Спираль Экмана. Течение Гольфстрим

В 1893-1896 годах норвежский исследователь Арктики Ф. Нансен во время дрейфа во льдах Северного океана на судне "Фрам" заметил, что при постоянном ветре дрейф происходит не в направлении ветра, а под углом 20-40° направо от него. Нансен сам дал качественное объяснение этому явлению: кроме ветрового напряжения на течение действует и ускорение Кориолиса. Напомним, оно вызвано вращением Земли с угловой скоростью ω = 7,3 *10^-5 с^-1, направлено перпендикулярно скорости направо в Северном полушарии и налево в Южном, а по величине равно 2ωvsin ϕ.

В 1905 году шведский ученый В. Экман создал теорию ветрового течения в открытом глубоком океане. Как удивительно поворачивается течение в глубине (рис.1.13) под действием силы Кориолиса" Вот формулы, описывающие эту спираль Экмана. Если ветер направлен по оси у, то вектор скорости течения (V_x, V_y) на глубине z равен:

Нижний знак относится к Южному полушарию.

Поверхностная скорость v₀ по величине примерно такая же, как и в случае мелкой воды, но направлена она под углом 45° к направлению ветра, направо в Северном полушарии и налево в Южном. Вектор скорости при углублении поворачивается. На глубине z= З /4kон направлен уже против ветра! Скорость течения там равна V₀ ехр {-Зπ/4} = 0,095 v₀. На глубине π/k вода течет в сторону, противоположную поверхностному течению со скоростью V₀ ехр {-π} = 0,043 V₀

Параметр kопределяет характерную глубину, на которой происходит поворот течения и затухание его скорости. Он зависит от географической широты ϕ и численно равен

 

 

20

При скорости ветра W=10 м\с поверхностная скорость течения в океане порядка 0,1 м/с, а глубина, на которой течение поворачивает вспять, порядка 100 м. Число Рейнольдса океанической турбулентности при такой скорости ветра порядка 10⁷. Турбулентность эффективно перемешивает океан в поверхностном слое глубиной около ста метров, в этом же слое происходит перенос водных масс течениями.

Достоинство теории Экмана в том, что она дает разумную физическую картину и верную оценку характерных скоростей и глубин. Но это, конечно, очень идеализированная схема. Она не применима, в частности, вблизи экватора, где ускорение Кориолиса, а вместе с ним и параметр kобращаются в нуль.

Если просуммировать по глубине потоки жидкости в спирали Экмана, то окажется, что полный поток направлен по оси х, прямо перпендикулярно направлению ветра! И полный поток каждого из пассатных течений, поток, просуммированный по глубинам, тоже направлен не точно на запад, но имеет составляющую, направленную от экватора. Для компенсации этих оттоков на экваторе происходит подъем глубинных вод. Поскольку на глубине вода холодная, то температура

21

поверхностных вод на экваторе оказывается на 2-3 градуса холоднее, чем температура со – соседних тропических вод. Экваториальная область океанов - относительно холодное место нашей планеты! Медленный подъем океанских вод в специальной литературе называют апвеллингом, опускание-даунвеллингом, не переводя соответствующие английские слова upwelling и downwelling. Кроме экваториального апвеллинга, подъем или опускание вод происходит у берегов больших водоемов при касательном к берегу направлении ветра. Примеры таких течений показаны на рис.1.15.

Это тоже проявление кориолисовых сил, направляющих полный поток жидкости, как и в спирали Экмана, перпендикулярно направлению ветра. Когда пассатные течения подходят к шельфу - подводному краю континентов - им приходится и у поверхности поворачивать от экватора. Так начинаются мощные течения средних широт: Гольфстрим (англ.”течение залива”) и Бразильское течения в Атлантике, Куросио и Восточно-Австралийское течения Тихого океана, Мадагаскарское течение Индийского океана. Основная движущая сила этих течений уже не ветер, а напор воды у континентов. Уровень воды океана в Атлантике в Мексиканском заливе на 60 см выше, чем у Африки, а в Тихом океане разница уровней между западным и восточным его берегами достигает 70 см. Создается такой нагон пассатными ветрами. Но структура течений средних широт уже не ветровая: они прослеживаются в океане до глубины в полтора-два километра и только еще глубже можно обнаружить слабое противотечение.

Но и ветры, особенно на широтах 40-50°, тоже подгоняют, усиливают эти течения. К тридцатиградусным широтам они расположением континентов и силами Кориолиса отворачиваются на северо-запад, а на широтах 40-50° начинают течь и прямо на запад. Вот тут-то их снова усиливают ветры, дующие с юго-востока в Северном полушарии и с северо-востока в Южном. Особенно мощным становится направленное на запад Антарктическое циркумполярное течение - вбирающее в себя течения средних широт всех океанов, почти не имеющее на своем пути континентальных препятствий и подгоняемое северо-западными ветрами. Наконец, в Северном Ледовитом океане под действием северо-восточных ветров третьей, полярной ячейки Хэдли возникает почти круговое Западное Арктическое течение. В Южном полушарии у него есть слабый аналог у самого побережья Антарктиды.

Такова глобальная картина океанских течений, она логично следует из карты ветров и карты континентов. Но вот какой еще вопрос тревожит. И ветры Земли, и течения океана значительно отклоняются вращением планеты, силами Кориолиса. Спрашивается, ну а ветры и течения сами как влияют на вращение Земли, не тормозят ли его? Вопрос кажется очень сложным. Но ответ на

22

него прост, - нет. И ветры, и течения вызваны падающим на Землю излучением Солнца. Оно дает энергию движениям атмосферы и океана. Эта энергия диссипируется, переходит в тепло, при этом действительно возникают силы трения. Однако эти силы - внутренние. Для каждой такой силы, замедляющей вращение планеты, по третьему закону Ньютона найдется равная и противоположно направленная сила, вращение Земли ускоряющая. Суммарный момент всех внутренних сил равен нулю. Солнечное излучение не изменяет момента количества движения Земли - ветры и течения в среднем не замедляют Землю и не ускоряют ее.

 

Заключение

Введение сил инерции вызывает различные толкования, и при изучении их возникают трудности, поэтому приводятся основные рассуждения.

1. Нет сил инерции. В неинерциальной системе отсчета несправедливы первый и второй законы динамики, силы взаимодействия тел еще не определяют ускорение тела. Поэтому необходимо, сначала произвести динамический анализ движения данного тела относительно инерциальной системы отсчета. После того, как найдено движение тела относительно этой системы, можно по законам кинематики определить его движение и в неинерциальной системе отсчета.

2. Есть силы инерции. В этом случае формально справедливы первый и второй законы динамики, поэтому можно произвести динамический анализ движения тела прямо относительно неинерциальной системы отсчета, для этого необходимо к силам взаимодействия, действующим на данное тело, прибавить еще силы инерции. При поступательном движении неинерциальной системы силы инерции одинаковы во всех точках этой системы отсчета и не зависят от скорости движения тела относительно нее. Во вращающейся системе отсчета силы инерции различны в разных точках неинерциальной системы (центробежные силы) и зависят от относительной скорости движения (кориолисовьг силы).

Физический смысл сил инерции только в том, что они учитывают ускорение тела, равномерно и прямолинейно движущегося относительно неинерциальной системы отсчета, - ускорение, имеющее место вследствие ускоренного движения системы отсчета. Прибавление сил инерции к внешним силам, действующим на тело, равносильно вычитанию из суммы внешних сил той их части, которая определяет центростремительное и кориолисово ускорение тела (в случае вращающейся системы отсчета) или ускорение неинерциальной системы отсчета (при поступательном ее движении). Оставшаяся часть внешних сил определяет ускорение относительно неинерциальной системы отсчета.

Проявление сил инерции на Земле играет важнейшую роль, как в построении физической картины мира, так и в жизни самих жителей нашей планеты. Из проделанной работы становится ясно понятно, что силы инерции не стоит оставлять без внимания, их необходимо учитывать в различных сферах деятельности. А также необходимо включить в курс средней школы понятия "неинерциальной системы отсчета" и "силы инерции", что позволит повысить уровень систематизации знаний и даст возможность рассматривать с более глубоких научных позиций происходящие физические явления, а это, в свою очередь, будет способствовать формированию у школьников целостных представлений о современной физической картине мира.

 

 

23

Список литературы:

1. Александров, В.Н. Курс общей физики. Механика /В.Н. Александров, А.Я. Яшкин. - М.: Просвещение, 1978. - 210 с.

2. Архангельский, М.М. Курс физики. Механика / М.М. Архангельский. - М.: Просвещение, 1965. - 123 с.

3. Детлаф, А.А. Курс физики. Механика. Основы молекулярной физики и термодинамики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский, Л.Б. Милковская. - 4-е изд. испр. и допл. - М.: Высшая школа, 1973. - 135 с.

4. Сивухин, Д.В. Общий курс физики. Механика / Д.В. Сивухин. - М.: Просвещение, 1979. - 357 с.

5. Стрелков, С.П. Общий курс физики. Механика / С.П. Стрелков. - М.: Наука, 1975. - 152 с.

6. Ландау, Л.Д. Физика для всех. Физические тела / Л.Д. Ландау, Ф.И. Китайгородский. - М.: Наука, 1984. - 73 с.

7. Бялко, А.В. Наша планета - Земля / А.В. Бялко. - М.: Наука, 1983. - 150 с.