Речной шлейф — это распреснённая водная масса , которая образуется в море в результате смешивания речного стока и соленой морской воды . [1] Речные шлейфы образуются в прибрежных морских зонах во многих регионах мира. Речные шлейфы, как правило, занимают широкие, но неглубокие слои морской поверхности, ограниченные резкими градиентами плотности . Площадь речного шлейфа на 3-5 порядков больше его глубины; поэтому даже небольшие реки со скоростями стока ~1-10 м/с образуют речные шлейфы с горизонтальной пространственной протяженностью ~10-100 м. Площади речных шлейфов, образованных крупнейшими реками, составляют ~100-1000 км 2 . Несмотря на сравнительно небольшой объём общего пресного стока в Мировой океан , речные шлейфы занимают до 21% площади шельфа океана, т. е. несколько миллионов квадратных километров. [2]
В некоторых случаях речные шлейфы называют областями влияния пресной воды (ROFI), хотя предпочтительнее использовать этот термин для областей, в которых несколько источников добавляются к поступлению пресной воды в зону, или для мелководных фрикционных шельфов . [1] ROFI и речные шлейфы различаются по изменению во временных и пространственных масштабах. Речной шлейф можно определить как плавучую массу воды , которая возникает из-за речного сброса в прибрежный океан и изменяется в суточном и синоптическом масштабах времени. [3] На краях этой водной массы происходит смешивание, создавая область, прилегающую к речному шлейфу, которая разбавлена и более пресна по сравнению с открытым океаном, но не имеет четкой границы. Эта расширенная область называется областью влияния пресной воды, ROFI . [3] Из-за косвенного влияния сброса пресной воды ROFI включают динамику и пространственную протяженность речных шлейфов, но обычно оцениваются в сезонных, годовых и десятилетних временных масштабах. [3]
Речные шлейфы играют важную роль в глобальных и региональных взаимодействиях суша-океан. Речные сбросы обеспечивают большие потоки плавучести , тепла , терригенных осадков , питательных веществ и антропогенных загрязняющих веществ в океан . Речные шлейфы сильно влияют на многие физические , биологические и геохимические процессы в прибрежных и шельфовых морских районах, включая стратификацию морской воды , прибрежные течения , углеродные и биогеохимические циклы, первичную продукцию и морфологию морского дна . [1]
Речной шлейф — это динамическая система, на которую влияют процессы с широким диапазоном временных и пространственных масштабов, которые зависят от размера и формы эстуария , а также от типа и изменения воздействия со стороны эстуария и океана . Механизмы обратной связи между осадками , отложенными шлейфом в подводной дельте , и геометрией дельты создают сложную систему. Из-за этой сложности (пока) не существует общей, простой теории, которая предлагает количественную предсказуемость для движения частиц и структуры речных шлейфов; [1] однако, некоторые теории, включающие упрощенные предположения, помогли в понимании важных аспектов прибрежных течений, находящихся под влиянием плавучести . [4] Как обычно используется в гидродинамике , описание этих сложных течений облегчается с помощью масштабного анализа для определения соответствующих процессов. Основными параметрами, определяющими структуру и масштаб отдельного речного шлейфа, являются расход пресной воды , приливная энергия , батиметрия/геометрия береговой линии , окружающие океанические течения , ветер и вращение Земли . [1]
Баланс между важными процессами меняется в зависимости от положения в струе. Можно выделить следующие области: область источника, точку отрыва, фронт и область ближнего поля. За пределами самой струи, но в пределах ее области влияния находятся область среднего поля и область дальнего поля. [1]
В области источника или эстуария плавучесть и импульс пресноводного притока из эстуария являются доминирующими свойствами, которые определяют начало речного шлейфа. Конкуренция между стратификацией, вызванной рекой , и приливным перемешиванием задает характерные свойства речного шлейфа. Эта конкуренция может быть отражена в (безразмерном) эстуарном числе Ричардсона , которое определяется как [5]
где
где
Большое эстуарное число Ричардсона (т.е. ) указывает на то, что пресноводные процессы доминируют по сравнению с приливным влиянием, и можно ожидать развития речного шлейфа. [1]
В случае сильного речного воздействия, часто с большим эстуарным числом Ричардсона , передняя часть струи отделяется от дна . Положение, в котором происходит это разделение потока, называется точкой отрыва и устанавливает обращенный к суше край ближнего поля. Эта точка важна в речных струях с поверхностной адвекцией. [6] [7]
В ближнем поле импульс струи больше ее плавучести . Этот баланс представлен в (безразмерном) числе Фруда и больше единицы в ближнем поле, что указывает на сверхкритический поток . Как точка отрыва, так и внешняя граница ближнего поля, фронт струи, характеризуются критическими условиями потока ( ), а поток в области ближнего поля демонстрирует черты, похожие на струю. [8] Баланс импульса определяется баротропными и бароклинными градиентами давления , турбулентными напряжениями сдвига и ускорением потока. Замедление потока в основном вызвано напряжениями сдвига на границе струи с окружающим океаном . В некоторых случаях область ближнего поля не будет существовать. Например, это имеет место, если ширина устья реки велика по сравнению с радиусом деформации Россби , , и приток пресной воды покинет устье реки в виде струи дальнего поля. При больших приливах ближний шлейф также называют приливным шлейфом. [9]
Область, в которой инерционная струя ближнего поля переходит в поток, в котором доминируют геострофические или ветровые процессы , называется средней зоной. Баланс импульса средней зоны определяется вращением Земли ( эффект Кориолиса ), поперечными градиентами внутреннего давления и иногда центростремительным ускорением. Первоначальный импульс оттока из источника теряется, и ветровое воздействие (или вращение Земли в случае небольшого ветрового воздействия) постепенно становится наиболее важным параметром. В результате поток меняет свою скорость, направление и характер распространения. Когда влияние ветрового воздействия мало, оттоки иногда могут образовывать рециркуляционную выпуклость; [1] [6] однако, свидетельства такой особенности в полевых наблюдениях скудны. [10]
Еще дальше от источника находится дальняя зона, где струя утратила всякую память об импульсе оттока. Баланс импульса дальнего поля определяется вращением Земли ( эффект Кориолиса ), плавучестью , ветровым воздействием и донным напряжением. Дальнее поле может охватывать большие площади, до сотен километров от источника. Суточная и полусуточная изменчивость дальнего поля обычно регулируется приливами , синоптическая изменчивость — ветровым воздействием, а сезонная изменчивость — речным стоком. При отсутствии сильного ветрового воздействия и сильных течений дальний шлейф может вести себя как поток относительно пресной воды в направлении распространяющейся волны Кельвина . Примеры этого можно наблюдать в Рейнском ROFI , где речной шлейф можно проследить вдоль всего побережья Нидерландов. [11] Характер этого прибрежного течения различен в случае мелководных морей, когда течение занимает всю толщу воды и на его движение влияет придонное трение , и в случае поверхностного адвективного шлейфа, вертикальный размер которого меньше глубины воды. [1] [6]
На самом базовом и идеализированном уровне речные шлейфы можно классифицировать как поверхностно - адвективные или придонно -адвективные . [6] [12] Шлейф считается придонно-адвективным, когда он занимает всю толщу воды от поверхности до морского дна . В этом случае его стратификация в основном горизонтальная в результате сильной адвекции по всей толще воды , особенно вблизи дна . Поверхностно-адвективный шлейф не взаимодействует с дном, поскольку его вертикальный размер меньше его глубины. В этом случае шлейф в основном вертикально стратифицирован . Дифференциацию между этими двумя (идеализированными) типами речных шлейфов можно провести, оценив набор параметров, как установлено Янковским и Чепменом в их статье от 1997 года. [6] Расстояние, на которое пресноводный речной шлейф переносится через шельф процессами на поверхности, определяется как
где
Вплоть до точки отрыва струя все еще «чувствует» дно, и говорят о струях, адвецированных дном, и соответствующие процессы, связанные с динамикой дна, должны быть учтены. [13] Вертикальные масштабы речных струй, образованных крупнейшими реками мира, составляют 10-20 м, в то время как вертикальный масштаб большинства речных струй составляет менее нескольких метров. В результате большинство речных струй в мире являются поверхностно-адвектированными; то есть часть, адвецированная дном вблизи устья до точки отрыва в этих струях, намного меньше части, адвецированной поверхностью. Речные струи с большими донными адвектированными частями образованы в основном крупными реками, которые впадают в мелководные морские районы, такими как струя Волги в северной части Каспийского моря .
Донные адвективные струи часто характеризуются большими условиями сброса и, как правило, менее чувствительны к ветровому воздействию и соответствующей адвекции и перемешиванию. [6] Этот тип адвекции обусловлен донным переносом Экмана , который перемещает пресный или солоноватый речной сток с плотностью и скоростью из эстуария шириной и глубиной во фронтальную зону через шельф. Это показано на рисунке справа. Когда фронтальная зона находится достаточно далеко от берега, динамика термического ветра может переносить весь объемный поток от эстуария. Положение поперек берега , которое обозначает ширину прибрежного течения, и равновесную глубину , на которой струя отделяется от дна, можно рассчитать в условиях равновесия с определенным уклоном дна по формуле
. [6]
Обратите внимание, что это справедливо только тогда, когда . Когда нижний слой Экмана не может транспортировать речной сток в сторону от берега, а другой процесс управляет распространением. В этом случае обнаруживается только поверхностный адвективный шлейф. [6] [7]
Поверхностно-адвективные струи возникают, когда выполняется ранее определенное условие . Поверхностно-адвективный струйный поток имеет типичную структуру речного струйного потока, как описано в разделе «Структура речного струйного потока». В области около устья начальный импульс речного оттока является доминирующим механизмом, после чего вступают в силу другие процессы, такие как воздействие ветра и эффект Кориолиса . В поверхностно-адвективном струйном потоке,. процессы, связанные с взаимодействием с дном, такие как развитие донного слоя Экмана, не имеют значения. Поэтому определенный параметр можно игнорировать в этом подходе, поскольку он не имеет физической основы. [6] [7]
В случае, если глубина притока меньше глубины , а расстояние, на которое придонный слой Экмана переносит речной сток, меньше расстояния, на которое поверхностные процессы переносят речной сток, ( ), можно обнаружить промежуточный шлейф. В промежуточном шлейфе можно обнаружить оба режима. Естественно, что участок с адвекцией дна можно обнаружить ближе к устью эстуария, а участок с адвекцией поверхности можно обнаружить дальше от берега. Точка подъема разделяет области. [6] [7]
Подход может быть далее обобщен путем безразмерного приведения параметров. Безразмерные параметры имеют преимущество упрощения динамики соответствующих процессов путем оценки величины различных членов. В случае речных шлейфов это дает дальнейшее направление базовой классификации и их различной динамике. Два наиболее важных безразмерных числа — это число Бюргера , которое выражает относительную важность плавучести , и число Россби , которое выражает относительную важность адвекции. Перегруппировка приводит к следующим безразмерным расстояниям между берегами и :
.
Те же режимы, которые обсуждались выше, справедливы для безразмерных параметров. Дно-адвективные струи ( , ) в целом имеют малые числа Бюргера, и поэтому плавучесть относительно не важна. Поверхностно-адвективные струи ( ) в целом имеют большие числа Бюргера, и поэтому плавучесть важна. Кроме того, число Россби указывает, классифицируется ли струя как поверхностно-адвективная струя или промежуточная струя. Относительно большое число Россби по сравнению с числом Бюргера указывает, что адвекция важна по сравнению с плавучестью и позволит произойти по крайней мере частичной донной адвекции, так что можно ожидать промежуточную струю. [6] [12]
Обратите внимание, что описанная выше схема была разработана для идеализированных случаев: то есть для речных шлейфов при отсутствии внешнего воздействия, которые впадают в море с идеализированной батиметрией и береговой линией.
Речные шлейфы изменяются в суточном и синоптическом масштабах времени. [3] В этом диапазоне временных масштабов наиболее важные периодические изменения лежат в пределах приливного цикла, в котором можно выделить приливной цикл (ежедневный) и весенне-квадратурный цикл (двухнедельный). [14] Это баротропное изменение величины и направления приливной скорости приводит к изменчивости силы и устойчивости речного шлейфа. [7] Это уже ясно из конкуренции между речным стоком и приливным перемешиванием, отраженной в (безразмерном) эстуарном числе Ричардсона , которое используется для общей оценки того, может ли речной шлейф развиваться в определенной системе. [5] Приливная динамика приводит к следующей общей динамике речных шлейфов.
Приливной цикл состоит из периода прилива или течения к суше и периода отлива или течения к морю. [15] При постоянном речном стоке можно обнаружить стабильную стратификацию в условиях отлива и нестабильную стратификацию в условиях прилива. [11] Это схематически изображено на рисунке справа. Смешивание, которое происходит в условиях прилива из-за нестабильной стратификации, ослабляет стратификацию и эффективную адвекцию речного шлейфа [11] и происходит в ситуациях с низкими эстуарными числами Ричардсона .
В условиях отлива стратификация усиливается. Это приводит к стабильным условиям и сильной адвекции на поверхности. [11] Из-за сохранения массы эта ситуация требует усиленных потоков к суше вблизи дна. Этот процесс называется приливным напряжением. В случае открытого побережья начинают играть роль двумерные эффекты. Бароклинный перенос Экмана вызывает подъем глубинных вод во время отливов и опускание глубинных вод во время приливов. [5] Таким образом, эти эффекты бароклинного подъема глубинных вод могут заставить отливы переносить питательные вещества и осадки к побережью. [11]
В течение цикла весна-неап бароклинные эффекты в течение приливного цикла усиливаются и способствуют либо увеличению приливной деформации, либо приливному перемешиванию. [11] Весенние приливы характеризуются относительно большими приливными амплитудами и скоростями приливного течения. [15] Это приводит к увеличению приливного перемешивания в течение всего приливного цикла и ослаблению стратификации . [11] В некоторых областях стратификация полностью исчезает, что приводит к хорошо перемешанной системе, и эти системы могут включать речные шлейфы только некоторое время. [7] В системах открытого побережья условия весенних приливов обычно приводят к увеличению эффектов нисходящего потока от плавучего речного шлейфа, вызывая увеличение переноса осадка и питательных веществ в сторону моря . [11]
Квадратурные приливы характеризуются относительно низкими приливными амплитудами и скоростями приливного течения. [15] Такая ситуация благоприятствует эффекту приливного напряжения, который наблюдается во время отливов из-за уменьшения приливного перемешивания и увеличения дифференциального потока в течение приливного цикла . [11] Из-за более сильного эффекта приливного напряжения условия квадратурных приливов обычно характеризуются увеличением течения к суше вблизи дна и связанным с этим усилением эффектов прибрежного апвеллинга . [11] В экстремальных случаях это может привести к большим отложениям на пляже , таким как массовое выбрасывание морских звезд на берег около Схевенингена 30 января 2019 года. [16]
Примером поверхностно-адвективного струйного потока является струя реки Фрейзер . Струя реки Фрейзер содержит все динамические области, ясно видимые из космоса. Первоначальная струйная структура постепенно переходит в струйный поток дальнего поля дальше от берега, который отклоняется вправо, как и ожидалось в Северном полушарии из-за эффекта Кориолиса . Другие подобные речные струи — это струи реки Колумбия , реки Ниагара и реки Гудзон . [1] [9]
Шлейф реки Амазонки является примером речного шлейфа, в котором вращение Земли не играет роли. Из-за высокого расхода, соответствующего импульса оттока и экваториальной широты динамика шлейфа в основном характеризуется внутренним числом Фруда . Окружающие течения переносят шлейф от устья. [1] [13] Похожие шлейфы можно найти в других местах вдоль экватора .
Динамика струи реки Мерси в устье залива Ливерпуль показывает большое сходство с струей, переносимой ко дну. [17] Это происходит из-за сильного влияния дна и донного трения на поток, и это контролирует поперечное распространение и масштаб длины. Этот тип струи часто можно найти в пограничных морях и шельфовых морях , таких как в Северном море в устье Рейна . [ 1] [18]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )