Морские информационно-управляющие системы Май 2014, № 4 | Page 47

0

а

b

30
25

3

15

t*, S

20

2

10
5

100

Глубина, м

Физическая природа значений температуры особых точек (их в воде и льде несколько десятков [2]) остается пока
неясной. Удалось [2] установить совпадение энергии
kTс = hΩ (1)
теплового движения kTс и вращательного кванта hΩ спиновых орто-пара изомеров молекулы Н2О  в  окрестности
температур особых точек Tс. Резонансные столкновения
(1) приводят к орто-пара конверсии в смешанных квантовых состояниях спиновых изомеров Н2О [2, 5, 6], которые
принципиально отличаются квантовыми свойствами. Отметим, что один из спиновых изомеров, орто-Н2О, имеет
магнитный момент, проявляется в ЯМР томографе и всегда
вращается [8], тогда как пара-изомер Н2О  не  имеет магнитного момента, и  часть из  них может не  вращаться.
Изменение соотношения орто-пара изомеров, особенно
в окрестности значений температуры особой точки, меняет способность молекул воды к  образованию водородосвязанных комплексов и другие свойства воды [6, 8, 9].
Такое кратное уменьшение сил внутреннего т рения
при температуре 19–20° С (см. рис. 2) в большом объеме
потока Гольфстрим может сопровождаться его соскальзыванием с  прежней траектории русла (как автомобиль
на  скользком повороте) и  сохранением инерционного
движения на  север, «проскакивая» поворот на  восток.

Вязкость, о.е.

Осенью 2011  г. было обнаружено заметное потепление
и  значительное увеличение скорости течения на  шельфе у  берегов Новой Англии. Измерения, выполненные
учеными института Океанографии США – (Wood Hole
Oceanographic  Institution (WHOI)) – показали, что основное русло Гольфстрима аномально (более чем на  200  км)
сместилось на  север и  прижалось к  берегам Северной
Америки [1]. Сильный до  19–20° С  нагрев верхнего слоя
(до 50–70 м) океана (больше обычного на 6,5–6,7°) с одновременным повышением солености (см. профиль на рис. 1)
не  удовлетворял какому-либо известному на  настоящий
момент механизму.
В физике воды [2] эта область температур известна как
температура особой точки – локального экстремума сдвиговой вязкости или внутреннего трения. Ранее [3] было
экспериментально установлено, что сдвиговая вязкость
уменьшается кратно (в  3–5  раз) в  окрестности температуры особых точек воды 4  и  19° С  (см.  рис.  2  по  данным
работы [3]).
Из рисунка видно, что снижение температуры раствора
соли на 3–5 градусов с 20 до 14–15° С сопровождается быстрым увеличением сдвиговой вязкости. Отсюда следует,
что температура воды в океане в окрестности 19–20° С является управляющим фактором, который существенно
меняет значение коэффициента внутреннего трения и,
соответственно, реологические свойства воды. Заметим,
что для пресной воды (рис. 2, сплошные круги) изменения
вязкости менее критичные и  более инерционные по  температуре, чем для соленой. Очевидно, что гидродинамика
жидкости будет отражать подобные изменения внутреннего трения, в частности, это будет проявляться и в перемещении больших объемов океанских течений, например,
фрагмента 100х100х0,1  км3  Гольфстрима, что является типичной ячейкой расчетных моделей движения [4].

1

5
200

300
5 Дек.
8 Дек.
20 Дек.
21 Дек.

400
5

10
15
20
Температура, °С

35

35,5 36
Соленость

36,5

Рис. 1. Вариации профиля температуры (а) и солености (b) по данным работы [1].

10
Температура, °С

15

20

Рис.  2. Зависимость времени восстановления (правая шкала, секунды) оптических неоднородностей
в воде (сплошные точки) и растворе соли NaCl (крестики), измеренная методом теневой фотографии
области механического возмущения в объеме сосуда.
1 – скорость сдвиговой деформации воды (левая
шкала)
2 – время восстановления оптической однородности
воды (правая шкала)
3 – время восстановления оптической однородности
солевого раствора воды (правая шкала)
No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

45