когда вода выделялась из недр планеты; позже концентрация солей несколько по­ высилась. Но неоспоримым остается факт инертности солевой массы: заметные изменения в ней могут про­ исходить лишь в течение многих миллионов лет. С дру­ гой стороны, в Мировом океане обнаружилось удиви­ тельное однообразие состава солей, указывающее на неразрывную связь между его отдельными частями и существование мощных динамических процессов, при­ водящих к интенсивному перемешиванию вод океана. Предположение о квазипостоянстве солевого состава Мирового океана, впервые высказанное еще в XVII в. английским физиком Р. Бойлем, получило научное под­ тверждение во второй половине XIX в. и в настоящее время четко формулируется как главная закономер­ ность химии океана [1]. В открытых частях океана не­ зависимо от абсолютной концентрации количественные соотношения между концентрациями главных ионов всегда одинаковы, иными словами, раствор может быть слабее или крепче, но состав солей остается постоян­ ным (закон постоянства солевого состава). Эта законо­ мерность нарушается только в прибрежных районах под влиянием берегового стока и в средиземных морях при ограниченном водообмене с океаном.

Суммарное содержание в граммах всех твердых ми­ неральных веществ, содержащихся в 1 кг морской воды, при условии, что бром и йод замещены хлором, угле­ кислые соли переведены в окислы, а органические ве­ щества сожжены при температуре 480° С, называется соленостью морской воды. Соленость принято обозна­

86

чать символом S. Единицей измерения солености яв­

она во много раз меньше массы воды океана. Средняя соленость Мирового океана составляет 35%о- Это зна­ чит, что в 1 кг морской воды содержится в среднем 35 г различных солей. Такая концентрация раствора яв­ ляется довольно слабой, однако растворенные соли су­ щественно изменяют физические и химические свойства воды. Вот почему наряду с температурой соленость также является основной характеристикой состояния морской воды и подлежит изучению всеми без исклю­ чения океанографическими экспедициями. От величи­ ны солености зависит плотность морской воды, которая служит основой для всех расчетов динамики водных масс в океане.

В отличие от постоянства соотношений между глав­

концентрацию солей в морской воде (береговой сток, атмосферные осадки, образование и таяние льдов, ин­ тенсивность испарения, процессы перемешивания, выпа­ дение солей в осадок).

Величина солености на поверхности океана колеб­ лется (если не считать Арктического бассейна и при­ устьевых районов) сравнительно в узком диапазоне, редко выходя за пределы 32—37,5%0. Моря, за исклю­ чением сильно опресненных заливов, имеют более ши­ рокие колебания солености — примерно от 8 до 46,5%0 (например, в Балтийском море соленость на поверхно­

солености с глубиной довольно сложно, однако при всем многообразии можно выделить четыре основных типа

87

3) умеренно тропический тип — высокая соленость у поверхности, ниже — опресненная прослойка полярного или субполярного происхождения, еще ниже — неболь­ шое повышение, затем понижение солености к дну (про­ никновение антарктических придонных вод);

Со/ТёИость S ,%

Рис. 14. Типичные кривые распределения солености по глу­ бине в Мировом океане: полярного (1), субполярного (2), умеренно, тропического (3) и экваториально-тропического (4)

типа

88

сопровождается более заметными колебаниями, дости­ гающими десятых долей промилле, а в поверхностном слое — еще большими колебаниями (например, в Бен­ гальском заливе до 3%0) [1].

В связи с тем что в океане существует постоянство соотношений концентраций между главными ионами, уместно предположить, что достаточно определить кон­ центрацию любого из них, а концентрацию остальных ионов, соленость и плотность морской воды можно вы­ числить с помощью эмпирических зависимостей.

марная концентрация которых (С1 %о) наибольшая и ко­ торую легче и точнее всего можно определить. Зависи­ мость между хлорностью С1 %0 и фактической суммой

в морской воде, к содержанию хлора 5/С1 носит назва­ ние хлорного коэффициента. Его значение для откры­ тых частей океана меняется очень слабо (в тысячных долях).

Формула (3.26) справедлива для широкого диапазо­ на солености (от 2 до 40%о) и обеспечивает вполне удовлетворительную точность, хотя фактическая соле­ ность оказывается несколько выше рассчитываемой по этой формуле. По формуле (3.26) составлена таблица 7 Океанологических таблиц Н. Н. Зубова [24], которая традиционно используется в практике океанографиче­ ских расчетов, несмотря на то, что в последние годы ря­ дом авторов установлены более .точные эмпирические зависимости, например формула (3.27), полученная по результатам исследований, выполненных по инициативе ЮНЕСКО в 1963 году:

89