5.4. Градиентные течения

Чисто дрейфовые течения могут развиваться только в открытом океане и при однородном поле ветра. Обычно же различные по направлению и скорости ветры создают встречные или расходящиеся потоки воды, натекающие на берега или угоняющие воду от них. Это приводит к наклону уровня океана, в результате чего возникают градиентные течения. Вначале рассмотрим чисто градиентное течение. Для этого допустим, что на некотором участке моря поддерживается по каким-либо причинам подъем уровня, а ветер отсутствует. Будем считать, что движение стационарно. Тогда система уравнений (5.3.1) примет вид:

В этой системе уравнений первые члены характеризуют силу внутреннего трения, а вторые — Кориолисову силу. Третий член второго уравнения определяет силу гидростатического давления. Именно эта сила является активной и приводит в движение воду. Система координат ориентирована так, что ось y направлена вдоль наклона уровня. Поэтому вдоль оси x наклон равен нулю, а следовательно, равна нулю и составляющая силы давления по оси x.

На верхней границе задается условие du/dz = 0; dv/dz = 0 (т. к. ветер отсутствует). На нижней границе, у дна, задано условие прилипания, т. е. в результате трения о дно скорость течения непосредственно на границе равна нулю. Решение системы (5.4.1) громоздко, и выписывать его не будем. Интересующихся отсылаем к монографии Лакомба «Физическая океанография».

На рис. 5.4.1. представлены проекции скорости градиентного течения на горизонтальную плоскость при различных глубинах моря Н. Из рисунка видно, что как только Н превосходит 0,5D (D = π/a) общее движение воды происходит в направлении, перпендикулярном наклону уровня, и в Северном полушарии течение направлено вправо от наблюдателя, смотрящего вдоль наклона (т. е. в направлении максимального понижения уровня моря), и влево в Южном полушарии. Если же H/D мало, то, наоборот, скорость имеет значительную составляющую в направлении наклона. При глубине Н, значительной по сравнению с D, градиентное течение имеет составляющую вдоль наклона лишь около дна. Выше оно перпендикулярно понижению уровня поверхности.

5.5. Прибрежная циркуляция

Рассмотрим очень распространенное движение морской воды, происходящее у берегов и связанное со сгонно-нагонными дрейфовыми течениями, создающими или подъем уровня у берега, или понижение его. Эти явления в той или иной мере наблюдаются практически на любом участке береговой черты и отличаются лишь по интенсивности и времени действия. Они могут быть вызваны сгонными или нагонными ветрами, регулярными бризами или муссонами, постоянными пассатами. Так например, у восточных берегов континентов в тропической области всегда имеет место нагон воды, а у западных — сгон.

Представим себе, что над некоторым достаточно большим по протяженности участком берега дует однородный ветер V. Направление его относительно берега показано на рис. 5.5.1. Этот ветер вызывает дрейфовое течение, полный поток которого Φ перпендикулярен направлению ветра и отклонен вправо (в Северном полушарии). Составляющая потока, перпендикулярная к береговой черте Φ_п (на рис. 5.5.1 она совпадает с полным потоком), создает нагон воды. В результате возникает наклон уровня от берега в море. Бесконечный подъем уровня невозможен, поэтому вода начинает погружаться ко дну и стекать в придонных слоях от берега. При постоянном ветре возникает установившийся режим, когда количество воды, нагоняемое ветром в верхних слоях, равно количеству воды, стекающему в нижних. При этом угол наклона поверхности воды также постоянен. Из-за наклона во всей толще воды возникает и градиентное течение. Тогда структура потока прибрежной циркуляции при глубине моря у берега, большей 2D, окажется следующей. От поверхности до глубины H – D возникает градиентный поток, движущийся вправо от направления понижения уровня. В придонной области суммарный поток направлен в сторону от берега, и величина его нормальной составляющей будет равна перпендикулярной к берегу составляющей нагонного потока в верхнем слое.