Физика земли (стр. 12 )

Глубина Z, м	0	10	100	1000	5000
∆Ср м/с	0,166	0,330	1,815	16,796	86,777

Влияние концентрации солей Таблица 17.4

Раствор	Концентрация	Скорость м/с	∆С м/c
г/кг	моль/л
Дистиллированная вода	-	-	1510,0	0,0	44,052	-0,000
NaCl	26,578	0,4649	1538,2	28,2	41,672	-2,380
MgSO4	3,305	0,0281	1513,4	3,4	43,718	-0,334
MgCl2	2,447	0,0263	1512,9	2,9	43,802	-0,250
CaCl2	1,141	0,0105	1510,9	0,9	43,961	-0,091
KCL	0,725	0,00997	1510,6	0,6	43,999	-0,053
NaHCO3	0,202	0,00246	1510,2	0,2	44,035	-0,017
NaBr	0,083	0,00083	1510,0	0,0	44,048	-0,004

Σ=36,2 м/c Σ – 3,129

Формулы вычисления скорости звука в океане по измеренным Т, S, Р (стр 267)

С = 1449,30 + ΔСр + ΔСт + ΔСs + ΔСт, s,р (м/c)

где ΔСр = 1,5848 × × Р + 1,572 × × - 3,46 × × ;

ΔСт = 4,587 × Т – 5,536 × × + 2,604 × × ;

ΔСs = 1,19 (S – 35) + 9,6 × 3

ΔСтsр = 1,35 × × × Р – 7,19 × × Т × - 1,2 × (S – 35) × Т;

S= 1,80655 × Cl ‰ или S = (0,030 + 1,8050 Cl)‰

P = = = , V = S × H

S – площадь элементарного кубика, м2;

Н – высота паралл – да, м;

g – ускорение с × m, м/;

Т – температура, ;

Р – давление кг/;

S – солёность ‰.

Формула поправки ∆Ср через глубину погружения

∆Ср(Z)=0,1656+1,64802×Z+1,4680× +4,315× - 3,48× – 3,4× × – 1,2× ×

Или с учётом, что 1атм = 1,01×Па ≈ 498 атм.

С погружением на 10 м давление увеличивается на ≈ 1 кг/

Звуки (шумы) в океане улавливают с помощью гидрофонов.

Зная скорость распространения звука в морской воде, её параметры и время распространения звука по вертикали t, можно определить глубину океана или другого водоёма – «Z». Z = C ×.

Течения в океанах

Из школьного курса географии Вы, наверное, помните, что в Мировом океане существуют течения: Гольфстрим, Лабрадорское, Калифорнийское и другие.

Известна Вам также прописная истина, что реки текут с возвышенности и чем круче склон, тем быстрее течение. Здесь работает простой физический закон, который можно выразить двумя словами градиент давления = трению или формулой g x i = R x U, где g – ускорение силы тяжести;

i – уклон русла реки;

R – коэффициент трения, зависящий от глубины реки и шероховатости дна;

U – скорость течения воды в реке.

Здесь всё понятно. А вот почему текут воды в океанах – вопрос?, на который я постараюсь дать ответ. Итак, какие силы двигают воды в океанах?

В гидродинамике существует два понятия течения жидкости:

Ламинарное – медленные, плавные течения жидкости в тонком слое.

Турболентное – быстрые течения жидкости с завихрениями и хаотическими перемещениями отдельных частиц.

Для Морской воды характерно турболентное течение (вода перемешивается из-за температуры, солёности, перепадов давления и из-за ветра).

Температурный фактор – влияние Солнца

Термохаминная циркуляция воды

Термохаминная циркуляция воды – («Термо» – тепло, «халина» – солёность). Совместное действие этих факторов определяет плотность воды.

Нагретые солнечной энергией экваториальные воды течениями переносятся из тропических широт в полярные.

Сток холодной воды в направлении тропиков происходит на глубинах более 1000 метров. При этом ветры вызывают расхождение поверхностных вод и выкачивают «холодную» воду обратно к поверхности.

При этом вода с разными физическими характеристиками (р, s) перемещается в направлении линий постоянной плотности (рис. б).

Ветры. Трение ветра о поверхность воды создает в ней сдвиговые напряжения «6» - сила трения происходящая на ед. площади.

Для определения скорости течения турболентной жидкости под действием «6» есть формула

V0 = ;

где 6 = р1(0,05× - сдвиговое напряжение, н/м2

р1 – плотность воздуха р1 = 1,2 кг/м3;

Vв – скорость ветра, м/с.

Надо заметить, что скорость ветра растет с высотой у самой поверхности (над морем).

Vв – пульсирующая, т. к. ветру приходится огибать волны. Поэтому за Vв условно принимают Vв на Н=15 м над водой (высота мачт небольшого судна). На этом уровне Vв медленно меняется с высотой; так на Н = 20 м Vв = 1×0,37 V;

Reкр – критическое число Рейнольдса служит для количественной оценки перехода ламинарного режима течения в турболентный, обычно Vв < Re < 30.

Если Re < Reкр – ламинарное течение;

Re > Reкр – турболентное течение.

Re = характеризует соотношения между силами инерции и силами трения в потоке жидкости. Здесь:

р0 – плотность морской воды на поверхности моря;

l – масштаб движения – горизонтальные и вертикальные размеры турболентных перемещений, в метрах;

V – кинематическая вязкость жидкости;

ή0 – коэффициент внутреннего трения – динамическая вязкость воды.

ή0 = 1,0× кг/(м×с), (ст. А. Бялко, стр. 180).

Виды турболентности в океане Таблица 17.5

Виды турболентности в океане	Скорость притока и диссипации энергии /	Временные масштабы возмущений	Пространственные масштабы возмущений в м
горизонтальные	вертикальные
Крупномасштабные		От 10 сут. до неск. мес.	-	-
Среднемасштабные		От часов до неск. суток	-	10 -
Мелкомасштабные		От долей сек. До 10 мин.	-	0,1 - 10

Наиболее изучена мелкомасштабная турболентность, так при V = 1 м/с, pi = 1×2 кг/м3, р0 = 10,28 кг/м3, ή0 = 1,0 × кг(м/с), l = 1 м, Reкр = 20

имеем V0 = 0,008 W м/с.

Таким образом скорость течения поверхностных вод океана составляет 1/100 от скорости ветра и находится в прямой зависимости от последней.

При средней скорости ветров Земли 10 м/с скорость океанических течений равна 0,1 м/с.

Ускорение Кориолиса

В глубоководных частях океана на течение воды действует кроме ветрового напряжения сила Кориолиса (Uк).

Этот факт отметил Ф. Нансен в 1893 – 96 гг. во время дрейфа на судне «Фрам»в Северном Ледовитом океане.

При постоянном ветре дрейф постоянно проходил под углом 20 – 40 градусов вправо от направления ветра.

Uк вызвано вращением Земли с ω = 7, 3 × ×с-1 и направлена на 90 градусов к скорости направо в N и налево в S полушарий.

По величине Uk = 2 ωV ×

V – скорость течения, м/c;

Α – широта места, в градусах.

В 1905 г. шведский ученый В. Экман создал теорию ветрового течения в открытом глубоком океане. Согласно которой течение под действием Uк поворачивается на глубине. Если ветер дует в направлении оси Ý, то вектор скорости течения на глубине Z равен:

;

Нижний знак относится к южному полушарию. Параметр k определяет характерную глубину на которой происходит поворот течения и затухания скорости.

k =

В случае мелкой воды поверхностная скорость U0 = 0,01 W, но направлено под углом 45 градусов к направлению ветра, направо в N и налево в S полушариях. При углублении вектор скорости поворачивается Z= 3π/4k он направлен уже против ветра! скорость течения там равна: = 0,095 .

На глубине π/k вода течет в сторону противоположную поверхностному течению со скоростью = 0,043

При = 10 м/с V0 = 0,1 м/с, а глубина на которой поворачивает течение вспять около 100 м. Число Re при этом порядка , в поверхностном слое океана глубиной около 100 м происходит эффективное перемешивание воды и основной перенос водных масс течениями.

Геострофические течения

Таковыми называются течения, которые подчиняются равенству.

Градиент давления = сила Кориолиса или g × i = f × V,

где f – параметр Кариолиса

V – скорость движения частиц воды.

f = 2ω × = 2 × 7,3 × ×

f = 15 × × = × .

α – широта места.

Вода в этих течениях движется не вниз по уклону, а под прямым углом к нему, т. к. сила Кориолиса действует под углом к градиенту давления. Геострофические течения происходят не от области высокого давления к низкому, а параллельно изобарам.

При условии чисто геострофического течения (нет материков) воды в северном полушарии двигались бы вокруг областей высокого давления по часовой стрелке, а вокруг областей низкого давления – против. В южном полушарии наоборот.

Гольфстрим – геострофическое течение, вода в котором течет вокруг возвышенности образуемой Сарагассовым морем. Поверхность которого понижается в сторону от центра. Чем больше уклон поверхности океана, тем быстрее течение.

Апвеллинг и даунвеллинг

Почему же, казалось бы, на ровной поверхности океана отмечаются возвышенности, как в Сарагассовом море?

По закону течение на поверхности океана направлено под углом 45 градусов вправо от направления ветра, вызывающего течение, в N полушарии и влево в S полушарии.

Если, к примеру, ветер дует вдоль побережья, то при северном ветре (море справа) вода будет отгоняться от берега в середину океана. При этом происходит подъем глубинных вод, обогащенных питательными веществами.

Западные ветры и северо-восточные пассаты в N – полушарии раскручивают течение по часовой стрелке и сгоняют воды к центру водоёма (Атлантический океан, Сарагассово море).

То же происходит и в S – полушарии.

Из – за изменения направления экмановского переноса при пересечении экватора вдоль него обычно происходит дивергенция (расхождение) потоков Ю-В пассата, в результате которой на поверхность поднимается охлаждённая вода, богатая питательными веществами.

Ураганы и тайфуны – крайние примеры явлений вызывающих дивергенцию потоков на поверхности, поскольку ветры в ураганах S-полушария вращаются в противоположном направлении по сравнению с северными, картина дивергенции одинакова в обоих полушариях.

Огромные зоны антициклонов приводят к нагону воды в центре океанов. Если ветер дует вдоль побережья с юга (море слева), то экмановский средний поток будет нагонять воду на берег. При этом будет наблюдаться сток воды в нижних слоях от берега.

Волны и приливы

В 1806 г. Бофорт Франсис (1774 – 1857) – военный гидрограф и картограф, контр-адмирал предложил шкалу оценки силы ветра (названную его именем) в Баллах.

Сила ветра(его скорость) оценивается по его действию на земные предметы и волнению моря (таблица 17.6).

Таблица 17.6

Балл	Название ветра	м/с W	Земные предметы	Поверхность моря
0	Штиль	0 – 0,5	Дым подним. вверх	Зеркальное море
2	Лёгкий	1,8 – 3,3	Пламя спички тухнет	Короткие волны
4	Умеренный	5,3 – 7,4	Раскачивает большие ветки	Длинные волны с редкими «барашками»
6	Сильный	9,9 – 12,4	Раскачиваются деревья	Волны большой высоты с «барашками» на гребнях
8	Очень крепкий	15,3 – 18,2	Затрудняются движения, ломаются тонкие ветки, гнутся деревья	Увеличивается высота и длина волн
10	Шторм сильный	21,6 – 25,1	Срываются крыши, вырываются с корнем деревья	Вся поверхность моря белая от пены
12	Ураган	>29	Опустошение местности	Водяная пыль срывается с гребней, уменьшается видимость

1. Высота волны H – расстояние от подошвы до гребня волны.

2. Длина волны. Это расстояние между вершинами волн -α

3. Амплитуда волны A=H/2

4. Период Т – равен времени между моментами прохождения двух последовательных вершин (или подошв) волны через одну и ту же точку. Волны по частоте колебания f = × Т подразделяются на:

1. Целлюлярные f=0,1 цикла/сек (ц/с)

2. Ультрагравитационные (0,1 – 1,0), ц/с

3. Гравитационные 1 сек. – 30 сек.

4. Инфрагравитационные 30 сек до 5 мин.

5. Долгопериодные от 5 мин. до 24 ч.

6. Приливные >24 ч.

Последние 2 типа волн являются следствием притяжения Солнца и Луны, а так же циклонами и землетрясениями.

Энергия волны Е ÷H2 высоты волны.

Фазовая скорость – отношение длины волны к её периоду, т. е.

Между фазовой скоростью С и глубиной водного бассейна h существуют зависимости:

1. Для мелководных бассейнов: α > 20h, Cm = = 3,1, м/с.

2. Для глубоководных бассейнов: α < 4h, Cг = = 1,55×T м/с

Приравним (1) и (3) получим α = 1,55 T2

При h=4000 м – средняя глубина океана и Т = 10 с, α = 155 м. 155м<16,000 м - глубоководные;

при Т = 4m α = 89,200 – мелководные.

Цунами

Цунами – волны большого периода (Т>5m) вызваны подводными землетрясениями.

Характерный период волн цунами 10 м, т. е. волны цунами ведут себя как мелководные волны.

При глубине океана h1 = 4000 м получаем скорость волны цунами

Cм = 3,1 = 196 м/с (около 400 узлов)

1 узел = 1 миля/час = = 0,м/с

При вступлении на мелководье цунами тормозится; при h2 = 100 м, его скорость снижается до 31 м/с, а при h2 = 50 м до 22 м/с.

Но теряя скорость цунами растет в высоту, это вытекает из закона (условия) сохранения энергии.

Е ÷

Отношение высоты волны Н к глубине бассейна h для мелководной волны имеет вид:

= 4

При h1 = 4000 м Н1 = 5,3 м, а при h2 = 20 м Н2 = 20 м.

Уклон морской поверхности 1: 30,000. Корабли не чувствуют цунами в океане.

Цунами

В переводе с японского – это «огромная волна в гавани».

9 – го июля 1958 г. гигантская волна высотой 524 м (кн. Рекордов Гиннеса) прокатилась по узкому заливу Литуя на Аляске со скоростью 160 км/ч.

В открытом море цунами – волны имеют длину от 150 – 450 км и высоту от десятков сантиметров до нескольких метров.

В убийцу эти волны превращаются неподалеку от береговой линии. При подходе к берегу они становятся водяной стеной невероятной высоты и на огромной скорости врывается на сушу. Одним из чётких признаков цунами служит отступление океана от берега, напоминающее отлив, но более сильный. Чем дальше отхлынет вода, тем выше и мощнее будет цунами.

Причиной цунами 26 декабря 2004 г. в Индийском океане стало землетрясение силой 9 едениц по шкале Рихтера. Его эпицентр находился у Андаманских островов на дне Индийского океана. Волна цунами, высотой 12 м накрыла 12 стран южной и юго-восточной Азии и Африки.

По мнению экспертов лаборатории реактивного движения НАСА, в результате катастрофы увеличилась скорость вращения Земли на 3 микросек., а также изменился наклон оси планеты на 2,5 см.

У берегов Индонезии сдвинулись тектонические плиты такого размера, что это привело к изменению скорости вращения Земли – сместилась земная ось. Остров Пит в Исландии встречает новый день на 13 ч. 45 мин. раньше Гринвича (а как же Берингов пролив). Определить их координаты