В.А. Магницкий - Общая геофизика (1119278), страница 42
Текст из файла (страница 42)
Пусть частица воздуха в некотором возмущении в этомпотоке может двигаться и колебаться в плоскости £у, где ось ofнаправлена к северу вдоль изэнтропической поверхности. Составляющие ускорения будут тоща пропорциональны агеострофическимотклонениям и равны, если считать, что угол осей (х, £) близок к л:,f -/(« -tg ;f -ft*(6.8)а изменения геострофического ветра, окружающего колеблющуюсячастицу, равны—=(6 .9 )Предположим, что и^ > 0.
Если• т-е- ж> /’(6Л0)то частица приобретает добавочное ускорение д и / dt = I (v — г>г) < 0,направленное в ту же сторону, что и скорость иg начального смещения. Малые возмущения поэтому могут вырастать в большие волны,или волны Рособи.Пусть в зональном потоке со скоростью v возникает малое возмущение с составляющими скорости и ', г/. Если поток горизонтальный,бездивергентный (w = 0, d i v у = 0) и баротропный ( д р / дх • др/ду —— др/ду - др / дх = 0), то уравнение сохранения вихря имеет вид[—где+U— + V — W* дхду)—\ +Риду) н= 0,'(6 .1 1 )/3 = — 2оо cos ip !г (г — радиус Земли).Подставляя и — и ', v = v + v' и пренебрегая малыми произведениями u'v' и и '2, получим:( ! +* i) ( f|612>Обозначим через W(x, у) функцию тока возмущения, такую, чтои ’ = — d W / ду, v f = дЧ*/дх.
Подставляя в (6.12), находимд2Ч>дх2д2Ч>_ у 3 ^ = 0.(6.13)дуdf\/Решением этого уравнения является, в частности, выражениегде В — амплитуда, L — длина волны, d — ширина пояса, в которомпроисходят колебания, с — фазовая скорость волны. Подставляя(6.14) в (6.13), имеем(6.15)Так как /?<0, то скорость с тем меньше, чем больше L. В низкихширотах, где скорость v направлена к западу и параметр 1/31 велик,фазовая скорость волны с < 0 и волны распространяются к западу(как восточные волны).
В умеренных широтах 0 < с < v и циклоны движутся на восток. При длине волныс = 0 и возмущения будут неподвижны. Таковыми могут быть либо очень длинные волны, либо волны при малой v — слабом общем потоке, например, в окклюдирующемся циклоне. Таковы жеустойчивые динамические антициклоны, в частности Азорский иГонолульский в северном тропическом поясе, для которых L == 18 ООО км.Число волн, укладывающихся на широтном круге <р, можно назвать волновым числом к { к — 2лг cos^)/L).
Карты барической топографии уровней 700, 500 мбар и более высоких уровней всегдаобнаруживают несколько (к = 5-6 и более) таких волн. Весьма давно существует в синоптике правило о повторяемости измененийпогоды через Т = 5-5,5 дня ( Т = b / v ), хотя оправдываемость этогоправила и невысока. Над небольшими источниками тепла, такими,как Средиземное или Черное море, длина волн L мала (к до 30).Волна в верхней тропосфере, создающая, в частности, прорывхолодного воздуха далеко на юг в ложбине волны, может быть причиной образования циклонов в нижней тропосфере из-за холоднойадвекции, уменьшения I в низких широтах и усиления конвергенции. Аналогично прорыв теплого воздуха на север — теплая адвекция — ведет там к антициклогенезу.
Циркуляция тропосферы распадается на разбросанные вихри.СТРУЙ Н Ы Е ТЕЧЕНИЯОдной из особенностей циркуляции тропосферы и иногда стратосферы являются струйные течения. Так называют узкое течениебольшой скорости, чаще всего западное, небольшого вертикальногопротяжения и значительной длины — иногда более 10 000 км, временами возникающее в атмосфере. В плане струйное течение нередко “змеится”, следуя изогипсам — линиям тока длинных волн,их гребням и ложбинам. Максимальное значение скорости на осиструйного течения может достигать 150-160 м/с. При таких скоростях — около половины скорости звука — динамическое давлениев струе сильно уменьшается и струя сжимается в соответствии с теоремой Бернулли.Струйные течения возникают при большом сближении изогипс — больших др/дп и дТ /дп — близ границ теплых и холодныхмасс воздуха, теплых морских течений, границ степи и тайги в Азиии пр.
Скорость в струйных течениях может быть отлична от геострофической. Вертикальные градиенты dv/dz в струйных теченияхочень велики и могут достигать 64 м /(с км). Они создают значительную турбулентность, “болтанку” самолетов, волнистые формыоблаков и т.д.Сравнительно постоянное субтропическое западное струйное течение находится над континентами между 25 и 35° с.ш. с осью навысоте 10-11 км и максимальной скоростью v mSLX= 40-50 м/с.
Гораздо более изменчиво и в пространстве и во времени полярное струйноетечение — между 45-70° с.ш. с осью в среднем на высоте 9 км иt>max = 39-48 м/с. Такое струйное течение, направленное от Японии кКамчатке, дает временами над Южно-Сахалинском ветер до 128м/с. Еще большие скорости (до 137 м/с) наблюдались на о. Визе вЦентральном Арктике.МУССОНЫМуссонами называют воздушные течения большого масштаба, зимой направленные с континента на океан, летом — с океана наконтинент, достаточно устойчивые, иногда сильные, иногда умеренной скорости. Выше уже указывалось, что муссоны зависят от неодинакового нагревания суши и моря (суша зимой заметно холоднее, алетом теплее, чем море) и от возникающей, таким образом, разностидавлений.
Однако зависимость между волнами давления и температурой в атмосфере при муссоне гораздо сложнее, чем при бризе,прежде всего из-за влияния силы Кориолиса, существенно меняющейся с широтой. Действительно, обширные области муссонов расположены в тропических зонах Африки, Азии и Австралии — зонах,где муссон взаимодействует с потоками пассатов обоих полушарийпри К О и I > 0.Кроме упомянутых областей муссоны существуют и над Восточной Азией: зимой холодный сухой ветер дует из области Сибирского антициклона над Дальним Востоком и Китаем. Летний муссон в Восточной Азии, гораздо более слабый и менее устойчивый,возникает при формировании небольших циклонов, например, надМаньчжурией.Многие свойства муссона пока еще изучены недостаточно.
Особенно трудно объяснима и непредсказуема большая изменчивостьмуссона.ЧАСТЬ IIIФИЗИКА ГИДРОСФЕРЫ ЗЕМЛИСо школьной скамьи все мы знаем, что вода покрывает 75%поверхности земного шара. Это и ослепительно синие огромные океаны и моря, и нежно-голубые озера и водохранилища, и многочисленные реки, серебристыми лентами пересекающие территорию всехматериков.
Каждый водный объект, будь то океан, море, озеро, искусственное водохранилище или река, можно уподобить сложномуорганизму, в котором одновременно протекают многочисленные физические, химические и биологические процессы. Изучением физических процессов в гидросфере Земли занимается физика моряи вод суши.ГЛАВА IОБЩ ИЕ СВЕДЕНИЯ О М ИРОВОМ ОКЕАНЕМировой океан состоит из четырех океанов: Тихого, Атлантического, Индийского и Северного Ледовитого. Части океана, примыкающие к материкам, составляют окраинные моря. Это, например, Карское, Баренцево, Охотское и др.
В отдельную группу выделяютсявнутренние моря, которые соединяются с Мировым океаном проливами или представляют части океана, отделенные от него цепями островов. В качестве примера внутренних морей можно назвать Средиземное и Черное моря. Полностью изолированным от Мирового океанаявляется Каспийское море.Рельеф океана весьма сложен.
К основным формам рельефа относятся шельф, или материковая отмель, материковое подножие и самоложе океана. Последнее разделяется на срединно-океанические хребты, глубоководные желоба и впадины и на отдельные котловины.Таких котловин в Мировом океане насчитывается чуть меньше 100.Их обособленное расположение по отношению друг к другу и определяет неоднородность распределения физических свойств воды в придонной области Мирового океана.Одна из важнейших областей Мирового океана с точки зренияпрактического использования — его шельф. Вместе с тем именно вшельфовой зоне особенно ярко проявляется вся сложность физических процессов, протекающих в гидросфере Земли.Химически чистая вода представляет собой соединение кислорода с водородом Н20 и в природных условиях встречается в трехфазах: жидкой — океаны, моря, реки, озера, водохранилища, подземные воды; газообразной — в атмосфере и под землей и твердой —льды и снежный покров.
Вода обладает рядом аномалий, из которых с точки зрения физических процессов, протекающих в гидросфере Земли, наиболее важны следующие. В отличие от огромного большинства веществ, для которых твердая фаза является более плотной,чем жидкая, плотность льда существенно меньше плотности воды(примерно на 10%). Максимальной плотностью пресная вода обладает при температуре + 4°С, а не при нулевой температуре. Во всехестественных водоемах помимо обычной воды Н20 в ничтожныхдолях (порядка десятитысячных долей) присутствует тяжелая вода,представляющая собой окись дейтерия. Для тяжелой воды температура максимальной плотности составляет 11,6°С. Вода естественныхводоемов — это основной вид сырья для получения тяжелой воды,необходимой для атомной промышленности.СОЛЕН ОСТЬ В О Д М И РОВОГО ОКЕАН АХарактернейшей особенностью вод Мирового океана является ихсоленость, т.е.
наличие в воде растворенных минеральных солей.Соленость — величина безразмерная, ее измеряют в промилле —тясячных долях (%о). Соленость вод открытого океана от района крайону меняется от 31 до 38%о. Экстремальные значения солености(минимальные и максимальные) наблюдаются во внутренних морях.
Если во внутреннем море осадки и речной сток преобладаютнад испарением с его поверхности, то соленость такого моря будетниже, чем в Мировом океане. Примером могут служить Черноеи Балтийское моря, соленость которых составляет 23 и 20%о соответственно. Если же в водном балансе внутреннего моря преобладает испарение, то соленость такого моря будет выше, чем в океане.Так, например, в Средиземном море она составляет 38%о, а в Красном — 41%0. Крупномасштабные неоднородности распределения солености в океане обусловлены распределением испарения и осадков,а также вертикальной и горизонтальной циркуляцией вод Мировогоокеана.Интересной особенностью распределения солености вод Мировогоокеана является наличие промежуточного, относительно распресненного слоя воды, существующего в трех океанах (Атлантическом, Тихом, Индийском) на глубине 500-1500 м и имеющего форму антарктического кольца.
Прослойка слабосоленого слоя воды существуеттакже и в северной половине Тихого океана, где она формируется вверхнем слое океана. Эта особенность в распределении солености водМирового океана все еще недостаточно изучена и понята. Проникновение в Атлантику через глубинную часть Гибралтарского проливасредиземноморской воды формирует в Атлантическом океане прослойку вод с относительно высокой соленостью.ТЕМ П ЕРАТУ РА В О Д М И РОВОГО ОКЕАНАТемпературный режим Мирового океана определяется в основномдвумя процессами: поверхностным и объемным поглощением солнечной радиации и испарением с его поверхности. Перераспределение температуры в водах океанов и морей связано с крупномасштабными океанскими течениями, горизонтальным и вертикальным турбулентным перемешиванием.Основной особенностью вертикального распределения температуры в водоемах является наличие так называемого слоя скачкатемпературы — сезонного термоклина.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
