Технология добычи полезных ископаемых со дна озер, морей и океанов - Ржевский В.В.
Скачать (прямая ссылка):
В.' Экман доказал, что дрейфовое течение возникает от взаимодействия касательного напряжения ветра, отклоняющей силы вращения Земли (сила Кариолиса) и турбулентного трения при постоянном коэффициенте турбулентной вязкости. При этом, в условиях глубокого моря, вектор течения отклоняется от направления ветра на 45° вправо в северном полушарии и влево — в южном. С глубиной, благодаря трению между частицами воды, скорость течения падает, а отклонение от направления ветра возрастает. На определенной глубине течение будет направлено в противоположную сторону от направления на поверхности, а его скорость равна 1/23 последнего. Экман назвал эту глубину глубиной трения (D), так как она находится в прямой зависимости от коэффициента вязкости (fl).
где а — удельный объем; со — угловая скорость вращения Земли.
(2.4)
Для общей оценки глубины трения можно воспользоваться эмпирически установленной связью последней со скоростью поверхностного течения
XV о
D
V Sin ф
(2.5)
Рис. 2.4. Спираль Экмана (Изменение с глубиной величины и направления скорости дрейфового течения в глубоком море северного полушария)
где К — коэффициент, принимающий значение около 7. Отсюда величина D колеблется в пределах 480—600У0 [27 ]. В средних широтах и ветрах средней силы D составляет около 100 м, колеблясь в пределах 50—200 м. С уменьшением широты глубина трения возрастает.
На глубйне Н = 2D вектор скорости течения вновь направлен по направлению, соответствующему поверхности, но скорость составляет только 1/535 скорости на поверхности. Горизонтальная проекция концов векторов скоростей представляет собой логарифмическую спираль и носит название «спираль Зкмана» (рис. 2.4).
При конечной глубине моря угол между вектором ветра и вектором поверхностного течения изменяется в зависимости от глубины. Когда отношение истинной глубины к D мало, то дрейфовое течение следует за направлением ветра (табл. 2.3).
Отношение может служить критерием мелководности моря.
При увеличении этого отношения угол между вектором ветра и направлением течения составляет 45°, что характерно для условий глубокого моря.
Отклонение поверхностного течения от ветра зависит не только от глубины, но и от силы ветра, так как при этом растет коэффициент трения [г.
В случае сильных ветров со скоростью W > 6 м/с ^ = 4,3W2, при силе ветра менее 6 м/с — ^ = 1,02Wz [27].
Сказанное хорошо иллюстрируется приведенными расчетами, выполненными для средней широты Каспийского моря (табл. 2.4).
Приведенные выше рассуждения основаны на допущении идеальных условий наличия в море только одних дрейфовых течений. В природе такое условие встречается крайне редко, и реальные течения возникают под действием разнообразных причин, в том числе в связи с различными градиентами плотностей водных масс.
Таблица 2.3
Зависимость угла отклонения вектора поверхностного течения
Я
относительно вектора ветра от отношения -=г-
(по Н. И. Егорову [17])
И 0,1 0,25 0,5 0,75 1,0 1,5
D
Угол между вектором те 5 21,5 45 45,5 45 45
чения и Еектором ветра,
градус
Таблица 2.4
Зависимость угла отклонения вектора поверхностного течения (градусы) относительно вектора ветра от силы ветра и глубины моря (по Н. И. Егорову [17])
Сила ветра, баллы
моря, м 2 3 4 5 6 7 8 9 10
10 42 20 8 6 4 4 4 3 3
20 45 45 22 20 12 10 6 5 4
50 45 45 45 45 45 37 31 22 17
100 45 45 45 45 45 45 45 45 43
150 45 45 45 45 45 45 45 45 45
Градиентные течения не связаны непосредственно с ветррм и возникают в толще воды под влиянием различных факторов. В общем виде они обусловлены горизонтальным градиентом гидростатического давления. Последний возникает при неоднородном изменении уровня моря под влиянием сгонно-нагонных явлений, изменения атмосферного давления, различной плотности воды, местным повышением уровня в результате стока речных вод и по другим причинам.
В общем случае на частицу, расположенную на свободной изобарической поверхности р0, будут действовать две силы: сила,
обусловленная градиентом гидростатического давления а , и
-ч ап
сила тяжести g [17]. Исключая силу трения, действующую только в придонном слое, можно разложить вектор силы тяжести g на две составляющие g cos у и g sin у, где у — угол наклона уровня (рис. 2.5). При этом вектор g cos у уравновесит силу гидростатического давления а 4е-, а неуравновешенная сила gsinv вызовет йп
движение масс воды. Возникновение движения сразу приведет в действие отклоняющую силу вращения Земли К, которая равна
Рис. 2.5. К выводу формулы для расчета градиентных течений (по Н. И. Егорову, 1974 г.)
