В.И. Трухин, К.В. Показеев, В.Е. Куницын - Общая и экологическая геофизика (1119248), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Они возникают вследствие различия плотности морской воды на одной и той же глубине, что создает действующий горизонтальный градиент давления. Дальнейшее развитие теории морских течений связано с учетом топографии морского дна. В условиях крупномасштабных неоднородностей морского дна при расчете течений необходимо учитывать эффект бокового трения. Особенно большую роль сила бокового трения играет в мощных морских течениях, вторгающихся в виде струи в окружающие воды Мирового океана. Глава 10 Волны в океане Волновые движения в океане Одна из особенностей Мирового океана., приводящая к возникновению необычайно зрелищного и интересного явления, заключается в наличии свободной границы океана, которая энергетически прозрачна, легко деформируема и подвижна. Эта особенность приводит к возникновению и развитию морских гравитационных поверхностных волн, которые возникают под действием ветра н являются наиболее очевидным проявлением динамического взаимодействия океана и атмосферы.
В качестве силы, возвращающей в положение равновесия водную поверхность, выступает сила тяжести. Роль возвращающей силы может играть н сила поверхностного натяжения -- при этом возникают поверхностные капиллярные волны. Мелкая рябь, возникающая на поверхности пруда или лужи при порывах ветра, имеет именно такую природу. Однако наряду с поверхностными гравитационными и капиллярными волнами в океане существует множество других видов волн, которые играют важную роль в динамике океана.
Гравитационные волны возникают благодаря действию силы тяжести на частицы воды., отклоненные от положения равновесия. Сила тяжести возвращает их в исходное положение. Такие равновесные положения могут быть связаны со свободной поверхностью или внутренней геопотенциальной поверхностью в стратифицировапной жидкости. Подобно тому, как поверхностные волны существуют на границе вода-воздух, на границе раздела вод разной плотности будут существовать внутренние гравитационные волны.
Образование внутренних волн происходит не только при скачкообразном изменении плотности, но и при ее непрерывном распределении по глубине. Возникновение внутренних волн можно представить себе следующим образом. Если в покоящейся стратифицированной среде возникло возмущенно, которое вывело частицу воды из состояния равновесия, то возникает возвращающая сила, равная равнодействующей архимедовой силы и силы тяжести, вызывающая колебания около положения равновесия. 1йО 1эь 10. Волньь в океине Распространение этих колебаний в среде и представляет собой внутренние волны. Амплитуда волн этого типа в океане может достигать сотни метров, длина волны многие километры, но колебания водной поверхности при этом будут ничтожны.
Образование внутренних волн происходит под действием приливов, колебаний атмосферного давления, изменений поля приводного ветра, неустойчивости течений. Внутренние волны в океане имеют самые разнообразные формы — от почти синусоидальных до солитонообразных. Поверхностные течения, индуцированные внутренними волнами, оказывают сильное воздействие на короткие поверхностные волны, перераспределяют поверхпостоактивные вещества на морской поверхности. Образующаяся па поверхности зона выглаживания, так называемый слик, или наоборот зона повышенной интенсивности волнения, или сулой, в которой наблюдается обрушение волн, имеют форму вытянутых полос, распространяющихся вместе с группами внутренних волн.
По этим проявлениям на поверхности океана внутренние волны и обнаруживаются. Так как поверхностные гравитационнокапиллярные волны, поверхностно-активные вещества сильно влияют на коэффициент отражения электромагнитных, в том числе световых волн, внутренние волны хорошо обнаруживаются дистанционными методами, например, они видны из Космоса. Внутренние волны по сравнению с обычными поверхностными гравитационными волнами обладают рядом удивительных свойств. Например, групповая скорость внутренних волн перпендикулярна фазовой, угол отражения внутренних волн от откоса не равен углу падения ~73, 63~. При рассмотрении крупномасштабных явлений в Мировом океане необходимо учитывать эффекты вращения Земли, изменение глубины и наличие берегов.
Учет этих факторов обусловливает возможносчь существования особых типов волн в океане. Сила Кориолиса является причиной возникновения инерционных или гироскопических волн. Если во вращающейся системе координат частица воды движется с некоторой скоростью, то сила Кориолиса, действующая по нормали к скорости частицы., обусловливает возникновение дополнительного движения по окружности. Однако частица не может двигаться независимо. Образующийся градиент давления совместно с силой Кориолиса приводит к возникновению волновых движений. Если наряду с силой Кориолиса важную роль играет сила тяжести, то возникают гравитационно-гироскопические волны.
Изменение географической широты обусловливает изменение вертикальной составляющей частоты вращения, это приводит к 1Л. 10. Волны в океане образованию так называемых планетарных волн Россби, которые локализук>тся в узкой экваториальной зоне и охватывают всю водную толщу. Экваториальная зона играет роль своеобразного волновода.
Периоды волн Россби составляют десятки суток, длины волн достигают тысяч километров. Боковые границы и изменение глубины на шельфе приводят к существованию нескольких типов береговых захваченных волн — шельфовых, краевых, Кельвина, топографических волн Россби. Б возникновении этих волновых движений важна роль силы тяжести и равновесной потенциальной завихренности.
Береговые захваченные волны оказывают существенное влияние на перемещение наносов и загрязнений, формирование берегов и течения. Крупномасштабные волны типа волн Россби, Пуанкаре, Кель- вина оказывают существенную роль на термогидродинамику океана, взаимодействие атмосферы и океана, климат и погоду. Свойства многих этих волн существенно отличаются от свойств поверхностных гравитационных волн. Например, волны Кельвина локализованы в узкой шельфовой зоне и распространяются в Северном полушарии вдоль берега против часовой стрелки. Экваториальные волны Россби, имея пространственные масштабы в сотни километров, локализуются вдоль экватора и проявляются пе в изменении уровня моря, а прежде всего, в форме вихревых течений, для них не имеет места равенство потенциальной и кинетической энергий.
Сжимаемость жидкости приводит к существованию в океане акустических волн, а электропроводность и магнитное поле Земли обусловливают возникновение волн Альвена, Если изобразить спектр (зависимость волновой энергии Е от волнового периода Т) гидродинамических волновых движений в океане, то он будет иметь вид, представленный на рис.
10.1 ~73]. На спектре хорошо прослеживаются волновые колебания разных масштабов и периодов: область капиллярных и гравитационно- капиллярных волн, ветровые волны, зыбь, длинные гравитационные волны и цунами, приливные волновые периоды, инерционные периоды и планетарные волны. Основные факторы, обусловливающие волновые движения в океане Перечислим основные причины, вызывающие волновые движения в океане.
К таким причинам, прежде всего, следует отнести: гравитационные силы; !'л. 1О. Волны в океине 192 10е 10 10 103 10 10 рл Т 7 6 5 4 3 2 1 0 — 1 Рис. 10.1. Схематическое изображение энергетического спектра возму- щений, соответствующих разным типам волн в океане — силы поверхностного натяжения; приливообразующие силы, имеющие гравитационную природу; трение ветрового потока о водную поверхность или тангенциальное напряжение ветра; — вращение Земли; топография морского дна. Для грпесппациоиных воли существенны сила тяжести, наличие свободной поверхности, неоднородность среды по плотности, сферичность Земли, ее вращение и взаимодействие с Луной и Солнцем (приливообразующие силы).
Для ее!и!!оеысп воли наиважнейшими являются воздействие ветра на водную поверхность и сила тяжести. В начальный момент развития волнения или при слабом ветре и малом разгоне (т. е. при малых размерах части водоема, на которую воздействует ветер) существенны также силы поверхностного натяжения. Такие факторы, как сжимаемость среды и неоднородность ее по плотности, а также сферичность и вращение Земли для ветровых волн несущественны. 1л. 10. Волны о окваио Для внутренних волн, которыми буквально пронизана почти вся толща вод Мирового океана, существенно наличие изменение плотности в поле силы тяжести.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
