Силы,действующие в океане, и уравнения динамики

Рассмотрев общую циркуляцию вод Мирового океана, мы практически упомянули все силы, действующие в нем.

Силы давления

Рассмотрим идеальную, т. е. невязкую жидкость и выделим в ней объем dxdydz. Выберем следующую систему координат: ось X направлена на юг, ось У — по параллели на восток, ось Z —

Гл. 9 Динамика океана 181

не зависит от свойств самого потока. Значение и зависит от тем­пературы. При расчетах характеристик энерго-, тепло- и массо-обмена на границе раздела океан-атмосфера долгое время зави­симость коэффициента молекулярной вязкости от температуры не учитывалась В последней четверти XX в. Р. С Бортковский показал, что это неправильно. Он занимался вопросами выноса воды из океана в атмосферу микрокаплями, которые образуются из-за схлопывания пузырьков газа, выходящих на морскую по­верхность при обрушении волн в штормовых условиях. Естест­венно, что масса воды, выносимой в атмосферу гаким механиз­мом, будет пропорциональна площади морской поверхности, по­крытой «барашками», а эта характеристика при прочих равных условиях оказалась зависящей от вязкости морской воды, для которой разница значений в полярных и теплых морях весьма существенна.

Выше уже говорилось, что течения вод Мирового океана носят турбулентный характер. Для количественного описания развитого турбулентного движения, в котором физические вели­чины испытывают, на первый взгляд, беспорядочные колебания, Рейнольдсом были получены уравнения, носящие ныне его имя

Рейнольде предположил, что мгновенную скорость потока, наблюдаемую во времени в данной точке пространства, можно записать в виде суммы двух членов.

где V - осредненная составляющая вектора скорости, V — его пульсационная составляющая. Введя такую форму записи составляющих скорости потока, Рейнольде подставил предло­женную им форму записи мгновенной скорости потока в урав­нения Навье-Стокса и, проведя их осреднение, получил систе­му уравнений для определения средних значений составляющих скорости турбулентного потока.

Индексы г, j принимают значения х, у, z Как видим, в уравне­ниях появились новые члены вида — pV^V. Они характеризуют потоки импульса, обусловленные турбулентным характером дви­жения в среде. Влияние турбулентности эквивалентно дополни­тельному воздействию силового характера.

Появление дополнительных членов в уравнениях динамики делают систему уравнений незамкнутой и использованием толь­ко уравнения неразрывности замкнуть ее нельзя. Для замыкания

18G _______________ Гл 9 Динамика океана_________________________

Глубина D получила название глубины трения. На горизонте, равном удвоенной глубине трения, направления векторов скоро­сти дрейфового течения на этой глубине и на поверхности океана

поверхность воды покрыта льдом. В данной ситуации плавучие ледяные поля за счет трения увлекают за собой водные массы. Чисто дрейфовые течения могут реализовываться только в районах открытого океана вдали от берегов. В прибрежных же областях дрейф приводит к понижению или повышению уровня воды, что является одной из причин возникновения так называ­емых градиентных течений.

Градиентные течения

Течения в океане часто возникают под действием силы гра­диента давления. Можно выделить следующие причины возник­новения силы градиента давления:

- сгон или нагон воды;

- возникновение зон конвергенции или дивергенции водных
потоков;

- подъем или опускание уровня воды за счет изменения стока
рек;

- неоднородное горизонтальное распределение плотности,
что возможно при вторжении в море водных масс,
плотность которых отлична от плотности окружающей
воды.

Допустим, что в некоторый момент времени работа ветра пре­кратилась, но она создала наклон поверхности, который и обу­словит возникновение градиентного течения. Возникшее таким

188 Гл. 9. Динамика океана___________________

описания бароградиентных течений используются системы урав­нений (9.12) и (9.15). Система уравнений (9.15) служит также и для описания так называемых суспензионных, или мутьевых потоков, которые возникают при стекании по склону подводных гор водных масс с большим содержанием илистых наносов. Сус­пензионные потоки наблюдаются также в устьях больших рек при их впадении в моря и океаны.

Одной из разновидностей градиентных течений являются конвекционные течения. 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