В.А. Магницкий - Общая геофизика (1119278), страница 48

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 48)

Длятаких исследований используется спутниковая информация.Велико влияние внутренних волн на процессы, протекающие в во­дах Мирового океана и связанные с горизонтальным и вертикальнымtS ,V\J3£ чx3 «8 xS1№9b >>HSmrt wg53* str* S05.2005. J0OS. 01,,0ЧЛ7•Ss 3*Я о§о &S° S' 0 , 0 4« 25x яcd H <D J*VO оО) Л e 9чU 2 Sо4 <* ЙS 3. tS=t<NI ss£0Q, •Dw2i cd <a, s S Sперемешиванием водных масс. Изучение внутренних волн необходи­мо для решения целого ряда задач гидрооптики, гидроакустики, гид­робиологии.ДЛ И Н Н Ы Е ВОЛН ЫДлинными называются волны, длина которых много больше глу­бины водоема, в котором они распространяются. Примерами могутслужить приливные волны, наблюдаемые в океанах и окраинныхморях, волны цунами, а также ветровые волны и зыбь, распростра­няющиеся на мелководье.

В пресных водоемах это волны паводка.Длинные волны могут быть описаны в рамках линейной теории,если их амплитуда многоменьше длины и дисперсияотсутствует. Коща же этиh^----- —условия не выполняются, не­обходимо использовать не­Нлинейную теорию. Длинныеволны описываются линеари­зованной и нелинеаризованной модификациями уравне­ния, предложенного Картевегом и де Вризом.

Решениюэтого уравнения соответству­ют два вида волн — пери- -5-з- 1 0 1зх/Ьодические и уединенные.Уединенная, или одиночная, р ис. 2.13. Схематические изобажения уедиволна (рис. 2.13) НОСИТ также ненной, или одиночной, волныназвание солитона и пред­ставляет собой изолированный водяной холм, распространяющийсяс постоянной скоростью без изменения своей формы. К такому типуволн ближе всего волны цунами.П РИ ЛИ ВЫЛюбая точка земной поверхности испытывает на себе воздей­ствие, с одной стороны, гравитационного поля Земли, Луны и Солн­ца, а с другой — центробежной силы, возникающей в результатевращения Земли вокруг своей оси.

Изменение во времени взаимно­го расположения Земли, Луны и Солнца отражается на гравитациоикых силах, которые действуют на любую материальную точку,находящуюся на земной поверхности, и в частности на водныемассы Мировою океана. В результате такого воздействия возни­кают приливные явления. Приливообразующая сила, действующаяна водные массы Мирового океана, представляет собой разность силпритяжения в произвольной точке земной поверхности и в центреЗемли.Первая теория приливов была построена в рамках грубых предпо­ложений, а именно считалось, что океан сплошь покрывает поверх­ность Земли, а силы инерции и силы трения при этом не учиты­вались.

Очевидно, что эти предположения не соответствуют дейст­вительности. Силы инерции, внутреннее трение, трение о дно иналичие материков в той или иной степени учитываются всеми по­следу ющими теориями приливов.Приливообразующая сила колеблется во времени по сложно­му закону, и при этом можно четко выделить следующие перио­ды: полусуточные (наибольшей амплитуды), суточные и полуме­сячные.Во время приливов и отливов частицы жидкости проходят в го­ризонтальном направлении путь, измеряемый километрами, в то жевремя смещение их по вертикали составляет всего несколько мет­ров. Эта особенность приливных движений позволила разработатьтеорию приливов, получившую название каналовой.

Согласно этойтеории, фазовая скорость приливной волны имеет вид с = (gH)0'5(Н — глубина моря). Длину приливных волн можно оценить, исполь­зуя связь А = сТ. Ниже приведены оценки длины приливной волныдля полусуточного прилива:Я, мс, м /сА, км109,94445021,099210031,0140050070,031301000994400500021099201 00003101 4000Следует отметить, что приливные колебания наблюдаются одно­временно на всех глубинах. При уменьшении глубины, что имеетместо обычно в шельфовой зоне мо­ря, амплитуда и волновое число при­ливной волны возрастают (рис.

2.14).Этот результат хорошо объясняетсяканаловой теорией приливов.В своем движении в горизонталь­ном направлении частицы воды вовремя приливов и отливов переме­щаются с большими скоростями, об­Рис. 2.14. Нарастание ординат и одно­разуя приливные течения. При этомвременное уменьшение длины волныво время прилива частицы водыпри входе прилива на длинный учас­ток с непрерывно уменьшающейся глу­движутся от океана к берегу, абиной (ширина постоянная)во время отлива — наоборот.Как и всякое крупномасштабное течение, приливное течение подвер­жено воздействию силы Кориолиса, которое будет тем больше, чемвыше широты, в которых наблюдается это явление.

Если встатьспиной к океану, то в соответствии с действием силы Кориолиса вСеверном полушарии максимальный уровень во время прилива будетнаблюдаться у правого берега, а во время отлива — у левого.Прогнозирование прилива в конкретных окраинных морях весьмазатруднительно, так как это явление определяется в значительнойстепени местными факторами, к которым относятся очертания бере­гов, рельеф дна, формы моря, средняя широта его местоположения.Кроме того, необходимо учитывать силы трения о дно и внутреннеетрение между слоями воды.ЦУНАМИНаименее предсказуемым и вместе с тем наиболее опасным типомдлинных волн являются цунами. Длины таких волн лежат в диапа­зоне от нескольких десятков до нескольких сотен километров, пери­оды составляют от 2 до 200 мин, а скорость их распространенияв открытом океане достигает 800-1000 км/ч, т.е.

сравнима со ско­ростью реактивного самолета. Вместе с тем, поскольку крутизнатаких волн очень мала, в открытом океане их можно даже не за­метить. Однако параметры волн цунами резко меняются при подходек берегу. Здесь высота волн может вырасти до 30-40 м, и вся этаводная масса, обрушиваясь на берег, приносит неисчислимые бедст­вия и разрушения.Появление цунами возможно в результате целого ряда причин.Это могут быть подводные землетрясения и извержения вулканов,резкие изменения атмосферного давления и сильные подводные взры­вы.

Наиболее мощные цунами связаны с очагами землетрясенияв тихоокеанской зоне. При этом непосредственной причиной волнцунами являются подвижки окенского дна, т.е. быстрые измененияего формы.Поскольку в настоящее время практически невозможно ликви­дировать естественные причины возникновения волн цунами и нетмер борьбы с ними, то основной задачей защиты становится надежноеи своевременное оповещение о цунами-опасности. Получить сведе­ния о приближении волн цунами можно двояким путем. Первый —анализ записей сейсмографов в опасных районах, поскольку сейсми­ческие волны распространяются от очага землетрясения в 30 разбыстрее, чем волны цунами.

Второй путь — прямая регистрация этихволн в открытом океане и передача информации на берег. Практи­чески датчики уровня моря при этом могут быть вынесены на крайшельфовой зоны моря, т.е. на глубины порядка 200 м.Основными методами изучения волн цунами в настоящее вре­мя являются методы математического и лабораторного моделирова­ния.

Что касается теории волн цунами, то она все еще окончательноне разработана, что обусловлено недостаточностью эксперименталь­ных данных и данных натурных наблюдений.СЕЙ Ш ИИнтересным типом волн являются сейши, представляющие собойколебания, подобные стоячим волнам. Сейши характерны для внут­ренних морей и крупных пресных водоемов. В зависимости от раз­меров и геометрической формы водоема сейши могут быть как од­ноузловые, так и многоузловые. Сейшевые колебания наблюдаютсяв Азовском, Балтийском, Черном, Каспийском морях, на озере Бай­кал и на других подобных водоемах.

При сейшах вся вода в водоемеколеблется как единое целое, и в то время как уровень поднимаетсяу одного берега, он соответственно опускается у противоположного.Амплитуда сейш может быть весьма значительной. Так, например,в Черном море была зарегистрирована амплитуда сейшевых коле­баний, равная 58 см (рис. 2.15). Поскольку во время сейш колеблет­ся вся масса воды водоема, затухание сейшевых колебаний проис­ходит очень медленно.Рис. 2.15. Колебания уровня Черного моря на противоположных берегах, свидетельст­вующие о наличии сейшСейши возникают в результате самых разных причин.

Таковымимогут быть приливные явления, ветер, приводящий к сгонам и наго­нам, изменения атмосферного давления, возникающие, в частности,при прохождении над морем циклонов и антициклонов. Причинойвозникновения сейш в пресных водоемах может быть также режимработы крупных гидроэлектростанций, связанный со сбросом большо­го количества воды через плотину.Картина сейш в море бывает весьма сложной из-за наличия в немтонкой термохалинной структуры, на градиентах плотности при этоммогут возникнуть внутренние сейши.РУСЛОВЫЕ ПОТОКИТалая вода и вода, падающая на землю в виде дождя, либо впиты­вается, либо стекает по поверхности, образуя ручейки, из которыхпутем их слияния формируются речки и реки.

Такие природныеводотоки будем называть русловйми потоками.Велико практическое значение теории руслового процесса: эторасчет русловых деформаций при строительстве на реках мостов,водозаборов и плотин, прогноз и борьба с такими разрушительнымиприродными явлениями, как паводки и селевые потоки, поиск путейснижения заиления каналов и т.д.В равномерном русловом потоке скорость и определяется глубинойпотока h, его уклоном г, ускорением силы тяжести g и кинематиче­ской вязкостью жидкости v. Последняя существенна лишь для лами­нарного движения. Применяя принцип размерности, для ламинарно­го режима получимzih 2и = С{ ^ ~(формула Пуазейля),(2.34)а для турбулентногои = С2 VgrTi(формула Шези),(2.35)где Cj и С2 — безразмерные постоянные, определяемые из опыта.Речные потоки, как правило, характеризуются очень сложнойформой русла.

Это объясняется тем, что стенки и дно русловогопотока сложены из размываемого материала и, следовательно, легкодеформируются самим потоком. Ширина реки обычно значительнопревосходит ее глубину, что обусловлено более интенсивным разви­тием боковой эрозии по сравнению с глубинной.Деформация жерусла с неизбежностью сказывается на поле скорости потока. Такимобразом, исследуя русловый поток, мы сталкиваемся с задачей одвижении жидкости в условиях взаимодействия между потоком и егоруслом. Поток и русло взаимосвязаны: поток деформирует русло инаоборот.

Характеристики

Список файлов книги