что такое градиентные течения
ГРАДИЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ
Смотреть что такое «ГРАДИЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ» в других словарях:
ГРАДИЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ — движение морских и озерных вод, вызываемое горизонтальным градиентом давления и уравновешиваемое Кориолиса силой и силой трения у дна и берегов. Разность давления возникает вследствие сгонов и нагонов воды ветрами, разности плотностей, вызванной… … Большой Энциклопедический словарь
градиентное течение — движение морских и озёрных вод, вызываемое горизонтальным градиентом давления и уравновешиваемое Кориолиса силой и силой трения у дна и берегов. Разность давления возникает вследствие сгонов и нагонов воды ветрами, разности плотностей, вызванной… … Энциклопедический словарь
градиентное течение — gradientinis tekėjimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. gradient current vok. Druckgefällsströmung, f; Gradientströmung, f rus. градиентное течение, n pranc. courant gradient, m … Fizikos terminų žodynas
ГРАДИЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ — движение мор. и озёрных вод, вызываемое горизонтальным градиентом давления и уравновешиваемое Кориолиса силой и силой трения у дна и берегов. Разность давления возникает вследствие сгонов и нагонов воды ветрами, разности плотностей, вызванной… … Естествознание. Энциклопедический словарь
ГРАДИЕНТНЫЙ ВЕТЕР — расчетный ветер, предполагающий равномерное горизонтальное движение воздуха вдоль изобар в отсутствие силы трения по прямолинейным (геострофический ветер) или криволинейным (геоциклострофический ветер) траекториям. Градиентное течение ветер,… … Словарь ветров
Druckgefällsströmung — gradientinis tekėjimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. gradient current vok. Druckgefällsströmung, f; Gradientströmung, f rus. градиентное течение, n pranc. courant gradient, m … Fizikos terminų žodynas
Gradientströmung — gradientinis tekėjimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. gradient current vok. Druckgefällsströmung, f; Gradientströmung, f rus. градиентное течение, n pranc. courant gradient, m … Fizikos terminų žodynas
courant gradient — gradientinis tekėjimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. gradient current vok. Druckgefällsströmung, f; Gradientströmung, f rus. градиентное течение, n pranc. courant gradient, m … Fizikos terminų žodynas
gradient current — gradientinis tekėjimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. gradient current vok. Druckgefällsströmung, f; Gradientströmung, f rus. градиентное течение, n pranc. courant gradient, m … Fizikos terminų žodynas
gradientinis tekėjimas — statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. gradient current vok. Druckgefällsströmung, f; Gradientströmung, f rus. градиентное течение, n pranc. courant gradient, m … Fizikos terminų žodynas
ГРАДИЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ
Смотреть что такое «ГРАДИЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ» в других словарях:
градиентное течение — движение морских и озёрных вод, вызываемое горизонтальным градиентом давления и уравновешиваемое Кориолиса силой и силой трения у дна и берегов. Разность давления возникает вследствие сгонов и нагонов воды ветрами, разности плотностей, вызванной… … Энциклопедический словарь
градиентное течение — gradientinis tekėjimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. gradient current vok. Druckgefällsströmung, f; Gradientströmung, f rus. градиентное течение, n pranc. courant gradient, m … Fizikos terminų žodynas
ГРАДИЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ — атмосферное течение, скорость ветра в котором определяется равновесием сил барического градиента, отклоняющей и центробежной сил, т. е. уравнением градиентного ветра … Словарь ветров
ГРАДИЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ — движение мор. и озёрных вод, вызываемое горизонтальным градиентом давления и уравновешиваемое Кориолиса силой и силой трения у дна и берегов. Разность давления возникает вследствие сгонов и нагонов воды ветрами, разности плотностей, вызванной… … Естествознание. Энциклопедический словарь
ГРАДИЕНТНЫЙ ВЕТЕР — расчетный ветер, предполагающий равномерное горизонтальное движение воздуха вдоль изобар в отсутствие силы трения по прямолинейным (геострофический ветер) или криволинейным (геоциклострофический ветер) траекториям. Градиентное течение ветер,… … Словарь ветров
Druckgefällsströmung — gradientinis tekėjimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. gradient current vok. Druckgefällsströmung, f; Gradientströmung, f rus. градиентное течение, n pranc. courant gradient, m … Fizikos terminų žodynas
Gradientströmung — gradientinis tekėjimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. gradient current vok. Druckgefällsströmung, f; Gradientströmung, f rus. градиентное течение, n pranc. courant gradient, m … Fizikos terminų žodynas
courant gradient — gradientinis tekėjimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. gradient current vok. Druckgefällsströmung, f; Gradientströmung, f rus. градиентное течение, n pranc. courant gradient, m … Fizikos terminų žodynas
gradient current — gradientinis tekėjimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. gradient current vok. Druckgefällsströmung, f; Gradientströmung, f rus. градиентное течение, n pranc. courant gradient, m … Fizikos terminų žodynas
gradientinis tekėjimas — statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. gradient current vok. Druckgefällsströmung, f; Gradientströmung, f rus. градиентное течение, n pranc. courant gradient, m … Fizikos terminų žodynas
ГРАДИЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ
движение мор. и озёрных вод, вызываемое горизонтальным градиентом давления и уравновешиваемое Кориолиса силой и силой трения у дна и берегов. Разность давления возникает вследствие сгонов и нагонов воды ветрами, разности плотностей, вызванной неравномерным распределением солёности воды, и от др. причин.
Смотреть что такое «ГРАДИЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ» в других словарях:
ГРАДИЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ — движение морских и озерных вод, вызываемое горизонтальным градиентом давления и уравновешиваемое Кориолиса силой и силой трения у дна и берегов. Разность давления возникает вследствие сгонов и нагонов воды ветрами, разности плотностей, вызванной… … Большой Энциклопедический словарь
градиентное течение — движение морских и озёрных вод, вызываемое горизонтальным градиентом давления и уравновешиваемое Кориолиса силой и силой трения у дна и берегов. Разность давления возникает вследствие сгонов и нагонов воды ветрами, разности плотностей, вызванной… … Энциклопедический словарь
градиентное течение — gradientinis tekėjimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. gradient current vok. Druckgefällsströmung, f; Gradientströmung, f rus. градиентное течение, n pranc. courant gradient, m … Fizikos terminų žodynas
ГРАДИЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ — атмосферное течение, скорость ветра в котором определяется равновесием сил барического градиента, отклоняющей и центробежной сил, т. е. уравнением градиентного ветра … Словарь ветров
ГРАДИЕНТНЫЙ ВЕТЕР — расчетный ветер, предполагающий равномерное горизонтальное движение воздуха вдоль изобар в отсутствие силы трения по прямолинейным (геострофический ветер) или криволинейным (геоциклострофический ветер) траекториям. Градиентное течение ветер,… … Словарь ветров
Druckgefällsströmung — gradientinis tekėjimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. gradient current vok. Druckgefällsströmung, f; Gradientströmung, f rus. градиентное течение, n pranc. courant gradient, m … Fizikos terminų žodynas
Gradientströmung — gradientinis tekėjimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. gradient current vok. Druckgefällsströmung, f; Gradientströmung, f rus. градиентное течение, n pranc. courant gradient, m … Fizikos terminų žodynas
courant gradient — gradientinis tekėjimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. gradient current vok. Druckgefällsströmung, f; Gradientströmung, f rus. градиентное течение, n pranc. courant gradient, m … Fizikos terminų žodynas
gradient current — gradientinis tekėjimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. gradient current vok. Druckgefällsströmung, f; Gradientströmung, f rus. градиентное течение, n pranc. courant gradient, m … Fizikos terminų žodynas
gradientinis tekėjimas — statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. gradient current vok. Druckgefällsströmung, f; Gradientströmung, f rus. градиентное течение, n pranc. courant gradient, m … Fizikos terminų žodynas
Что такое градиентные течения
Представления о природе течений океанов и морей,
их параметрах и свойствах
Приводятся общие представления о динамике основных видов течений океанов и морей, которые по их кинематическим свойствам можно разделить на градиентные или термохалинные, дрейфовые и длинноволновые.
Динамика градиентных течений впервые была рассмотрена норвежскими учёными Сандстремом и Хелланд-Хансеном в 1903 г [Sandstrom, Helland-Hansen, 1903]. Они считали, что течения в океанах геострофические. В этих условиях горизонтальный градиент давления на воду, возникающий за счёт градиента уровня воды, должен быть уравновешен только силой Кориолиса, 
. Исходя из этого были получены следующие соотношения:
=- 
, 
= 
, (1)
где 
, 
– скорость течения по 
осям 
, 
, 
— отклонение уровня моря от положения равновесия, 
– ускорение свободного падения, = 
— параметр Кориолиса, 
= 
— угловая частота и 
— период вращения земли, 
— широта места, град.
Позднее были созданы методы и модели расчёта течений по термохалинным параметрам воды, в которых используются зависимости (1).
Соотношения (1) выполняются для установившегося процесса: поля уровня и течений. Однако практически установившихся процессов в реальных условиях морей и океанов не существует и поэтому речь может идти о процессах, приближающихся к таковым – о квазиустановившихся. Могут рассматриваться условия, когда это приближение существенно не повлияет на величину связи поля уровня и течений (1).
Поясним изложенное. В те времена, когда были предложены соотношения (1), представления об океанских течениях, они существенно отличались от реальных, современных. Предполагалось, что течения образованы квазиоднородными во времени и пространстве движениями огромных масс воды. Для описания именно таких течений и были предложены соотношения (1).
В дальнейшем было установлено, что реальные течения на самом деле не такие, как представлялось Хеланд-Нансену и Сандстрему: они не столь однородны во времени и пространстве, в чём мы сможем неоднократно в дальнейшем убедиться. Экспериментальные исследования известного отечественного океанолога В.Б. Штокмана [Штокман, 1937, Штокман, Ивановский, 1937] показали, что изменчивость реальных течений морей столь высока (в океанах она такая же), что поля течений и уровня не успевают взаимно приспосабливаться и, следовательно, течения не являются геострофическими, а отсюда и соотношения (1) не могут в этих условиях соблюдаться. Этим результатам исследований течений сам В.Б. Штокман впоследствии придавал большое значение и считал одним из значимых своих научных достижений [Штокман, 1970].
Известный отечественный учёный, специалист по моделированию океанских течений А.С. Саркисян [Саркисян, 1966] пришёл к выводу, что течения, развивающиеся вдали от берегов и поверхности моря, могут рассматриваться как геострофические, если характерный горизонтальный масштаб поля течений
103 км, характерная горизонтальная скорость течения
10 cм/c, характерная глубина
1 км, характерный масштаб времени
Эти исследования В.Б. Штокмана и А.С. Саркисяна не стали уроком для учёных. В последствие (после ухода В.Б. Штокмана из жизни) методы расчета течений, основанные на представлениях геострофической их природы, стали безгранично использоваться, что и приводило часто к ложным представлениям о течениях, их параметрах и свойствах.
Далее, рассматривая различные течения и в различных местах бассейнов, будет показано, что В.Б. Штокман и А.С. Саркисян были правы в том, что течения морей и океанов действительно преимущественно не геострофические. Отсюда, расчёты течений, выполненные с помощью соотношений (1), зачастую нельзя признать правильными. Во всяком случае геострофический характер конкретных течений следует всегда обосновывать.
В настоящее время получено много информации об уровне океанов (альтиметрические измерения) и течениям (см. Гл. I). Сопоставительный анализ этих параметров океана позволяет сделать вывод, что реальные течения не только не геострофические, но и не градиентные. Приведём некоторую информацию подтверждающую это.
Течения Гольфстрима на выходе из Флоридского пролива имеют скорости порядка 1 м/с при ширине Гольфстрима 100 км (см. гл. I ). в соответствие с (1) в этом случае перепад уровня по сечению Гольфстрима должен быть равен одному метру. Если течения Гольфстрима не геострофические, а просто градиентные, то перепад уровня на 100 км вдоль течения должен быть больше одного метра. Вместе с тем точные альтиметрические измерения показывают, что перепад уровня в реальности не превышает 10 см на 100 км.
полушариях. Объёмный перенос на единицу длины в направлении ветра определяется выражением [Боуден, 1988]
= 
, 
где 
– касательное напряжение ветра на единицу площади поверхности моря, 
— плотность воды, = — параметр Кориолиса, — угловая частота и — период вращения Земли, — широта места, град. Следовательно, так называемый, Экмановский перенос зависит только от касательного напряжения ветра и широты места.
Составляющие по горизонтальным осям, 
касательного напряжения ветра 
, 
на глубине 
связаны с составляющими скорости соотношениями
= 
, = 
,
где , – составляющие скорости течения по осям , , 
– коэффициент турбулентной вязкости.
Допустив, что коэффициент турбулентной вязкости не зависит от глубины, Экман получил решение, согласно которому течение на поверхности моря направлено под углом 45 o вправо от направления ветра, и с глубиной вектор скорости по модулю экспоненциально убывает и поворачивается вправо (в Северном полушарии). На глубине 
течение направлено против поверхностного течения и составляет приблизительно 0,04 от его величины. Глубина 
, называемая глубиной трения, определяется выражением
= 
.
Согласно решению , скорость течения на поверхности связана с касательным напряжением ветра соотношением
= 
= 
.
Касательное напряжение определяют из соотношения
= 
,
где 
– скорость ветра, обычно измеряемая на высоте 10 м над поверхностью моря, 
– плотность воздуха, 
– коэффициент трения, зависящий от высоты, на которой измеряется ветер, а также от устойчивости нижнего слоя атмосферы и шероховатости поверхности воды.
Обычно n принимается равным 2. Однако на этот счёт нет единого мнения. Разные исследователи экспериментальным путём получили различные значения для n, укладывающиеся в диапазон от 1,5 до 3 [Вильсон, 1964]. Как отмечалось, коэффициент трения зависит от состояния атмосферы, степени её устойчивости, которая, в свою очередь, зависит от разности температур воды и воздуха. Коэффициент трения может иметь значения от 0,0003 до 0,0065 [Соркина, 1958]. Для скоростей ветра от 6 до 20 м/c многие исследователи используют коэффициент , равный 0,0026 [Миязаки и др., 1964]. Кроме того, в расчёты касательного напряжения ветра часто вводится поправочный коэффициент, меняющийся в зависимости от продолжительности действия ветра и его скорости, в пределах от 1 до 2,2.
Для определения скорости ветра 
, на высоте над поверхностью моря обычно используется соотношение [Боуден, 1988]
, (2)
где 
— скорость трения, связанная с касательным напряжением ветра зависимостью 
, 
– параметр шероховатости, 
– постоянная Кармана, обычно принимаемая 0,4.
Из (1), (2) при n = 2 следует, что скорость ветра на высоте 10 м 
и скорость трения связаны соотношением
.
Как уже отмечалось, – величина непостоянная. Экспериментальные данные [Вильсон, 1964] показывают, что она будет зависеть также от скорости ветра.
Для определения необходимых параметров дрейфового течения по скорости ветра часто используют соотношения, полученные экспериментально для условий 
и 
6 м/c [Боуден, 1988]:
[м/c];
[м];
[см 2 /с].
Величина 
– ветровой коэффициент – определяется по данным непосредственных наблюдений в море и . Определить ветровой коэффициент с высокой точностью практически невозможно, поскольку в реальных условиях в чистом виде дрейфовые течения не наблюдаются, а разделить дрейфовую и не дрейфовую части весьма сложно, даже приближенно.
Выполненные автором исследования свидетельствуют, что обычно исследователи получают завышенную в 5 – 10 раз величину ветрового коэффициента, поскольку при его расчётах берётся не дрейфовая часть течений, а целиком все течения, куда обычно входят и течения иного происхождения [Бондаренко, 1993, Бондаренко, 2001].
Промежуток времени действия ветра на водную поверхность до установления дрейфовых течений для глубокого моря зависит от широты места, приблизительно равен одним маятниковым суткам и определяется с помощью соотношения 
. Экмановская глубина зависит от широты места, т.е. от параметра Кориолиса.
Естественно, что для мелкого моря стационарное состояние чисто дрейфовых течений должно наступить быстрее. Считается, что для Северного Каспия, средняя глубина которого
6 м, оно наступает через 6 ч [Герман, 1970].
Дрейфовые течения создают наклон уровня моря, в результате возникают горизонтальные градиенты давления, которые практически действуют на всю толщу воды и вызывают её движение, т.е. создаются градиентные течения.
Для условий глубокого однородного моря при чисто градиентных течениях величиной трения пренебрегают. В стационарном режиме в этом случае течение находится в геострофическом равновесии и направлено под прямым углом к градиенту давления, т.е. вдоль изобар так, что в Северном полушарии относительно направления течения уровень моря выше справа, а в Южном – слева. Это мы обсуждали в предыдущем разделе. В этом случае скорости течения определяются из соотношений (1), полученных ранее Сандстремом и Хелланд-Хансеном.
В мелком море на течение существенно влияет трение. С уменьшением глубины течение разворачивается в сторону направления наибольшего градиента давления, для малых глубин оно практически совпадает с этим направлением.
Составляющие напряжения трения на дне моря по осям 
; 
; 
.
Для определения придонного трения также используют соотношения вида [Боуден, 1988]
; 
,
где 
— безразмерный коэффициент трения, зависящий от шероховатости дна.
Эти выражения просты и поэтому удобны в расчётах. Однако при более точных определениях безразмерного коэффициента трения используется выражение [Миязаки и др. 1964], в котором учитываются, в частности, также глубина моря и тангенциальное напряжение ветра. Для упрощённых расчётов скорости течений по скорости ветра на мелких морях обычно используют соотношение, аналогичное (3), а именно
,
где 
– постоянные величины, определяемые отдельно для данного
В заключение хотелось бы отметить. Теория ветровых течений не проверена и не обоснована натурой. Хотя некоторые её положения можно считать верными. Действительно ветер создаёт течения. Но очевидно, что величина течений завышена в 5 – 10 раз. Не определена количественно характеристики передачи движений воды от поверхности океана на глубину. Расчёты течений, выполненные только по теории Экмана требуют сравнения с натурой.
В замкнутых морях (Каспийском и Чёрном) континентальные шельфовые волны были доказательно зарегистрированы в конце восьмидесятых – начале девяностых годов [Бондаренко, 1993, Иванов, Янковский, 1993]. Более подробное описание этих волн будет дано в последующем разделе.
Анализ параметров волн Россби и крупномасштабных течений подсказал учёным, что эти два явления, волны и течения, как-то должны быть взаимосвязаны. Наличие связи учёные объясняли двояко: одни считали, что крупномасштабные течения в результате их неустойчивости формируют волны Россби, другие считали, что волны образуют течения. Преимущественно рассматривались два механизма образования крупномасштабных течений путём передачи энергии волн течениям: отрицательной вязкости в волнах и нелинейного взаимодействия волн [Монин, 1974, Лаппо, 1979]. В целом рассматривались механизмы передачи энергии волн течениям или наоборот в виде “накачки”.
Известный отечественный океанолог академик А.С. Монин, рассматривая эти механизмы формирования крупномасштабных течений, понимал важную роль волн Россби в динамике вод океана. Он отмечал, что так (с позиции длинноволновой природы течений) можно объяснить большие скорости струйных течений и устойчивый их характер. Для убедительности изложенного обсудим некоторые работы этого направления.
Так, М. Лайтхилл [Lighthill, 1969] предполагал, что планетарные волны Россби экваториальной зоны Индийского океана, достигнув побережья Африки, передают свою энергию водам прибрежной зоны, формируя, таким образом, Сомалийское течение. В дальнейшем эта гипотеза была развита другими учёными.
Дж. Кнаусс [Knauss, 1966] полагал, что экваториальные планетарные волны Россби имеют отношение к динамике подповерхностных течений Тихого и Атлантического океанов.
Р. Ниллер и Л. Мусак отмечали, что волны Россби взаимодействуют с пограничными течениями – Восточно-Австралийским и Гольфстримом, чем и объясняются их большие скорости [Niller, Mysak, 1971].
Для объяснения экваториального подповерхностного течения Кромвеля В.Манком и Д. Муром была предложена гипотеза участия волн Россби в формировании течений [Munk, Moore, 1968]. Рассматривался механизм однонаправленного волнового (осреднённого) переноса вод волнами Россби, возникающего в результате нелинейного взаимодействия волн.
Некоторые авторы [Коротаев, Михайлова, Шапиро, 1986] считают, что ветры, дующие над экваториальной восточной половиной Тихого океана, генерируют сильные экваториальные течения, но в западной части океана, где ветры слабые, подобные течения генерируются волнами Россби (механизм ими не объясняется).
Однако эти гипотезы не получили должного развития. На мой взгляд, объяснение этому следующее. Во-первых, они противоречат существующему в океанологии мнению, основанному на представлениях о Стоксовом и Лагранжевом переносах, согласно которым волновой перенос является крайне малой величиной, особенно в глубоководных частях океанов и морей. Поэтому считается, что волны не переносят однонаправленно большие массы воды, следовательно, и не участвуют в формировании крупномасштабных течений. Во-вторых, отсутствовали экспериментальные доказательства этих гипотез.
Сравнительно недавно автором монографии с коллегами экспериментально была обоснована возможность формирования крупномасштабных течений долгопериодными волнами [Бондаренко и др., 2000 – 2004, 2007а, 2008]. Об этом в следующем разделе.
Сведения об авторе.
Альберт Леонидович Бондаренко, океанолог, доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Института водных проблем РАН. Область научных интересов: динамика вод Мирового океана, взаимодействие океана и атмосферы. Достижения: доказательство существенного влияния океанических волн Россби на формирование термодинамики океана и атмосферы, погоды и климата Земли.