Обща циркулация на атмосферата и океанските води

Системата океан-атмосфера може да се разглежда като топлинна машина с океан като нагревател, атмосфера като охладител и водна пара като работно вещество [156, 157]. Ефективността на тази машина е ниска.При температурна разликаATмежду температурата на океанската повърхностTsи атмосферата Ta при височина на образуване на облаци, равна на 6 K, ефективността на парната машина океан-атмосфера ще бъде не повече от 2%. Именно тази част от топлината се превръща в механична работа и се изразходва за поддържане на всички динамични процеси в атмосферата и океана - глобалната циркулация на въздушни и водни маси, течения, вихри и др. Останалите 98% от топлината отиват за осигуряване на стационарно топлинно състояние на нашата планета, т.е. за осигуряване на стационарен климат

Общата циркулация на атмосферата се нарича система от устойчиви въздушни течения с голям мащаб, размери, сравними с тези на континентите и океаните, и обхващащи значителни слоеве от атмосферата. Общата циркулация се формира в резултат на глобалното (в мащаба на цялата Земя) взаимодействие на океана и континентите с атмосферата. Такива явления като вълни в атмосферата, циклони, мусони и редица други трябва да се разглеждат като смущения на общата циркулация на атмосферата и те принадлежат към средни по мащаб движения. Схемата на общата циркулация на атмосферата е показана на фиг. 9.1. Подробно обяснение на механизмите на образуване на въздушни масови потоци е дадено в гл. 12.

Под влияние на търговските ветрове в областта на географските ширини

Фигура 9 1 Схема на глобалната циркулация на атмосферата а) височинен разрез,6)посока на вятъра

Причината за Екваториалното противотечение са и континентите, на които се опират пасатните течения. На източните брегове на континентите пасатите на двете полукълба се отклоняват на север и юг и се движат покрай континентите.до около географска ширина

Океанските течения са склонни да образуват тесни струи, широки само 100-300 km, течащи със скорост 2 m/s, като образуването на такива течения се случва не само в крайбрежната зона, но и далеч от брега. Пример за такава струя е Гълфстрийм. Океанската струя няма брегове, така че позицията на струята може да се промени. Често струята на тока образува завой, движещ се по посока на течението. Такива завои се наричат ​​меандри (от името на река Меандър в Мала Азия, която тече през рохкава почва и много често променя течението си, разяждайки го). Докато криволичи, течението може да се разклони, да отцепи отделни струи и да създаде водовъртежи в океана с диаметър няколкостотин километра. Добре известен пример за такива пръстени са пръстените на Гълфстрийм, Курошио [138]. Такива вихри бавно се движат през океана и не изчезват дълго време (фиг. 9.3).

Вихровите движения са присъщи на океана в много по-голяма степен, отколкото се предполагаше в зората на неговите изследвания, когато се смяташе, че основната енергия на океанските води се крие в неговите мощни стационарни мащабни течения. Изчисляването на токовете е много трудно и се извършва главно чрез числени методи [138]. Досега не беше възможно да се възпроизведат всички характеристики на истинска карта на теченията в океана.

Важна характеристика на циркулацията на океанските води е възходящото течение (upwelling) - издигане на водните маси и downwelling (down-welling) - понижаване на водните маси. Издигане или издигане се случва близо до брега, когато тангенциален вятър към брега действа върху голяма водна площ. При такава посока на скоростта на вятъра преносът на водна маса по Екман може да бъде насочен към брега (в този случай се получава изтичане) или далеч от брега, в който случай настъпва издигане. Ориз.9.4 обяснява механизма на възникване на това интересно явление. В зоните на повдигане се наблюдава издигане на дълбоки водни маси, богати на биогенни елементи.

Сили действащи вокеана и уравнения на динамиката

След като разгледахме общата циркулация на водите на Световния океан, практически споменахме всички сили, действащи в него.

Нека разгледаме идеална, т.е. невискозна течност и отделим обемаdxdydz.в нея.

гл. 9 Динамика на океана181

не зависи от свойствата на самия поток. Стойността наизависи от температурата. При изчисляване на характеристиките на преноса на енергия, топлина и маса на границата океан-атмосфера дълго време не се взема предвид температурната зависимост на коефициента на молекулен вискозитет. Р. С. Бортковски показа, че това е погрешно. Той се занимава с проблемите на отстраняването на вода от океана в атмосферата чрез микрокапки, които се образуват поради срутването на газови мехурчета, които излизат на морската повърхност по време на срутване на вълни в условия на буря. Естествено, масата на водата, пренесена в атмосферата чрез този механизъм, ще бъде пропорционална на площта на морската повърхност, покрита с „агнета“, и тази характеристика, при равни други условия, се оказа, че зависи от вискозитета на морската вода, за която разликата в стойностите в полярните и топлите морета е много значителна.

Вече беше казано по-горе, че теченията на водите на Световния океан имат бурен характер. За количествено описаниеразвива турбулентно движение, при което физическите величини изпитват, на пръв поглед, случайни колебания, Рейнолдс получава уравненията, които сега носят неговото име

Рейнолдс предполага, че моментната скорост на потока, наблюдавана във времето в дадена точка в пространството, може да бъде записана като сбор от два члена.

къдетоV -е средният компонент на вектора на скоростта,Vе неговият пулсационен компонент. След като въведе такава форма на запис на компонентите на скоростта на потока, Рейнолдс замени предложената от него форма на моментна скорост на потока в уравненията на Навие-Стокс и след осредняването им получи система от уравнения за определяне на средните стойности на компонентите на скоростта на турбулентния поток.

Индекситеr, jприемат стойноститеx, y, zКакто можете да видите, в уравненията се появиха нови членове на формата -pV^V.Те характеризират потоците на импулса поради турбулентния характер на движението в средата. Ефектът от турбулентността е еквивалентен на допълнителен ефект от силово естество.

Появата на допълнителни членове в уравненията на динамиката прави системата от уравнения отворена и е невъзможно да се затвори, като се използва само уравнението за непрекъснатост. За закриване

18G _______________Глава 9 Океанска динамика_________________________

ДълбочинатаDсе нарича дълбочина на триене. На хоризонт, равен на удвоената дълбочина на триене, посоките на векторите на скоростта на дрейфовото течение на тази дълбочина и на повърхността на океана

повърхността на водата е покрита с лед. В тази ситуация, плаващи ледени полета порадитриенето увлича водни маси със себе си. Чисто дрейфовите течения могат да се реализират само в райони на открития океан, далеч от брега. В крайбрежните зони дрейфът води до намаляване или повишаване на нивото на водата, което е една от причините за така наречените градиентни течения.

Теченията в океана често се задвижват от силата на градиента на налягането. Могат да се разграничат следните причини за възникване на силата на градиента на налягането:

- прилив или прилив на вода;

- появата на зони на сближаване или отклонение на водните потоци;

- повишаване или спадане на водното ниво поради промяна в оттока на реките;

- неравномерно хоризонтално разпределение на плътността, което е възможно при нахлуване на водни маси в морето, чиято плътност е различна от плътността на околната вода.

Да приемем, че в даден момент от времето работата на вятъра е спряла, но е създал наклон на повърхността, който ще предизвика появата на градиентно течение. Възниквайки така

188гл. 9. Динамика на okeana___________________

Една от разновидностите на градиентните течения са конвекционните течения. Те възникват поради разликата в плътността на морската вода на една и съща дълбочина, което създава ефективен хоризонтален градиент на налягането.

По-нататъшното развитие на теорията за морските течения е свързано с отчитане на топографията на морското дъно. В условията на мащабни нехомогенности на морското дъно при изчисляването на теченията трябва да се вземе предвид ефектът от страничното триене. Силата на страничното триене играе особено голяма роля в мощните морски течения, които нахлуват под формата на струя в околните води на Световния океан.

Глава 10 Вълни в океана

---