ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 219
Скачиваний: 0
Основные выводы теории Экмана.
1. Направление дрейфового течения на поверхности моря отклоняется от направления ветра в Северном по
лушарии вправо, а в Южном — влево |
на 45°. Это сле |
дует непосредственно из уравнений-(5.98). |
|
2. Скорость поверхностного течения |
«о пропорцио |
нальна силе трения, возникающей при движении воз духа над водной поверхностью.
Вследствие того что рассчитать или измерить силу трения затруднительно, на практике пользуются эмпи рической зависимостью между скоростью ветра и ско ростью вызываемого им течения. На основании наблю дений ряда авторов эта зависимость выражается сле дующим образом:
|
«о = |
0 . 0 1 2 7 Г |
|
(5.99) |
|
У Sin <f |
|
||
|
|
|
|
|
где |
W — скорость ветра, выраженная в тех |
же |
еди |
|
3. |
ницах, что и скорость течения. |
г) |
течени |
|
С увеличением глубины (возрастанием |
по абсолютной величине уменьшается по экспоненциаль ному закону из-за наличия в формулах (5.98) множи теля е~аг, а по направлению все больше и больше пово рачивается вправо. На некоторой глубине вектор тече ния оказывается направленным в сторону, обратную вектору поверхностного течения. Из формул (5.98) сле
дует, что это произойдет |
при |
z — ~ О б о з н а ч и в |
эту |
||
глубину через Д, |
найдем |
|
|
|
|
Д = — |
] / - |
“)* |
(5.100) |
||
^ |
а |
Г ш sin <f |
4 |
' |
Глубину Д называют глубиной трения. На глубине, равной 0,5Д, вектор течения перпендикулярен вектору
течения на поверхности. Расчеты |
показывают, |
что |
на |
|||
глубине, равной Д, скорость течения |
составляет |
1/23 |
||||
часть |
поверхностного течения, а |
на |
глубине, |
равной |
||
2 Д ,— 1/535 |
часть поверхностного |
течения. |
|
на |
||
На |
рис. |
51 показаны в плане |
векторы течений |
разных глубинах, отстоящие один от другого на вели чину, равную 1/10 глубины трения Д. Ветер W направ лен в положительном направлении по оси у. Наиболь ший вектор соответствует поверхностному течению. Го
2 7 2
дограф векторов — кривая, огибающая |
концы векторов, |
||||||||
представляет собой логарифмическую спираль, быстро |
|||||||||
приближающуюся |
к |
началу координат. |
во всей толще |
||||||
4. |
Полный (суммарный) |
поток |
воды |
||||||
моря, охваченной дрейфовым течением, следует в на |
|||||||||
правлении, перпендикулярном к действию ветра. |
|||||||||
Таковы основные выводы теории Экмана примени |
|||||||||
тельно к бесконечно глубокому морю. |
|
|
|||||||
При учете влияния конеч |
|
|
|
||||||
ной глубины моря на течения |
|
|
|
||||||
теория показывает, что на |
|
|
|
||||||
правление |
течения |
в |
поверх |
|
|
|
|||
ностных |
горизонтах |
|
мелкого |
|
|
|
|||
моря |
направлено |
по |
ветру. |
|
|
|
|||
В дальнейшем, с увеличением |
|
|
|
||||||
глубины, угол между векто |
|
|
|
||||||
ром |
поверхностного |
|
течения |
|
|
|
|||
и ветром |
остается |
неизмен |
|
|
|
||||
ным и равным 45°. Когда |
|
|
|
||||||
глубина моря становится рав- - |
|
|
|
||||||
ной |
глубине трения |
или |
боль |
Рис. 51. Г одограф д р ей ф о |
|||||
ше ее (Н>Д), целесообразно |
|
вого течения |
|||||||
применять более простую тео |
|
|
|
||||||
рию |
дрейфового |
течения |
для |
бесконечно |
глубокого |
||||
моря. |
|
|
течения. Приливо-отливными те |
||||||
Приливо-отливные |
|||||||||
чениями |
называются |
периодические |
горизонтальные |
движения водных масс, возникающие под воздействием приливообразующих сил Луны и Солнца. Характерной особенностью приливо-отливных течений является то, что они охватывают движением всю толщу вод Миро вого океана. В открытом океане в поверхностном слое максимальные скорости приливных течений могут дости гать 1 уз, к дну они несколько уменьшаются. Большое влияние на скорость приливо-отливных течений оказы вает конфигурация берегов и рельефа в отдельных за ливах, а также узкости с относительно небольшим по перечным сечением. Так, например, в проливах Камчат ской гряды скорость приливо-отливных течений дости гает 7 уз.
По аналогии с приливными колебаниями уровня раз личают сизигийные и квадратурные приливо-отливные течения. Причем скорость приливо-отливных течений в
10—972 |
273 |
сизигию может быть в 2,5 раза больше, чем в квадра-
туру.
В зависимости от района Мирового океана меняет ся и характер приливо-отливных течений. В проливах приливо-отливные течения имеют реверсивный харак тер, т. е. направление течения меняется от приливного
котливному течению.
Воткрытом районе океана приливо-отливные тече
ния имеют в основном |
вращательный характер: вместе |
с изменением скорости |
течений непрерывно изменяется |
и их направление. Течения в таких местах обходят всю картушку компаса либо в течение полусуток, либо за сутки (в зависимости от характера прилива).
Связь приливо-отливного течения с положением пол ной и малой вод зависит от вида приливной волны. Если приливная волна поступательная, то максимальные скорости течения наблюдаются в полную и малую воды. Если приливная волна стоячая, то максимальные ско
рости течения наблюдаются |
при среднем уровне моря, |
а минимальные — в полную |
и малую воды. |
§ 26. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕЧЕНИЙ
Исследование гидродинамических процессов в Миро вом океане основывается на прямых измерениях ско рости и направления течений. Течения в открытом океа не характеризуются произвольными направлениями, диапазон скоростей лежит в пределах 0—400 см/с. Су ществует много способов измерения скорости течений, основанных на различных физических принципах, по ко торым наблюдения можно разделить на несколько мето дов. Ниже будут рассмотрены основные методы и спо собы измерения скорости и направления течений.
Основными методами измерения направления тече ния, используемыми в тех или иных приборах, явля ются гироскопический и магнитный. Гироскопический метод основан на свойстве гироскопа сохранять пло скость своего вращения постоянной. В гидрологических погружаемых приборах этот метод хотя и применяется, однако не получил широкого распространения. Это объ ясняется малой экономичностью гироскопов, невысокой
2 7 4
надежностью, нестабильностью показаний вследствие прецессии, свойственной гироскопам. Высокая точность измерения направления течения обеспечивается лишь при длительной работе гироскопа.
Магнитный метод основан на измерении угла между направлением магнитного меридиана (положением маг нитной стрелки компаса) и направлением горизонталь ной составляющей вектора скорости течения. Этот спо соб измерения направления течения предпочтительнее из-за большей чувствительности к изменению направ ления течения, меньшего времени наблюдений и воз можности получения минимальных габаритов прибора. Магнитные датчики направления при долговременной работе (не меньше месяца) дают довольно высокую точность. Инерционность датчиков направления, исполь зуемых в гидрологической аппаратуре, лежит в преде лах 0 ,2 — 2 мин и зависит от массы и габаритов измери телей, площади рулей и флюгера, от вида подвески кар тушки компаса и качества выполнения подшипниковой системы.
1. Поплавковый метод основан на измерении положе ния в пространстве и во времени поплавка, движуще гося вместе с водой в зоне течения. К этому методу можно отнести способ определения течения, основанный на наблюдении средней длительности дрейфа судна, льдины, буев нейтральной плавучести и отдельных пред метов (бутылочная почта).
Для исследования поверхностных течений широко используются поверхностные поплавки, имеющие под водный парус, в качестве которого применяют авиа ционные парашюты и крестообразные рамы, обтянутые парусиной. Поверхностные поплавки имеют радиопере датчики с антеннами или вехи, на которых устанавлива ются радиолокационные уголковые отражатели и про блесковые огни. Эти средства позволяют следить за движением поплавков с помощью корабельных или са молетных радиопеленгаторов, радиолокаторов и фото камер. Этот способ позволяет определять среднее зна чение скорости и направления течения за промежутки времени между обсервациями. К недостаткам этого ме тода исследования течений следует отнести необходи мость учета ветрового дрейфа поплавка и сравнительно небольшую точность определения координат относитель
10* |
275 |
но сопровождающего судна или самолета. Точность из мерения скорости течения (без учета погрешности опре деления координат судов) при использовании радиоло
кационного слежения за |
поплавком |
с |
судна, |
стоя |
щего на якоре, составляет |
0 ,1 —0 , 2 |
уз за |
1 ч |
наблю |
дения.
В настоящее время и особенно в перспективе откры ваются большие возможности использования искусст венных спутников Земли (ИСЗ) или орбитальных стан ций типа «Салют» для исследования морских течений в Мировом океане. Какова будет техника этих исследо ваний, покажет ближайшее будущее: либо это будут наблюдения за свободно плавающими поплавками, либо будет использоваться сеть заякоренных буйковых стан ций, а информация с результатами наблюдений будет передаваться с помощью ИСЗ, либо появятся совер шенно новые способы исследования морских течений в глобальных масштабах.
Значительный материал о течениях на больших глу бинах получен в последнее время с помощью поплавков нейтральной плавучести, которые представляют собой герметичные контейнеры с регулируемой плавучестью.
Поплавок имеет гидроакустический передатчик, пе ленгация сигналов которого дает возможность следить за перемещением поплавка. Зависимость результатов наблюдений от точности определения места судна и возможность колебаний поплавка на горизонте урав новешивания под действием различных возмущающих сил (внутренние волны и другие причины) ограничивают применение этого метода исследований течений в океа нографии.
Существует еще метод меченого объема наблюдений над течениями, который заключается в наблюдении за перемещением концентрации растворенных и взвешен ных в воде примесей, а также за ионизированным ра диоактивным излучением.
2. Вертушечиый метод. В основу этого метода поло жена регистрация скорости вращения лопастного винта потоком. В йзмерйтеля'х скорости течения вертуШечного вида в качестве датчиков используются пропеллер ные вертушки, винт Архимеда и гидромеханические ро торы. Первые два типа датчиков обладают малой инер ционностью и малым порогом трогания, нижний диа
2 7 6
пазон измеряемых скоростей 0,5—2 см/с. Основным их недостатком является необходимость ориентирования измерителя по потоку. Гидромеханические роторы не требуют ориентирования по потоку. Нижний порог чув ствительности этих датчиков такой же, как и у пропел лерных вертушек.
Погрешность измерения скорости течения механиче скими вертушками определяется в основном качеством исполнения датчика и в лучших образцах не превышает 0,5%. Диапазон измеряемых скоростей течения с по мощью вертушек лежит в пределах 0,5—300 см/с.
Измерители течений вертушечного вида разделяются на три основных типа. К первому типу относятся авто номные приборы, работающие в море на специальных буях либо опускаемые с борта дрейфующего судна или стоящего на якоре. Приемная и регистрирующая части у этих приборов смонтированы в одном корпусе, на
пример |
самописцы — буквопечатающие |
вертушки |
(БПВ) |
и др. |
|
Ко второму типу относятся телеметрические прибо ры, у которых приемная и регистрирующая части свя заны между собой радиосвязью. Приемная часть этих приборов устанавливается на буе, а регистрирующая — на судне или на берегу, например радиоизмеритель те чений ГМ-33. -
К третьему типу относятся корабельные приборы, которые делятся на вертушки с визуальным отсчетом, например морская вертушка, и на дистанционные при боры. У последних приемная и регистрирующая части соединены между собой проводной связью. Приемная часть погружается в воду на заданный горизонт, а ре гистрирующая находится на корабле. К таким приборам относятся самописцы ГМ-27 и ГМ-45.
Применение того или иного вида измерителей опре деляется в основном задачами экспедиции. Если по ставлена задача исследования развития циркуляции в течение продолжительного времени или изучения измен чивости течений, то следует применять автономные и те леметрические измерители течений. Эти типы вертушек имеют значительные -преимущества по сравнению с дру гими типами. Только с их помощью можно проследить за развитием течений в нескольких пунктах моря на
277
протяжении длительного промежутка времени и, что особенно важно, в условиях любой погоды. Чтобы это сделать, достаточно располагать одним судном, с кото рого производится установка автономных и телеметри ческих приборов. На этом же судне принимаются сиг налы по радио со всех телеметрических приборов. Само судно при этом может совершать любые маневры и на нем можно выполнять другие наблюдения.
Измерения течений автономными и телеметрическими приборами более точны и надежны, чем вертушками других типов, так как при автономной установке при боров исключается влияние судна на их показания. При наблюдениях телеметрическими приборами можно полу чить от них непрерывную или достаточно частую инфор мацию о течениях, что позволяет использовать эти дан ные в оперативных целях. Кроме того, в соответствии с результатами анализа полученной информации можно своевременно вносить коррективы в программу экспе диционных работ.
В случае необходимости получения срочной инфор мации о течении можно использовать корабельные вер тушки; в этом случае отпадает необходимость в поста
новке |
буйковых станций, что требует сравнительно |
много |
времени. |
Подробное описание и правила эксплуатации изме рителей вертушечного типа дано в Руководстве по ги дрологическим работам в океанах и морях, Гидрометеоиздат, 1967 г. Здесь же приведем основные технические данные ряда приборов.
Буквопечатающие автономные регистраторы течений БПВ системы Ю. К. Алексеева предназначены для изме рения скорости и направления течения. Прибор реги стрирует скорость и направление течения цифрами на бумажной ленте. Масштаб записи позволяет снимать с
ленты |
показания скорости |
течения |
с точностью |
до |
1 см/с, |
направление — до 1°. |
Прибор |
устроен таким |
об |
разом, что его показания не требуют введения инстру ментальных поправок, обработки по тарировочным дан ным, введения поправок на магнитное склонение. При бор может быть использован для работы с корабля или подвешен к стоящему на якоре бую и работать авто номно.
Принцип работы самописца течений БПВ сводится
27В