Теория ветровых течений

Из наблюдений в природе и согласно теории морских течений следует, что главным возбудителем непериодических течений в поверхностных слоях моря является ветер. К числу дрейфовых течений относятся пассатные, или экваториальные, течения всех океанов, циркумполярное течение в южном полушарии и т.

д.
Дрейфовые течения возникают в результате трения ветра о поверхность моря и частично в результате давления ветра на тыловую поверхность волн. Энергия движения передается посредством трения (трения между слоями воды в вертикальной плоскости, называемого межслойным) нижележащим слоям, и они также вовлекаются в поступательное движение.
Первая попытка создания математической теории ветровых течений принадлежит Цепприцу. Он рассматривал только ламинарное движение, т. е. учитывал молекулярную, а не турбулентную вязкость воды, и пренебрегал силой Кориолиса. Выводы Цепприца в значительной степени расходились с данными наблюдений. Оба указанных недостатка устранены в теории дрейфовых течений Экмана.
Изучение дрейфовых течений позволило вывести ряд закономерностей (законы Экмана), которым эти течения подчиняются: Направление течений под воздействием силы Кориолиса отклоняется от направления вызвавшего его ветра в северном полушарии вправо, в южном - влево, причем это отклонение может достигать 45°. На направление течения влияет конфигурация берегов. Скорость дрейфового течения прямо пропорциональна скорости ветра и уменьшается с увеличением широты места. Вследствие течения движение воды, вызванное ветром на поверхности, постепенно передается расположенным ниже слоям.
В основе любой теории течений лежат уравнения гидродинамики, которые в каждом конкретном случае упрощаются в соответствии с задачей.
Дрейфовые течения в бесконечно глубоком море. Опираясь на данные ледовых наблюдений, выполненных Фритьофом Нансеном во время экспедиции на «Фраме», шведский океанолог Вагн Вальфрид Экман разработал теорию дрейфовых течений (1905 г.).
Для случая бесконечно глубокого моря Экман ввел следующие допущения: море безбрежное и бесконечно глубокое (для исключения влияния трения о берега и дно); ветер и вызванное им течение установились и не меняются во времени; поля скоростей ветра и течения по горизонтали не меняются в пространстве;
вертикальная составляющая скорости отсутствует; море однородно по плотности (чтобы исключить плотностное течение) и вода несжимаема; поверхность моря является горизонтальной плоскостью (для исключения градиентной составляющей); коэффициент турбулентного трения A принимается постоянным по глубине.
С учетом всех указанных допущений для установившегося течения необходимо учитывать только силу турбулентного трения, передающего в глубину действие касательного напряжения ветра и силу Кориолиса, ее уравновешивающую.
Ветер тоже безграничен и постоянен, движение установившееся (стационарное). В этих сильно упрощенных условиях решение получилось простым, и составляющие скорости течения и и и на на глубине z могут быть найдены как:
(11.6)
где U0 - скорость течения на поверхности океана, м/с; D - глубина трения, м.
Величина U0 определяется по формуле:
(117)
2
где ф - касательное напряжение ветра, Н/м ; с - плотность морской воды, кг/м3; A - коэффициент вертикального турбулентного трения, кг/(мс); щ - угловая скорость вращения Земли, с-1; ц - широта места, °.
Глубина трения D определяется по следующей формуле:
(11.8)

На глубине трения течение имеет направление, противоположное поверхностному, а скорость составляет 1/23 скорости на поверхности, т. е. скорость практически затухает. А весь слой от поверхности до глубины трения называется экмановским слоем, или слоем трения. В слое трения сосредоточена основная часть кинетической энергии дрейфового течения. Толщина слоя трения практически ограничивается несколькими десятками метров.
Уравнения показывают, что течение на поверхности отклоняется от направления ветра (оно принято вдоль оси ординат), на 45° вправо в северном полушарии и влево - в южном. Под поверхностью течение с глубиной уменьшается по абсолютной величине по экспоненциальному закону и продолжает отклоняться вправо в северном полушарии, влево - в южном.

Проекция на поверхность океана пространственной кривой, проходящей через концы векторов скорости (огибающей), выразится логарифмической спиралью - спиралью Экмана (рис. 11.7).

Рис. 11.7. Спираль Экмана в Северном полушарии (бесконечно глубокое море)

Дрейфовые течения в море конечной глубины. Изучение дрейфовых течении в случае моря конечной (одинаковой) глу-
^              гт
бины Н удобно ввести новую переменную              , представ
ляющую собой высоту над дном рассматриваемой точки. Тогда для и и х можно записать выражения в виде:
(11.9)
где (11.10) (11.11)
Направление поверхностной скорости течения U0 относительно направления средней скорости ветра Vw определяется соотношением:
(11.12)
где us и us— составляющие скорости течения на поверхности.
Угол между направлениями U0 и V, в зависимости от отношения Н/D г имеет значения, приведенные в табл. 11.2.
При глубине              (рис. 11.8) годограф скорости
практически совпадает с таковым для бесконечно глубокого моря (см. рис. 11.7), за исключением нижних горизонтов, где наблюдается небольшое расхождение.

Таблица 11.2
Значение угла Uq,Vw

H/D,	0,10	0,25	0,50	0,75	1,0	1,5
UsA	5°	21,5°	45°	45,5°	45°	45°

Рис. 11.8. Годографы скорости дрейфовых течений при различном соотношении H/DT

Применение формул теории Экмана на практике встречает затруднения в связи с отсутствием достаточно обоснованных рекомендаций по выбору величин коэффициента вертикального турбулентного трения Az и касательного напряжения ветра т. Для
расчета касательного напряжения ветра т [Н/м2] существуют различные эмпирические формулы, наиболее достоверными из которых в настоящее время считаются формула Андерсона - Манка:

(11.13)
3 2 —
где V - скорость ветра, м/с; рл - плотность воздуха, кг/м ; у безразмерный коэффициент трения, который может принимать значения от 0,0003 до 0,0065. Для скоростей ветра от 6 до 20 м/с многие исследователи используют коэффициент у = 0,0026 [Бондаренко, 2012].
Для ориентировочного определения коэффициента турбулентного трения Az [кг/(мс)] в поверхностном слое моря существует соотношение:
(11.14)
О
где у = 0,43 (с-кг)/м .
Многочисленные попытки непосредственного сопоставления наблюдений в океане за течениями, находящимися под преобладающим действием ветра, в общем не дали удовлетворительного сходства с теорией. Только осреднение большого числа наблюдений скоростей течений в районах, где ветер является главной причиной течений, дает годографы скоростей, соответствующие теории. Однако это обстоятельство совсем нельзя понимать как несостоятельность теории.
Значение теории Экмана в том, что в ней рассмотрен механизм чисто дрейфового течения, не осложненного другими факторами. В природных условиях дрейфовые течения никогда не встречаются в чистом виде, а всегда осложнены влиянием берегов, неравномерностью поля ветра, вертикальными движениями, приливными и плотностными течениями, рельефом дна и другими факторами. В этом легко убедиться, просто сравнивая перечисленные условия, для которых развита теория, с реальными природными условиями моря.
Таким образом, на практике результаты теории Экмана можно применять с осторожностью, учитывая ограничения теории. Лучшие результаты можно ожидать для района моря вдали от берегов при установившемся, действующем достаточно длительное время ветре.

<< |

Источник: Сутырина Е. Н.. Океанология : учеб. особие. 2012

Еще по теме Теория ветровых течений:

- Болотоведение - Метеорология и климатология - Научно-популярная история - Океанология (океанография) - Почвоведение -

- Биология - Ветеринария - Взаимоотношения животных - Все животные - Геология - Зоопсихология - Коровы - Кошки - Лечение животных - Лошади - Насекомые - Науки о Земле - Опасные растения и животные - Растительный мир - Редкие животные - Сельское хозяйство - Собаки - Экология -