Механизм трения

Опубликовал admin в июля 24, 2012 в рубрике Океан

Механизм трения, который включает турбулентность, очень сложен как для теоретического изучения, так и для наблюдений, и о нем известно удивительно мало. Поверхностный поток направлен немного вправо по отношению к ветру. Элементарные расчеты показывают, что его направление должно отличаться от направления ветра на 45°, но эта теория, конечно, неприменима в деталях. Исследовались и более сложные теоретические модели, но поскольку о природе турбулентности вблизи свободной поверхности почти ничего не известно, то эти модели слабо обоснованы. Интуиция, подкрепленная сравнительно малонадежными наблюдениями, позволяет предполагать, что угол отклонения намного меньше – возможно, ближе к 10°. Достаточно определенно лишь то, что средний поток в экмановском слое должен быть направлен под прямым углом к ветру и что направления течений на разных глубинах должны образовать спираль. Мы также полагаем, что нижняя граница экмановского слоя находится на глубине около 100 м, с возможным отклонением в два-три раза. О деталях строения спирали и о механизме турбулентности, который определяет ее природу, мы знаем действительно очень мало.



Этот «экмановский поток» приводит к некоторым важным эффектам, непосредственно наблюдаемым в некоторых районах Мирового океана. Например, вдоль берегов Калифорнии и Перу наличие прибрежных гор приводит к отклонению ветров в нижних слоях атмосферы так, что они дуют параллельно берегу. В каждом случае они дуют по направлению к экватору, и, таким образом, средний экмановский поток направлен вправо по отношению к ветру у берегов Калифорнии и влево у берегов Перу, то есть в обоих случаях от берега. По мере того как поверхностная вода уносится от берега, на ее место поднимается вода из более глубоких слоев. Поднимающаяся вода заметно холоднее, чем прогретые солнцем поверхностные воды, что вызывает неудовольствие купающихся (а поскольку она, кроме того, более насыщена органическими веществами, то доставляет удовольствие рыбакам и птицам).
Общий перенос в непосредственно движимом экмановском слое редко превышает 2 т/сек через каждый 1 м2 поверхности. Это значительный поток воды, но он намного меньше, чем перенос в основных океанских течениях. Эти течения приводятся в движение иным образом, тоже ветром, но косвенно. Чтобы видеть, как это происходит, посмотрим на Северную Атлантику. Хотя ветры над этой частью океана значительно изменяются со временем, они имеют следующие наиболее устойчивые характеристики: около 45° с.ш. наблюдаются сильные западные ветры и около 15° с. ш. дуют северо-восточные пассаты с заметной компонентой, направленной с востока на запад. Возбуждаемый экмановский поток направлен в каждом случае вправо, так что в обоих случаях вода переносится по направлению к району, называемому Саргассовым морем с центром у 30° с. ш. Это скопление воды ведет не столько к поднятию уровня (он только примерно на один метр выше в центре района, чем по краям), сколько к опусканию воды вглубь.
Если бы не континентальные границы, нагон вод имел бы большее значение. Поскольку вода всегда стремится занять уровенное положение, нагонные воды, находящиеся выше широты 30°, переместились бы к северу, а воды, находящиеся ниже, – к югу. Движущая сила, подобно любой силе в Северном полушарии, должна отклонять поток вправо, так что в северной части океана развился бы сильный восточный поток, а в южной части – сильный поток на запад. Однако на Земле в ее современном виде эти восточно-западные потоки блокируются континентами; только в Южном океане вокруг Антарктиды существует до некоторой степени свободный поток. При отсутствии континентов в океане, как и в атмосфере, должен был бы преобладать восточно-западный перенос. В действительности возможна лишь часть такого движения, и опускание воды представляет более существенное явление, чем ее нагон.
Опускающиеся поверхностные воды давят на подстилающие слои воды. Для практических целей воду можно считать несжимаемой, так что поступление ее с поверхности вынуждает воды нижних слоев растекаться в стороны. Следует помнить, что эта масса нижележащих вод вращается вместе с Землей. По мере того как она выжимается в стороны, ее радиус вращения и, следовательно, момент инерции возрастают, и поэтому скорость ее вращения должна уменьшаться. Однако, как только скорость уменьшается, вращение воды больше не «соответствует» вращению самой Земли. Здесь возможны два следствия: либо вращение воды должно соответствовать вращению Земли, либо вода должна переместиться к тем широтам, где ее новая завихренность будет соответствовать вращению Земли. В природе обычно происходит последнее. Следовательно, масса воды, вращение которой замедляется в результате сдавливания по вертикали, должна двигаться по направлению к экватору, где вертикальная компонента вращения Земли меньше; с другой стороны, масса воды, вращение которой ускорилось за счет «растяжения» по вертикали, которое компенсирует сгон воды с поверхности, должна двигаться по направлению к полюсам.
В полосе шириной порядка двух тысяч миль вдоль широты 30° этот косвенно возбуждаемый ветром поток переносит воду по направлению к экватору. Конечно, при этом в районах океана, расположенных ближе к полюсам, количество воды не уменьшается, так как где-то должен существовать обратный поток.

Оставить комментарий