Наблюдения за волнами

Опубликовал admin в июля 24, 2012 в рубрике Океан

Движение волн, по-видимому, некоторым образом изменяет воздушный поток, так что воздух скользит над взволнованной поверхностью даже более свободно, чем он мог бы скользить при отсутствии волн. Видимо, этого не наблюдается при скоростях ветра более 5 м/сек, но напряжение остается поразительно низким по сравнению с напряжениями над другими естественными поверхностями. Одна из серьезных трудностей здесь состоит в том, что совсем не имеется прямых наблюдений в тех важных случаях, когда скорость ветра больше 12 м/сек, а время действия и разгон (расстояние, пройденное над водой) достаточны, чтобы развить существенное волнение. (Ветер даже в 20 м/сек может создать волны в 8-10 м высотой, то есть высотой с трехэтажный дом. Проведение наблюдений в таких условиях с помощью точных приборов – трудная задача, и не удивительно, что они никем не были осуществлены.) Некоторые косвенные исследования были выполнены путем измерения ветрового нагона воды у берегов, но в интерпретации таких измерений имеется много трудностей и неопределенностей. Насколько можно предположить, шероховатость поверхности при высоких скоростях ветра несколько возрастает, так что напряжение на поверхности увеличивается быстрее, чем квадрат скорости ветра.



Если предположить, что напряжение возрастает по меньшей мере как квадрат скорости ветра, то становится ясным, что сильные ветры производят гораздо более сильный эффект, чем можно было ожидать, если исходить из частоты их повторяемости. Пять часов штормового ветра в 30 м/сек передадут воде больше количества движения, чем слабые бризы (5 м/сек) за неделю. Если бы удалось показать, что при сильных ветрах напряжение на поверхности увеличивается заметно быстрее, чем квадрат скорости ветра, то оказалось бы, что передача количества движения океану во время случайного шторма больше, чем во время долгодействующих ветров средней силы.
Соблазнительно постараться выяснить действие сильных ветров исходя из того, что нам известно о более слабых. Конечно, формы взволнованных поверхностей схожи, несмотря на размеры волн, если пренебречь волнами длиной менее 5 см, которые сильно подвержены влиянию поверхностного натяжения. Как это ни странно, единственный фактор, благодаря которому одно созданное ветром волновое поле существенно отличается от другого, – это поверхностное натяжение, хотя оно непосредственно влияет только на очень короткие волны. Действительно, поверхностное натяжение-это основа всей шкалы силы ветра Бофорта, которая зависит от числа и характера белых гребней; только то, что поверхностное натяжение сильнее при низких скоростях ветра, чем при высоких, дает нам возможность видеть качественное различие в характере морской поверхности при разных скоростях ветра. В остальном волны будут выглядеть одинаково, исключая различия в величине. Если бы мы были уверены, что можно пренебречь действием поверхностного натяжения, тогда мы смогли бы рассчитать силу напряжения ветра при больших скоростях на основе данных, полученных при низких скоростях. Но при таких расчетах следует быть предельно осторожным, по крайней мере пока не будут получены некоторые подтверждающие данные измерений.
В то время как океан приводится в движение главным образом поверхностными силами, атмосфера – это тепловой двигатель который для выработки механической энергии своего движения использует тепло, получаемое от Солнца. Любой тепловой двигатель действует путем получения тепловой энергии при сравнительно высокой температуре, высвобождения части ее при более низкой температуре и преобразования остальной энергии в механическую. Атмосфера осуществляет это, поглощая энергию в своих нижних слоях и излучая ее в значительно более холодных верхних слоях. Существенную часть тепла, требуемого для нагревания снизу, дает океан.
Энергия от океана поступает в атмосферу в двух формах. Если более холодный воздух движется над более теплой водой, то существует прямой поток тепла в атмосферу. Однако большее значение имеет испарение воды с поверхности океана. Испарение вызывает охлаждение поверхности, то есть в этом случае отбирается тепло от поверхности воды. Когда насыщенный влагой воздух переносится на большие высоты, где расширение при меньшем атмосферном давлении вызывает его охлаждение, водяной пар может снова конденсироваться в водяные капельки, и тепло, которое было потеряно поверхностью воды, передается воздуху. Если образовавшееся облако снова испаряется, как это иногда бывает, атмосфера не получает чистой тепловой энергии. Однако если вода падает на поверхность в виде дождя или снега, тогда атмосфера получит дополнительно тепло, достаточное, чтобы приводить ее в движение. В общем случае количество тепла, приобретаемого атмосферой в результате процесса испарения-конденсации, значительно больше, чем количество тепла, получаемого путем прямого переноса через поверхность раздела вода-воздух.

Оставить комментарий