Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

На рис. 5 показана схематическая картина те­чений на поверхности океана, полученная в главных чер­тах по судовым наблюдениям с начала нашего столе­тия. Этот рисунок может служить моделью Атлантиче­ского или Тихого океана. Из рисунка видно, что цирку­ляция образует несколько колец. Центры движений обозначены буквами А (антициклонические кольца) и Ц (циклоническое кольцо).

Эти названия связаны с областями высокого атмос­ферного давления— антициклон и низкого — циклон. Воздух в антициклоне под действием градиента давления устремляется из центра области к ее окраинам и, под­чиняясь силе Кориолиса, отклоняется в северном полу­шарии вправо (в южном — влево), образуя циркуляцию по часовой стрелке (в южном полушарии — против ча­совой стрелки). (В циклоне картина движения противо-

положна. В центре области давление понижено, и поэто­му градиент давления направляет воздушные потоки к центру, а сила Кориолиса поворачивает их против часо­вой стрелки (северное полушарие). —

Казалось бы, этими обстоятельствами и объясняется схема движения океана. Однако здесь скрыты противо­речия, остававшиеся загадкой до недавнего времени. Из рисунка видно, что центры океанических колец сме­щены к западным берегам океана. У этих берегов раз­виты мощные течения,’ наиболее сильно влияющие на климат Земли. Это Гольфстрим в Атлантическом оке­ане, Куросио — в Тихом и менее известные течения юж­ного полушария. У противополож­ного восточного берега течения1 име­ют небольшие скорости и размытые очертания. Предполагается, что. да­же масса переносимой ими воды не может компенсировать расход стре­мительного, но узкого Гольфстрима.

Следовательно, западные течения должны иметь дополнительный ис­точник вод.

Второе противоречие состоит в том, что центры океанических ко­лец циркуляции не совпадают с центрами атмосферного давления.

Более того, высокое давление атмос­феры вблизи 30-й параллели состав­ляет почти оплошную антициклони — ческую зону, опоясывающую весь земной шар. О проис­хождений этой зоны мы расскажем в разделе «Как ра­ботает механизм циркуляции».

Пока только отметим, что пояс высокого давления у 30° широты создает такую систему приземных вет­ров, какая показана на рис. 6. Рисунок составлен по среднегодовым данным для Тихого океана. По его вер­тикальной оси отложена географическая широта места, а по горизонтальной — характеристика ветра, но не ско­рости его, а величина касательного напряжения т на по­верхности океана. Направление т показано на рисунке стрелками. К северу от 30-й широты оно восточное,- а к югу — западное. Смена направлений происходит пото­му, что градиент давления направляет воздух от 30-й

2 Заказ № 587

параллели к югу и к северу, а сила Кориолиса откло­няет это движение вправо. .

Итак, картина лриземного ветра не может полностью объяснить характер океанических «колес»’ циркуляции. Поставленные выше вопросы остались пока без объяс­нений. Чтобы дать на них ответ, рассмотрим несколько теорем. Первая теорема, доказанная геометрическим пу­тем английским океанографом Дж. Праудменом, гово­рит о том, что антициклонические системы движения океана и в северном, и в южном полушарии должны

Рис. 6. Трение ветра о воду в зоне антициклоиической цир­куляции. Среднегодовые дан­ные пО Тихому океану, север­ное полушарие (по Г. Стом-. мелу, 1963).

смещаться к экватору. Нетрудно угадать следствия та­кого явления. Сближение систем циркуляции’создаст "избыток вод в зоне экватора, и этот избыток должен компенсироваться усиленным по сравнению•с осталь-. ными течениями системы оттоком воды к полюсу. В се­верном полушарии такой компенсационный отток осу­ществляется Гольфстримом. . . .

Согласно этой теореме, циклонические системы цир­куляции будут вести себя противоположно антицикло — НИЧ. ЄСКИМ, т. е. смещаться к полюсам. В результате между верхним (циклоническим) кольцом на рис. 5 и •примыкающим к нему с юга антициклоническим коль­цом будет создаваться расхождение вод: и возникать их недостаток, который восполнится тем же Гольфстри­мом. …………………….

: Вторая;теорема Праудмена доказывает, что для рав­

новесия «колес» циркуляции их центры должны быть смещены к западным берегам, где и возникнут., наибо­лее сильные течения (снова пример — Гольфстрим);.

■ Перейдем к доказательству теорем. Пусть на рис. 7 ось у означает земной меридиан,-а ось х — параллель (или, при более строгом доказательстве, дугу большого круга). Пусть вокруг центра А проходит трубка тока, симметричная относительно оси х. Рассмотрим четыре малых элемента трубки, расположенных симметрично относительно осей х и у и имеющих одинаковую длину I. Объем воды в каждом эле­менте будет зависеть от площади поперечного сече­ния трубки f и равняться If.

Расход Лводы через любое поперечное сечение трубки тока одинаков и равен про­изведению скорости и на пло­щадь сечения трубки,- Таким образом, u/=const. Но если длина рассматриваемых эле­ментов трубки (/) и плот­ность воды (о) в них одинаковы, то мы получа­ем, что для всех четырех — объемов произведение ско­рости воды на ее массу — также одинаково. Вспомним теперь; что величина силы Кориолиса пропорциональна

скорости и массе движущегося объема воды, а также синусу широты места:

t. Fn=ulf<s-2(о sin ср.- . . (9)

Эта сила направлена по нормали к движению. Отло­жим на р, ис. 7ее векторы для каждого из. четырех эле­ментов трубки и Спроектируем их на ось у. Величина векторов будет тем больше, чем они дальше располо­жены от экватора. Поэтому равнодействующая верхних векторов на нашем рисунке будет превышать равнодей­ствующую нижних векторов, и возникнет результирую­щая сила, направленная к экватору при аятициклониче — ском движении в трубке. Если мы заполним подобными трубками весь объем пространства, охваченный цирку­ляцией, то получим, что вся система течений имеет тен­денцию смещаться к экватору, В циклоническом кольце
течений возникнет противоположное смещение — к по­люсу. Таким образом доказывается первая теорема.

Рассмотрим вторую теорему. Пусть на том же рис. 7 точка С обозначает центр океанического района, охва­ченного циркуляцией. Напряжения ветра вокруг этого центра показаны на рис. 6. Эти напряжения создают моменты силы относительно вертикальной оси, проходя­щей через точку С к центру Земли.

Напомним, что моментом силы относительно оси, перпендикулярной к плоскости, в которой лежит вектор силы, называется произведение величины вектора на кратчайшее расстояние между осью и прямой, по кото­рой Действует сила. Отсюда следует, что если прямая, по которой действует сила, проходит через ось, то мо­мент силы относительно этой оси равен нулю. Вернемся теперь к рис. 7. Предположим, что все трубки тока рас­положены вокруг общего центра С. В этом случае дей­ствующая на трубки сила Кориолиса не будет создавать момента относительно оси С. Моменты силы трения вет­ра окажутся неуравновешенными и создадут ускорение во вращении системы. .

Мы не принимаем во внимание силы трения о дно и берега океана, поскольку их действие распростра­няется на’ незначительные по сравнению с масштабами океана пограничные слои. Итак, если трубки тока име­ют центр в точке С, то поверхностная ветровая цирку­ляция будет, по Праудмену, ускоряться. Если мы сдви­нем центр трубок к восточному берегу океана,’ то уско­рение станет еще большим, так как моменты вращения, вызванные силой трения и Кориолиса, совпадут по знаку. Таким образом, система может находиться в рав­новесии только в том случае, когда общий центр тру­бок тока, помеченный буквой А, расположен у запад­ного берега океана. В этом случае момент силы Корио­лиса создает относительно оси С движение против часо­вой стрелки, а моменты силы трения ветра — по часовой стрелке. Таким образом, способом от противного дока­зывается вторая теорема. Может быть, строгость прове­денных доказательств удовлетворит не всех. Но теоре­мы обладают достоинством простоты и вводят в круг важных океанологических проблем.

Мы объяснили, правда, пока лишь с качественной стороны, динамику колец,… циркуляции и причины воз­

никновения Гольфстрима. Мы оставили Гольфстрим: в том месте, где он, оторвавшись от берегов Северной Америки, устремился вдоль параллели к берегам Заі — падной Европы. Рассмотрим теперь механизм, который заставляет продолжение Гольфстрима отклоняться да­лее к северу и вторгаться в Ледовитый океан. На пер­вый взгляд, мы можем ограничиться тем же ходом рас­суждений, который уже использовали, т. е. исходить из касательного напряжения ветра. Однако ветер этих ши­рот изменчив, область же низкого давления атмосфе­ры— это ограниченный район, очертания и положение

Рис. 8. Вращающаяся модель Г. Стоммела, А. Аронса, А. Фэл — лера (1958).

. ф — гидродинамический источник,. со — угловая скорость вращения мо» дели (соответствует с учетом масш­таба угловой скорости Земли).

которого изменяются по сезонам года. Вместе с тем воды Гольфстрима не изменяют своего пути в Арктику, а их шток только ослабевает летом и усиливается зимой.

Помочь объяснению этой устойчивости Может физи­ческая модель циркуляции, построенная американским океанографом Г. Стоммелом. На рис. 8 показан вра­щающийся сектор, заполненный водой и ограниченный твердыми стенками. Пусть левая стенка сектора имити­рует восточный берег Гренландии и остров Ньюфаунд­ленд, правая — побережье Европы. Опыты с подкрашен­ной жидкостью показали, что если в левый угол сектора ввести источник дополнительной воды, то во вращаю­щемся секторе создастся циркуляция, показанная на ри­сунке стрелками. Рисунок сделан по фотогріафии мо­дели. Сплошными стрелками на нем нанесены те тече­ния, которые не только видны на модели, но и получе­ны по уравнениям, описывающим модель. Пунктиром

Щ

показаны звенья циркуляций, связывающие потоки воды в замкнутую систему движения.

Рисунок 8 хорошо передает главные черты течений между Европой и Гренландией. Вдоль восточного берега Гренландии проходит с севера на юг узкое и быстрое Восточно-Гренландское течение. Воды же Гольфстрима устремляются к северу широким фронтом от Англии до Исландии и очень значительная их часть проходит в Арктику западнее Исландии, прижимая встречное тече­ние из Арктики к берегу Гренландии. Теплые атланти­ческие воды, окружая Исландию, создают вокруг нее положительную аномалию температуры воздуха. Эта аномалия особенно значительна в зимнее время, когда над окружающими материками развиваются холодные антициклоны. Теплый воздух аномалии, поднимаясь вверх и растекаясь, создает исландский минимум дав­ления с циклоническим направлением ветра, усиливаю­щий Гольфстрим. Таким образом, между двумя явле­ниями создается положительная обратная связь, возра­стающая в зимнее время года.

Нам осталось найти, откуда в реальном океане може, т появиться источник, помеченный кружком в левом ниж­нем углу сектора. Очевидно, его образует схождение вод, пришедших с Гольфстримом и вынесенных к ост­рову Ньюфаундленд из Арктики.

До сих пор нам удавалось почти целиком обходиться без уравнений движения. Однако, если мы говорим о динамической системе, то должны, конечно, найти коли­чественные связи между отдельными звеньями этой си­стемы, а для этого мы перейдем к рассмотрению мате­матических моделей течений. …..

Комментарии запрещены.