Течения, возникающие при участии сил трения
Физические условия возникновения и развития дрейфовых течений, исследовались многими учеными и объяснены Экманом в 1903—1905 гг. Предполагая море бесконечно глубоким, однородным по плотности (гомогенным), ветер установившимся по направлению и скорости, он использовал уравнения движения вязкой жидкости и математически решил задачу о возникновении поверхностного течения под влиянием трения при наличии отклоняющей силы вращения Земли (силы Кориолиса). Основные положения теории Экмана можно сформулировать следующим образом: 1. Ветер, создавая тангенциальное трение между воздухом и водой и давление на наветренные склоны волн, приводит в движение поверхностные слои воды. Энергия этого движения передается нижележащим слоям силами внутреннего трения. В своем движении нижележащие слои отстают от поверхностных, вследствие чего появляются различия в скорости внутри потока, т. е. наличие градиентов скорости. Поверхностные течения по скорости составляют около 2% от скорости ветра. Под действием сил Кариолиса каждый из нижележащих слоев воды отклоняется на 45° по отношению к ближайшему верхнему слою. 2. Скорость поверхностного течения v0 пропорциональна тангенциальному трению τ и обратно пропорциональна синусу широты места и коэффициенту внутреннего трения
где μ — коэффициент внутреннего трения; ρ — плотность воды; ώ — угловая скорость вращения Земли; φ — широта места. 3. Под воздействием силы Кориолиса течение отклоняется от направления ветра вправо в северном и влево в южном полушарии; угол отклонения течения от ветра на поверхности равен 45°. 4. По мере проникновения течения в толщу воды вектор скорости, все более поворачивая вправо (в северном полушарии), на некоторой глубине становится противоположным вектору поверхностного течения (рис.). Величина скорости течения при этом убывает в геометрической прогрессии при возрастании глубины в арифметической. Глубину, на которой течение направлено противоположно поверхностному, Экман назвал глубиной трения. Скорость на глубине трения составляет 1/23 скорости на поверхности. Таким образом, даже самые постоянные ветра создают движение вод только в поверхностном слое (слой Экмана) мощностью до 200 м, а суммарный перенос в нем направлен вправо от вектора ветра в северном полушарии и влево — в южном, причем величина отклонения от направления ветра достигает 90°. Чтобы течение распространилось до глубины трения, нужно около 5 месяцев. На мелководье отклонение течения от направления ветра уменьшается, и там, где глубина меньше 1/10 глубины трения, отклонения вообще не происходит.
|
