Морские течения сила кориолиса
Морскими течениями называют продолжительные перемещения больших объемов воды в горизонтальном направлении под действием различных вынуждающих сил. Морские течения характеризуются скоростью, направлением и расходом воды. Скорость измеряется в см/с, а направление в градусах компасной картушки. Нужно заметить, что под направлением течения понимается «куда» оно направлено. Вспомним, что направление ветра понимается противоположным образом, говоря о направлении ветра, мы имеем в виду «откуда» дует ветер. Расход воды, переносимой течениями, измеряется в кубометрах в секунду. Расходы морских течений составляют обычно сотни тысяч и миллионы м 3 /с, поэтому в океанологии принята еще внесистемная единица для обозначения расхода воды: 1 Св (Свердруп) = 1 млн. м 3 /с, названная так в честь одного из наиболее известных исследователей океана Х.У. Свердрупа.
Морские течения оказывают большое влияние на многие стороны человеческой деятельности, прежде всего, такие как морские перевозки всевозможных грузов и пассажиров, рыболовство, добычу углеводородов на морском шельфе. Перемещая значительные объемы воды на большие расстояния, течения осуществляют перенос тепла, солей и прочих субстанций, в том числе всевозможные химические, органические и радиоактивные загрязнения. Поэтому скорость, направление, режим изменчивости морских течений – предмет научных интересов специалистов в области физической океанологии, климатологов, ихтиологов, морских геологов, а также экологов.
Важный вопрос – какие характеристики течений и как следует измерять? В ходе развития океанологии эта задача решалась двумя путями. В одном использовался метод Лагранжа, в другом – метод Эйлера. Используя метод Лагранжа, исследователь наблюдает движение частицы воды на протяжении некоторого времени. Уравнения Лагранжа составлены для трехмерного пространства, но в океанологии вертикальные составляющие течений обычно не учитываются. На практике наблюдение сводится к слежению за свободно плавающими поплавками. При достаточно большом их количестве и продолжительном времени подобных наблюдений метод Лагранжа позволяет получить представление о скорости и траекториях исследуемого поверхностного течения.
Система уравнений Эйлера применима для обработки наблюдений, выполненных в конкретной точке океана, то есть измерений скорости и направления течений с помощью какого-либо прибора, закрепленного в фиксированном месте. Оба способа позволяют измерить характеристики течения не только на поверхности, но и в глубинах океана. Оба метода при всех своих достоинствах и недостатках очень трудоемки для применения в морских условиях, поэтому задача исследования характеристик морских течений продолжает оставаться одной из самых трудных и дорогостоящих в океанологии.
Причины морских течений можно разделить на внешние и внутренние. К первым относят ветер, приливообразующие силы, изменения атмосферного давления, перекосы уровня моря, возникающие от неравномерности распределения осадков, испарения и речного стока, то есть те, которые, непосредственно приводят к появлению течения в поверхностном слое воды. Внутренние причины возбуждают течения и на поверхности, и в толще океанических вод, это главным образом горизонтальные градиенты в поле плотности.
Конкретные силы, вызывающие течения в океане, разделяются на первичные и вторичные. Первичные силы, такие как ветер, вызывают появление потока и поддерживают его в дальнейшем, свое воздействие могут оказывать и в неподвижной, и в движущейся среде. Вторичные силы сами по себе движения не вызывают и в неподвижной воде не проявляются, их действие начинается только при уже возникшем течении. Эти силы могут изменять направление и скорость, то есть деформируют характеристики вектора течения. Подобные действия оказывают сила Кориолиса, трение о дно и берега, турбулентная вязкость.
В сложившейся системе течений реального океана, практически каждое из них есть продукт воздействия нескольких сил, но почти всегда удается выделить главную вынуждающую силу, по которой течение обычно и относят к тому или иному типу.
Источник
Что такое морские течения и зачем их исследуют ученые: всемогущий Гольфстрим
Гольфстрим исчез или поменял направление. Произошло глобальное изменение климата. Человеческая цивилизация на грани исчезновения. Как относиться к этим страшилкам, известным по фильмам-катастрофам и статьям некоторых климатологов-футурологов? Чтобы это отношение выработать, стоит прежде всего разобраться в необычайно интересном феномене морских течений.
Что вообще заставляет воду двигаться в воде? Например, ее неоднородность. Более соленая и более холодная вода тяжелее более пресной и теплой. А поскольку и соленость в разных точках Мирового океана может различаться, и поверхность моря нагревается солнцем неравномерно, в толще воды возникает градиент давлений, и точно так же, как воздух в атмосфере, вода начинает движение от зоны высокого давления к зоне низкого. Такие течения в науке называют термохалинными. Существуют и течения, вызванные перепадами уровня океана, их можно назвать баротропными. Но все же творцы самых мощных перемещений воды — ветер и сила Кориолиса.
Океан в теснине
Течения, буквально промешивающие пол-океана, — это ветровые течения. Пример — крупномасштабная циркуляция воды в северной части Атлантики. Поток, охватывающий всю верхнюю толщу вод, движется по часовой стрелке с на удивление маленькой скоростью — всего-то 1−2 см/с. Казалось бы, все просто — вдоль восточных берегов Атлантики течение движется с севера на юг, вдоль американских берегов — с юга на север. Но есть одна существенная деталь, имеющая решающее значение для климата в этой части мира. Сила Кориолиса — сила инерции, возникающая из-за вращения нашей планеты, — прижимает течение к американскому материку. Часть мощного потока океанских вод сжимается в узкой прибрежной зоне, образуя так называемое западное пограничное течение. Дальше все происходит по законам гидравлики: оказавшись в своего рода теснине, вода резко увеличивает скорость примерно до 2 м/с, то есть в сто раз. Эта мощная струя в конце концов отрывается от породившего ее кругового течения и уходит на север, становясь течением Гольфстрим.
Понятно, что даже такое мощное и быстрое океанское течение, как Гольфстрим, все равно испытывает на своем пути воздействие разнообразных сил и факторов. Оно постепенно теряет энергию, начинает петлять, создавая, подобно реке, меандры. Иногда эти меандры отрываются и формируют отдельные вихри — так называемые ринги, имеющие диаметр около 200 км. В каждый момент времени этих вихрей в Северной Атлантике существует более десятка. Если они, отделяясь, уходят на юг, то несут более холодную воду в более теплые зоны океана, если на север, то наоборот — заносят относительно теплую воду в полярные области.
Твердая вода
Вихри — постоянный спутник морских течений. Сама граница течения представляет собой фронт, то есть перепад характеристик водной среды. Он практически никогда не бывает плоскостью, перпендикулярной дну, но имеет уклон. Фронт постоянно меняет положение, и рядом с ним неизменно рождаются вихри — от гигантских, диаметром в сотни километров, до самых маленьких, какие только могут быть. Понятно, что воду закручивает одновременное действие разных сил, и здесь опять-таки не последнюю роль играет сила Кориолиса.
Одним из главных инструментов изучения океанских течений стала развивающаяся с конца 90-х гг глобальная сеть роботизированных буев-поплавков ARGO. Если посмотреть на карту сети, можно увидеть, что буи равномерно распределены по всей акватории Мирового океана, кроме арктической зоны, с шагом примерно 300 км. Изначально запланированное количество в 3000 буев было достигнуто еще в 2007 году, и сейчас их количество постоянно увеличивается. Характерной особенностью роботизированного «поплавка» ARGO является его переменная плавучесть. Она достигается путем изменения эффективной плотности за счет варьирования объема аппарата. Поршень растягивает находящийся в нижней части буя резиновый мешок, и объем зонда при неизменной массе возрастает. Буй работает циклами по 10 дней. Основное время (9 дней) он работает на глубине около 1000 м, затем кратковременно опускается на 2000 м, и затем всплывает, чтобы в течение дня передать на спутник все собранные за вахту данные. На разных глубинах и на поверхности буй замеряет плотность, электропроводность и даже оптические свойства воды.
Вот интересный пример. Через Гибралтарский пролив, как и через любой узкий пролив, соединяющий два бассейна, в которых вода имеет разные характеристики, идут два быстрых встречных потока. Более легкая океанская вода вливается в Средиземное море поверху, а более тяжелая, более соленая морская, идет понизу и скапливается уже в океане на глубине порядка 1000−1200 м (именно на такой глубине средиземноморский «рассол» имеет нулевую плавучесть). Вырастает своего рода огромный «мешок», а с ним возникает разница гидростатического давления на одинаковой глубине. Теперь, казалось бы, есть все условия, чтобы возникло течение по направлению градиента давлений. Но тут и вступает в действие сила Кориолиса — она компенсирует перепад давлений, и вода, вместо того чтобы двигаться по изолинии давления, выталкивается в перпендикулярном направлении. Так в Атлантике закручивается гигантский вихрь диаметром около 100 км и толщиной метров 300. Кстати, обнаружение этого вихря и изучение его природы стало одним из последних крупных открытий в области гидрологии океана и физической географии вообще.
Источник
Сила Кориолиса
Линейная скорость вращения жидкости в жёлобе составляет и направлена перпендикулярно радиусу вращения. Изменению соответствует ускорение жидкости и действующая на нее сила Кориолиса , тоже перпендикулярные радиусу вращения.
Итак, на жидкость, движущуюся вдоль радиального желоба, действуют две взаимно перпендикулярные силы – центробежная , направленная вдоль желоба, и сила Кориолиса , направленная перпендикулярно желобу. Центробежная сила на радиально направленный желоб не действует, а сила Кориолиса действует на жидкость со стороны желоба в направлении вращения, при этом сам желоб испытывает противодействие . Вызывающее подмывание одного из берегов рек, текущих по земной поверхности. Постепенно сдвигаемого в сторону направления противодействия.
Закон Бэра
Закон Бэра определяет, какой именно из этих двух берегов испытывает это противодействие. Вращение поверхности и сила Кориолиса направлена в одну и ту же сторону, а сила противодействия – противоположно. Если вращение поверхности происходит против часовой стрелки, то подмывается правый берег течения, а если по часовой стрелке — левый. Это соответствует северному и южному полушариям Земли, отличающейся от плоской модели тем, что ее поверхность сферическая с радиусом и географической широтой , а наблюдатель северного полушария является антиподом южного. Поэтому вращение с радиусом в северном полушарии происходит против, а в южном – по часовой стрелке. Земная поверхность при радиальном направлении речного течения от центра к краю вращения может быть эквипотенциальной, когда влияние земного тяготения отсутствует.
Обратное радиальное направление речного течения – от края поверхности к центру вращения для эквипотенциальной поверхности невозможно и может быть вызвано только лишь гравитацией, преодолевающей центробежную силу. Вода при этом устремляется в сторону меньшего потенциала, т.е. в направлении сверху вниз. А ускорение определяется двумя составляющими – центробежной , определяемой вращением, и центростремительной , определяемой гравитацией. Они направлены противоположно и потому вычитаются. При течение по-прежнему направлено от центра к краю вращения, хотя и замедляется, при течение прекращается, при течение устремляется от края поверхности к центру ее вращения (Нил, Иртыш, Лена). При этом движении линейная скорость вращения уменьшается, что соответствует действию уже не ускоряющей, а тормозящей силы Кориолиса. Направленной противоположно вращению.
Одновременно при смене направления течения правый и левый берега меняются местами.
Сила Кориолиса теперь уже направлена противоположно вращению, а сила противодействия по-прежнему приложена к правому берегу речного течения.
Теперь становится понятным содержание закона Бэра. Ясно также и то, что он определяет единственно возможное направление смещения речного русла. Для северного полушария – в сторону правого берега. Для рек, текущих на юг это смещение к западу. Для рек текущих на север – к востоку.
Источник