В.А. Магницкий - Общая геофизика (1119278), страница 45
Текст из файла (страница 45)
2.4). Отличительная чертаэкваториального противотечения — его относительно большие скорости, достигающие 60 см/с на широте около 10°с.ш. При этом южноеи северное пассатные течения имеют скорости 40 и 20 см/с соответственно.Как показали работы последних лет, при расчете экваториальнойциркуляции помимо действия ветра необходимо учитывать и термохалинные эффекты.Изучая течения Мирового океана, нельзя пренебрегать широтной изменчивостью силы Кориолиса. Изменение этого параметрас широтой приводит к таким особенностям наиболее мощных дрейфововых течений, как сгущение линий тока около западных берегов и разрежение около восточных берегов океана в Северном иЮжном полушариях, поскольку то, что было левым относительномеридиана в Северном полушарии, становится правым в Южном инаоборот.Мощности современных вычислительных машин сделали возможной постановку гидродинамической задачи о течениях в переслоенном океане во всей полноте и сложности с использованиемграничных условий на поверхности и дне океана.
Такие работы внастоящее время интенсивно развиваются.Вместе с тем до настоящего времени продолжают оставаться актуальными и непосредственные измерения поля течений в различных районах Мирового океана. Именно инструментальным путемв 60-х гг. XX в. в Атлантическом океане советскими учеными было открыто течение Ломоносова, максимальная скорость которогодостигает 120 см/с.СИНОПТИ ЧЕСКИЕ ВИ ХРИВ ОКЕАН ЕХарактерной особенностью циркуляции вод Мирового океана являются так называемые синоптические вихри. Это нестационарныевихреобразные возмущения поля скорости с горизонтальными размерами порядка 300-400 км, охватывающие водные массы от поверхности до глубин в сотни и тысячи метров, нередко проникая до днаили почти до дна океана.
Поступательная скорость движения синоптических вихрей невелика, не превышает нескольких сантиметров всекунду. Океанские вихри такого масштаба делятся на вихри открытого океана и фронтальные, возникающие во фронтальных теченияхтипа Гольфстрима или Куросио.Фронтальные вихри Гольфстрима (ринги) рождаются при отсечении меандров от основной струи течения. Сами меандры возникаютв процессе развития неустойчивых волнообразных движений, существующих в основной струе Гольфстрима и характеризующихся длиной волны в 300-400 км и фазовой скоростью порядка 6-10 см/с.Меандры, отколовшиеся от основного течения, превращаются в теплые антициклонические или холодные циклонические вихри, располагающиеся соответственно слева и справа от основной струи.Пример трансформации циклонического меандра в синоптическийвихрь приведен на рис.
2.5. Скорость поверхностного течения в меандре перед его отрывом от течения может достигать нескольких метровв секунду.Фронтальный синоптический вихрь, отделившись от течения,может вести сепаратное, независимое существование на протяже-Рис. 2.5. Распределение температуры (°F) на глубине 200 м в районе Гольфстрима с16 по 22 июня 1950 г.
Заштрихованы области с температурой менее 65°F (18°С)(Океанология. Физика моря, 1978)нии нескольких лет, покрыв при этом в океане огромные расстояния (рис. 2.6).Часть циклонов Гольфстрима, не успев затухнуть, поглощаетсяФлоридским течением, а часть — очень медленно угасает в океане.Со временем диаметр вихря уменьшается, убывает его кинетическая и доступная потенциальная энергия.
Наблюдения и расчетыпоказали, что основной запас доступной потенциальной энергии циклонов Гольфстрима содержится в области главного термоклина ипримерно в 10 раз превышает их полную кинетическую энергию.Для антициклонов Гольфстрима это соотношение еще больше: ихдоступная потенциальнаяэнергия может превышатькинетическую энергию в30 раз.Фронтальные синоптические вихри — вихри одиночные, расстояния междуними во много раз превосходят их собственные размеры.Фронтальные вихри обнаруживаются на поверхности океана благодаряконтрасту между температурой и соленостью внутри вихря и вне его в окружающих водных массах.
Скорость вращениячастиц жидкости в вихреРис. 2.6. Перемещение одного из циклонов Голь- Очень велика И в верхфстрима с июня 1970 по апрель 1972 г. (Океано- нем слое океанаможетлогия. Физика моря, 1978)достигать нескольких метров в секунду. Такие скорости вращения воды в вихре определяют высокий уровень егокинетической энергии.
Знак вращения вихря с глубиной не меняется.Фронтальные вихри существуют и путешествуют по океану, почти не разрушаясь, на протяжении нескольких лет. Вихри представляют собой как бы ловушки, практически не обменивающиеся энергией с окружающими их водными массами.Из внешних факторов, оказывающих влияние на эволюцию вихря, следует выделить испарение с поверхности океана, что можетзаметно сказываться на термохалинной структуре синоптическихвихрей.Синоптические вихри открытого океана исследованы значительно меньше, нежели фронтальные вихри. Установлено, чтотакие вихри расположены в глубинах океана, имеют достаточноустойчивые размеры (порядка 100 км) и перемещаются со средней скоростью в несколько сантиметров в секунду.
Однако механизм возникновения синоптических вихрей открытого океана иих эволюция до настоящего времени неизвестны и требуют изучения.П ОВЕРХН О СТН Ы Е ВОЛНЫХорошо всем известные волны на поверхности морей, океанови пресных водоемов образуются главным образом под действиемсилы тяжести. Такие волны называются гравитационными. Пустьна поверхность жидкости, находящейся первоначально в состоянииравновесия, в течение малого промежутка времени Ат действуетдобавочное давление р , являющееся функцией координат. Это давление выведет жидкость из состояния равновесия.
Если вода — идеальная, несжимаемая однородная жидкость, то значение вектора скорости v, возникающей в жидкости под действием давления р , можнонайти, интегрируя уравнения Эйлера:АтАтАт(vV )v j / +00Атg d t - — grad0p dt(2.12)0Если добавочное значение р достаточно велико, то, несмотря наAtмалость временного интервала Ат, интегралонечен.
Остальными членами, стоящими в правой части уравнения(2.12), в силу малости величины Ат можно в этом случае пренебречь. Тогда из уравнения (2.12) с учетом равенства нулю скорости vв начальный момент времени можно записать(2.13)т.е. скорость может быть выражена как градиент некоторой функции Ф = J /p , которая, следовательно, является потенциалом скорости. Такое движение называется безвихревым. Возникшее движение будет оставаться безвихревым и далее, поскольку оно будетразвиваться под действием силы тяжести; являющейся также потенциальной.Существует две основные приближенные теории гравитационных волн: теория волн бесконечно малой амплитуды, которая является линейной, и теория длинных волн. В первом случае считается, что амплитуда волн мала по сравнению с длиной волны, во втором — глубина жидкости считается малой по сравнению с длинойволны.В теории гравитационных волн бесконечно малой амплитудыпри бесконечной глубине жидкости потенциал скорости имеет видФ(х, z, t) = С{е kz sin (кх — cot)(2.14)число, Я — длина волны, а> — ее частота.
С учетом выражения (2.14)можно показать, что для волн бесконечно малой амплитуды в случае бесконечно глубокого моря справедливо дисперсионное соотношение вида(2.15)со2 = gk,хорошо подтверждающееся на материалах натурных наблюдений.Это соотношение позволяет определять длину Я и фазовую скорость сволны по ее частоте со или периоду Т = 2л/со:1__ 8 ' 2л . gT2л ~ ш2 '_g2лсосо к '(2.16)Ясно, что фазовая скорость волны с есть не что иное, как скоростьдвижения ее формы. Используя дисперсионное соотношение (2.15),можно записать горизонтальную и и вертикальную w составляющиескорости движения частиц жидкости в волне в виде<?Ф gake kzл-iz,,лcos (кх — cot),и = -т— — ё——---- cos (kx —cot) = асое(2.17)ЭФ _ gafcg---- sjn (кх — cot) = аше *z sin (кх —cot).Отсюда следует, что составляющие скорости и и w равны друг другу, убывают с глубиной по экспоненциальному закону и фазы ихпротивоположны.
Легко показать, что траекториями частиц, которыесовершают волновое движение, являются окружности и радиус ихэкспоненциально убывает с глубиной. При этом затухание волнс глубиной происходит избирательно: короткие волны затухают быстрее, чем длинные. Это явление получило название гидродинамической фильтрации.В случае, когда гравитационные волны бесконечно малой амплитуды распространяются в жидкости конечной глубины Я, дисперсионное соотношение для них имеет видк sh кН - — ch кНgи параметры волн определяются следующими формулами:(2.18)мулы (2.16).Если же глубина жидкости мала по сравнению с длиной волныТакая ситуация имеет место при распространении приливныхволн в морях и океанах.
В этом случае траектории движения частиц жидкости становятся эллиптическими и вертикальная ось эллипса затухает с глубиной быстрее, чем горизонтальная. При этому дна частицы воды движутся уже только в горизонтальном направлении.Воздействие волн на берега, на гидросооружения и плавсредстваопределяется их энергией. Поэтому энергия волн является однойиз важнейших характеристик волнения не только с чисто познавательной точки зрения, но и с точки зрения решения прикладных задач. Полная энергия поверхностных волн складывается из кинетической и потенциальной.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
