Загальна циркуляція атмосфери та вод океану

Систему океан-атмосфера можна як теплову машину з нагрівачем — океаном, холодильником — атмосферою і робочою речовиною — водяною парою [156, 157]. Коефіцієнт корисної дії цієї машини невеликий При різниці температурATміж температурою поверхні океануTsі атмосфери Та на висоті утворення хмар, що дорівнює 6 К, ККД парової машини океан-атмосфера буде не більше 2% . Ось ця частина тепла і перетворюється на механічну роботу і витрачається на підтримку всіх динамічних процесів в атмосфері та океані — глобальної циркуляції повітряних і водних мас, течій, вихорів тощо. .е. на забезпечення стаціонарного клімату

Загальною циркуляцією атмосфери називають систему стійких повітряних течій великого масштабу, розмірів, які можна порівняти з розмірами материків і океанів, і які охоплюють значні верстви атмосфери. Формується загальна циркуляція внаслідок глобальної (у масштабі всієї Землі) взаємодії океану та континентів з атмосферою. Такі явища, як хвилі в атмосфері, циклони, мусони та інші, слід розглядати як обурення загальної циркуляції атмосфери, і відносяться вони до рухів середнього масштабу. Схему загальної циркуляції атмосфери наведено на рис. 9.1. Детальне пояснення механізмів формування потоків повітряних мас дано в гол. 12.

Під впливом пасатів у сфері широт

Рис 9 1 Схема глобальної циркуляції атмосфери а) висотний розріз,6)напрям вітрів

Причиною Екваторіальної протитечії є також материки, які впираються пасатні течії. Біля східних берегів материків пасатні течії обох півкуль відхиляються на північ і на південь і рухаються вздовж материківприблизно до широт

Океанським течіям властиво утворювати вузькі, шириною всього 100-300 км струменя, поточні зі швидкістю і 2 м/с, причому утворення таких течій відбувається у прибережній зоні, а й далеко від берегів. Прикладом такого струменя є Гольфстрім. Берегів у океанського струменя немає, тому становище струменя може змінюватися. Часто струмінь течії утворює вигин, що переміщається за напрямом течії. Такі вигини називаються меандрами (від назви річки Меандр у Малій Азії, яка тече по пухкому ґрунту і дуже часто змінює русло, розмиваючи його). Меандруючи, течія може роздвоюватися, відщеплювати окремі струмені, створювати в океані круговороти діаметром кілька сотень кілометрів. Добре відомим прикладом таких рингів є ринги Гольфстріму, Куросіо [138]. Такі вихори повільно переміщаються океаном і зникають тривалий час (рис. 9.3).

Вихрові рухи притаманні океану значно більшою мірою, ніж це передбачалося на зорі його досліджень, коли вважалося, що основна енергія океанічних вод полягає в потужних стаціонарних великомасштабних його течіях. Розрахунок течій дуже важкий, виконується, переважно, чисельними методами [138]. До цього часу не вдається відтворити всі особливості дійсної карти течій в океані.

p align="justify"> Важливою рисою циркуляції океанських вод є апвел-лінг (upwelling) - підйом водних мас і даунвеллінг (down-welling) - опускання водних мас. Апвеллінг або даунвеллінг виникають біля берегів при дії на значній водній акваторії, що стосується до берега вітру. При такому напрямку швидкості вітру екманівське перенесення водної маси може бути спрямоване до берега (у цьому випадку виникає даунвеллінг) або від берега – у цьому випадку виникає апвелінг. Мал.9.4 пояснює механізм виникнення цього цікавого явища. У зонах апвеллінга спостерігається підйом глибинних водних мас, багатих на біогенні елементи.

Сили, діючі вокеані, та рівняння динаміки

Розглянувши загальну циркуляцію вод Світового океану, ми майже згадали всі сили, що у ньому.

Розглянемо ідеальну, тобто нев'язку рідину і виділимо в ній об'ємdxdydz.Виберемо наступну систему координат: вісьXспрямована на південь, вісь У - по паралелі на схід, вісьZ-

Гол. 9 Динаміка океану181

не залежить від властивостей потоку. Значенняізалежить від температури. При розрахунках характеристик енерго-, тепло-і масо-обміну на межі розділу океан-атмосфера довгий час залежність коефіцієнта молекулярної в'язкості від температури не враховувалася. В останній чверті XX ст. Р. З Бортківський показав, що це неправильно. Він займався питаннями винесення води з океану в атмосферу мікрокраплинами, які утворюються через схлопування бульбашок газу, що виходять на морську поверхню під час обвалення хвиль у штормових умовах. Природно, що маса води, що виноситься в атмосферу гаким механізмом, буде пропорційна площі морської поверхні, покритої «баранчиками», а ця характеристика за інших рівних умов виявилася залежною від в'язкості морської води, для якої різниця значень полярних і теплих морях дуже істотна.

Вище говорилося, що течії вод Світового океану носять турбулентний характер. Для кількісного описурозвиненого турбулентного руху, в якому фізичні величини зазнають, на перший погляд, безладних коливань, Рейнольдсом були отримані рівняння, що нині носять його ім'я

Рейнольде припустив, що миттєву швидкість потоку, спостерігається у часі у цій точці простору, можна записати як суми двох членів.

деV -середня складова вектора швидкості,V- його пульсаційна складова. Ввівши таку форму запису складових швидкості потоку, Рейнольде підставив запропоновану їм форму запису миттєвої швидкості потоку рівняння Навье-Стокса і, провівши їхнє середнення, отримав систему рівнянь визначення середніх значень складових швидкості турбулентного потоку.

Індексиг, jнабувають значеннях, у, zЯк бачимо, в рівняннях з'явилися нові члени виду -pV^V.Вони характеризують потоки імпульсу, зумовлені турбулентним характером руху на середовищі. Вплив турбулентності еквівалентний додатковому впливу силового характеру.

Поява додаткових членів у рівняннях динаміки роблять систему рівнянь незамкненою і використанням лише рівняння нерозривності замкнути її не можна. Для замикання

18G _______________Гл 9 Динаміка океану_________________________

ГлибинаDотримала назву глибини тертя. На горизонті, що дорівнює подвоєній глибині тертя, напрямки векторів швидкості дрейфової течії на цій глибині та на поверхні океану

поверхня води вкрита льодом. У цій ситуації плавучі крижані поля за рахуноктертя захоплюють у себе водні маси. Суто дрейфові течії можуть реалізовуватися лише у районах відкритого океану далеко від берегів. У прибережних областях дрейф призводить до зниження або підвищення рівня води, що є однією з причин виникнення так званих градієнтних течій.

Течії в океані часто виникають під впливом сили градієнта тиску. Можна виділити такі причини виникнення сили градієнта тиску:

- згін або нагін води;

- виникнення зон конвергенції або дивергенції водних потоків;

- підйом або опускання рівня води за рахунок зміни стоку річок;

- неоднорідне горизонтальне розподіл щільності, що можливо при вторгненні в море водних мас, щільність яких відмінна від щільності навколишньої води.

Припустимо, що в певний момент часу робота вітру припинилася, але вона створила нахил поверхні, який зумовить виникнення градієнтної течії. Виникло таким

188Гол. 9. Динаміка океана___________________

Однією з різновидів градієнтних течій є конвекційні течії. Вони виникають внаслідок відмінності щільності морської води на одній і тій же глибині, що створює горизонтальний градієнт тиску, що діє.

Подальший розвиток теорії морських течій пов'язані з урахуванням топографії морського дна. У разі великомасштабних неоднорідностей морського дна під час розрахунку течій необхідно враховувати ефект бокового тертя. Особливо велику роль сила бічного тертя грає у потужних морських течіях, що вторгаються у вигляді струменя в навколишні води Світового океану.

Розділ 10 Хвилі в океані

---