Густинні, вітрові та згінно-нагінні течії

Теорію густинних течій розробляли В. Бєркнес. В. Геланд-Гансен, В. Сандстрем і М. Зубов. Останній запропонував динамічний метод обчислення морських течій.

Для визначення відхилень вільної поверхні океану від положення рівноваги використовують поняття поверхні рівних значень потенці­алу сили тяжіння (ізопотенціальна). Вільна поверхня океану, якщо на неї не діють ніякі сили, крім сили тяжіння, є ізопотенціальною. У ста­ні рівноваги, коли водна маса однорідна, чи коли по вертикалі густи­на води з глибиною збільшується, а по горизонталі не змінюється, по­верхня рівних значень гідростатичного тиску (ізобарична) і поверхня рівних значень густини (ізопікнічна) паралельні ізопотенціальній поверхні. Для розрахунків замість ізопікнічної поверхні використовують ізостеричну (поверхню рівних значень питомого об’єму).

Море, в якому ізобарична та ізостерична поверхні паралельні, на­зивається баротропним. Якщо ж ці поверхні перетинаються, море називається бароклинним і в ньому виникають густинні течії.

При нерівномірному розподілі густини (питомого об’єму) води в горизонтальному напрямку ізобарична та ізостерична поверхні нахилені одна до одної. Кут нахилу між ними в природних умовах дуже невели­кий, але саме він визначає інтенсивність циркуляції води, що виникає. При цьому обидві поверхні нахилені відносно ізопотенціальної поверх­ні: ізотерична - під більшим кутом, а ізобарична - під меншим. Таким чином, кут нахилу ізостеричної поверхні до горизонту (ізопотенціальної поверхні) пропорційний куту нахилу до горизонту ізобаричної поверх­ні, що використовується при розрахунку густинних течій.

Вітрові течії. Основною причиною неперіодичних течій у Світово­му океані є вітер. Тертя, яке виникає при вітрі між повітрям і водою - дотична напруга вітру, викликає рух верхніх шарів води. Дотична напруга збільшується в міру наростання вітрового хвилювання за­вдяки додатковому тиску на тилову поверхню хвиль. Енергія руху пе­редається через внутрішнє тертя пластам води, які залягають нижче, і вони теж починають брати участь у поступальному русі. У результаті формується дрейфова течія.

Паралельно з описаним процесом просторова нерівномірність вітру та явища згону і нагону утворюють нахили водної поверхні, наслід­ком яких є формування градієнтної течії. Крім цього, вітрова течія змінює розподіл густини, викликаючи або видозмінюючи густинні те­чії. У прибережних зонах океану під дією самого вітру і викликаного ним хвилювання формуються специфічні види течій: вздовжберегові і розривні (спрямовані від берега).

Таким чином, вітрові течії - це досить складне і багатопланове явище, в якому основним компонентом є дрейфова складова. Слід зазначити, що, за М. Зубовим, власне вітровими називаються течії, утворені тимчасовими вітрами, а дрейфовими - течії, які виникають під дією тривалих чи пануючих вітрів (наприклад, пасатні).

Ф. Нансен під час дрейфу на "Фрамі" в 1893-1896 pp. уперше звернув увагу на відхилення дрейфу льоду і течій вправо від напрямку вітру і з глибиною та пояснив це відхиляючою силою обертання Землі. Згодом він передав матеріали своїх спостережень геофізику Екману, який у 1905 р. розробив теорію вітрових течій. Пізніше її розвинули В. Штокман, М. Зубов та інші вчені.

Для спрощення задачі Екман розглядав лише механізм дрейфової течії, не ускладненої іншими видами течій. Для цього він зробив ряд припущень: виключив тертя води об дно і береги, вітер вважав пос­тійним у часі і просторі, морську воду - однорідною за густиною, по­верхню моря вважав горизонтальною площиною та ін.

Основні висновки теорії Екмана такі:

1. Поверхнева течія відхиляється від напрямку вітру в північній півкулі вправо, а в південній - вліво на 45°. Це відхилення не за­лежить ні від швидкості вітру і течії, ні від географічної широти місця.

2. З глибиною течія змінюється як за величиною, так і за напрямком. Швидкість течії зменшується за експоненціальним законом, а напрямок її відхиляється все більше вправо (в північній півкулі), або вліво (в південній) від напрямку вітру доти, поки на певній глибині, яка називається глибиною тер­тя, течія буде спрямована в протилежний до поверхневої те­чії бік.

3. Повний (інтегральний) потік води по всій товщі моря, яка охоплена дрейфовою течією, спрямований перпендикулярно до дії вітру (вправо в північній півкулі і вліво в південній). Це основний висновок теорії Екмана в її найбільш загальному вигляді.

Екман також розглянув вплив глибини моря на течії. Якщо глибина моря менша за глибину тертя, то напрямок те­чії з глибиною змінюється повільніше, ніж у глибокому морі.

Великий внесок у розвиток теорії вітрових течій зробив В. Штокман. Він показав, що під дією вітру в замкнутому морі виникає циркуляція не лише у вертикальній площині, як вважали раніше, а і в горизонта­льній, причому можливі течії проти вітру. Штокман вважав, що коли швидкість вітру зменшується справа наліво, якщо дивитися за вітром (циклонічне завихрення), циркуляція води в горизонтальній площині морського басейну буде спрямована проти годинникової стрі­лки, а при антициклонічному завихренні циркуляція відбувається за годинниковою стрілкою. Врахування поперечної нерівномірності шви­дкості пасатів дозволили пояснити походження екваторіальних проти­течій Світового океану.

Широкого використання для розрахунку вітрових течій набув роз­роблений В. Штокманом метод повних потоків. Під повним потоком він розумів інтегральне перенесення води від поверхні моря до гли­бини, нижче якої течія відсутня. На основі методу повних потоків були розроблені математичні моделі течій, які успішно застосовувалися не лише для морів, а і для внутрішніх водойм.

Згінно-нагінні течії. Явища згону та нагону води, які виникають під впливом вітру і зумовленої ним дрейфовоїтечії, приводять до фор­мування градієнтних згінно-нагінних течій. Ці течії збуджуються по всій товщі моря. У придонному шарі водинеобхідно враховувати тер­тя об дно. Сила тертя спрямована вбік, протилежний напрямку течії, і пропорційна коефіцієнту тертя, якийзростає в міру наближення до дна. Товщина шару, в якому відчувається тертя об дно, в середніх широтах становить 100 м.

Можливі два випадки формування згінно-нагінних течій. Перший, більш простий випадок, коли вітер створив похил рівня води і припи­нився. При цьому у верхніх пластах води (до верхньої межі шару тер­тя) виникає градієнтна течія, спрямована в правий бік (в північній півкулі), перпендикулярно до найбільшого похилу рівня. У придонно­му шарі течія з глибиною поступово розвертається вліво до положен­ня, що збігається з напрямком найбільшого похилу.

У другому випадку, якщо вітер і згінно-нагінні явища діють одно­часно: у верхньому шарі, товщина якого дорівнює глибині шару по­верхневого тертя, утворюється сумарна течія, що скла­дається з дрейфової і градієнтної течій; у проміжному шарі - градієн­тна течія, спрямована паралельно берегу; у придонному - така ж те­чія, як і в попередньому випадку.

У мілководному морі з глибиною, меншою, ніж товщина придонного шару тертя, напрямок згінно-нагінної течії наближається до напрямку найбільшого похилу водної поверхні (перпендикулярно берегу).

Поиск по сайту: