(3.1)
где 
- скорость течения на поверхности океана, м/с; 
- глубина трения, м.
Величина определяется по формуле:
(3.2)
где 
– касательного напряжения ветра, Н/м2; 
– плотность морской воды, кг/м3; 
– коэффициент вертикального турбулентного трения, кг/(м·с); 
– угловая скорость вращения Земли, с-1; 
- широта места, °.
В рамках данной практической работы плотность морской воды принимается равной 1025 кг/м3.
Глубина трения определяется по следующей формуле:
(3.3)
На глубине трения 
течение имеет направление, противоположное поверхностному, а скорость составляет 1/23 скорости на поверхности, т. е. скорость практически затухает. А весь слой от поверхности до глубины трения называется экмановским слоем или слоем трения. 
В слое трения сосредоточена основная часть кинетической энергии дрейфового течения. Толщина слоя трения практически ограничивается несколькими десятками метров.
Уравнения показывают, что течение на поверхности отклоняется от направления ветра (оно принято вдоль оси ординат), на 45° вправо в северном полушарии и влево - в южном. Под поверхностью течение с глубиной уменьшается по абсолютной величине по экспоненциальному закону и продолжает отклоняться вправо в северном полушарии, влево — в южном. Проекция на поверхность океана пространственной кривой, проходящей через концы векторов скорости (огибающая), выразится логарифмической спиралью — спиралью Экмана (рисунок 3.1).
Рисунок 3.1 - Спираль Экмана в Северном полушарии (бесконечно глубокое море).
Дрейфовые течения в море конечной глубины. Изучение дрейфовых течений в случае моря конечной (одинаковой) глубины 
удобно ввести новую переменную 
, представляющую собой высоту над дном рассматриваемой точки. Тогда для 
и 
можно записать выражения в виде:
(3.4)
где
; (3.5)
. (3.6)
Направление поверхностной скорости течения относительно направления средней скорости ветра 
определяется соотношением:
(3.7)
где us и υs— составляющие скорости течения на поверхности.
Применение формул теории Экмана на практике встречает затруднения в связи с отсутствием достаточно обоснованных рекомендаций по выбору величин коэффициента вертикального турбулентного трения 
и касательного напряжения ветра τ. Для расчета касательного напряжения ветра τ [Н/м2] существуют различные эмпирические формулы, наиболее достоверными из которых в настоящее время считаются формулы Андерсона и Манка:
, (3.8)
где - скоростью ветра, м/с; ρΑ=1,29 кг/м3 – плотность воздуха; γ2- безразмерный коэффициент: при <6,6 м/c γ2=0,008; при ≥6,6 м/c γ2=0,026;
Для ориентировочного определения коэффициента турбулентного трения Az [кг/(м·с)] в поверхностном слое моря существует соотношение:
, (3.9)
где β = 0,43 с·кг/м3.
Многочисленные попытки непосредственного сопоставления наблюдений в океане за течениями, находящимися под преобладающим действием ветра, в общем, не дали удовлетворительного сходства с теорией. Только осреднение большого числа наблюдений скоростей течений в районах, где ветер является главной причиной течений, дает годографы скоростей, соответствующие теории. Однако это обстоятельство совсем нельзя понимать как несостоятельность теории.
Значение теории Экмана в том, что в ней рассмотрен механизм чисто дрейфового течения, не осложненного другими факторами. В природных условиях дрейфовые течения никогда не встречаются в чистом виде, а всегда осложнены влиянием берегов, неравномерностью поля ветра, вертикальными движениями, приливными и плотностными течениями, рельефом дна и другими факторами. В этом легко убедиться, просто сравнивая перечисленные условия, для которых развита теория, с реальными природными условиями моря.
Таким образом, на практике результаты теории Экмана можно применять с осторожностью, учитывая ограничения теории. Лучшие результаты можно ожидать для района моря вдали от берегов при установившемся, действующем достаточно длительное время ветре.
Цель работы: на конкретном примере изучить применение теории дрейфовых течений в бесконечно глубоком море и море конечной глубины.
Исходные данные: заданы скорость ветра и широта места в Северном полушарии.
Порядок выполнения работы.
1 Определить глубину трения, касательное напряжение ветра и коэффициент вертикального турбулентного трения.
2 Для случая бесконечно глубокого моря вычислить скорость течения на поверхности и определить составляющие скорости течения на поверхности и горизонтах равных 
. По полученным данным построить годограф.
3 В море конечной глубины 
, которая поочередно принимается равной 
, определить составляющие скорости течения на поверхности и горизонтах равных 
. По полученным данным построить годографы, сравнить с годографом для бесконечно глубокого моря, сделать выводы.
4 Определить направление поверхностной скорости течения относительно направления скорости ветра в бесконечно глубоком море и в море конечной глубины для всех рассмотренных случаев. Проанализировать результаты.
Практическая работа 4
Энергия приливов
Приливно-отливные явления, или приливы, обусловлены взаимодействием между Землей, Луной и Солнцем и проявляются в виде периодических изменений уровня моря, а так же периодические течений. Фазы подъема и спада уровня в данном месте называют соответственно приливом и отливом, а сопровождающие их течения — приливными. Наивысший уровень, наблюдающийся за период явления, — полная вода, наинизший — малая вода. Величиной прилива называют разность уровней соседних полной и малой вод.
Наблюдения показывают, что даже на протяжении сотен и десятков километров характер приливных явлений может существенно измениться. Такая изменчивость приливов связана с изменчивостью рельефа дна и очертаний береговой линии, с размерами и глубинами проливов и другими факторами, влияющими на распространение приливных волн. В открытом океане величина приливов составляет 0,5 – 1,0 м, приливы выше 5,0 – 6,0 м встречаются только в узких заливах или проливах при плавном уменьшении глубины от устья к вершине.
Поведение приливов может быть предсказано достаточно точно, с погрешностью менее 4 %. Таким образом, приливная энергия оказывается весьма надежной формой возобновляемой энергии.
Анализом поведения приливов занимались многие известные математики и физики прошлого, включая Ньютона, Лапласа, Эри и др. Однако современный анализ и предсказание приливов, основанные на математических методах гармонического анализа, базируются на основополагающих работах Кельвина. Полное физическое понимание всех деталей динамики приливов еще не достигнуто в связи со сложной морфологией океанских бассейнов.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 |
Основные порталы (построено редакторами)