книги из ГПНТБ / Океанография и морская метеорология учебник

поверхностями, то второе слагаемое можно не учиты­ вать, расчетная формула примет окончательный вид

(5.96)

р

Если давление р выражать в децибарах, то оно ока­ зывается численно равным глубине, выраженной в ме­ трах, на которой определяется давление, что значитель­ но упрощает расчеты.

Удельный объем рассчитывается по измеренным зна­ чениям температуры и солености на океанографических станциях.

При расчетах динамических высот важное значение имеет выбор исходной динамической поверхности р, от которой ведется отсчет динамических высот. Как было показано выше, нулевая динамическая поверхность дол­ жна соответствовать поверхности, на которой градиент­ ные течения отсутствуют или весьма малы. Наиболее надежно она может быть определена по инструменталь­ ным наблюдениям над течениями. Однако в некоторых случаях такие наблюдения на значительной глубине за­ труднительны, тогда выбор нулевой поверхности произ­ водится косвенными методами.

Существует несколько методов определения положе­ ния нулевой поверхности в океане. Одним из наиболее объективных является метод Дефанта, сущность кото­ рого состоит в определении постоянной или незначитель­ ной разности динамических высот между соседними океанографическими станциями. Середина слоя, в ко­ тором эта разность постоянна или незначительна, и при­ нимается за нулевую поверхность.

После вычисления динамических высот на всех океа­ нографических станциях полученные значения наносят на бланковую карту данного района и проводят дина­ мические горизонтали. Эти горизонтали изобарической поверхности представляют линии тока, а при установив­ шемся движении — траектории водных частиц. Расстав­ ляя затем на динамических горизонталях стрелки со­ гласно правилу, что меньшее значение динамических глубин должно оставаться слева (в Северном полуша­ рии), получаем динамическую карту плотностных тече­ ний. С помощью этой же карты можно получить значе­

269

ние скорости течения, если (зная разность динамиче­

строились в прошлом, не всегда давали вполне надеж­ ные результаты и являлись скорее не картами, а лишь схемами течений. Объясняется это несколькими причи­ нами: во-первых, несовершенством теории, так как при выводе расчетных уравнений предполагалось, что дви­ жение установившееся и прямолинейное, хотя в действи­

результаты разновременных гидрологических наблю­ дений.

Поэтому расширения возможностей динамического метода следует добиваться путем совершенствования теории течений, а также изменением методики наблю­ дений, т. е. путем организации синхронных наблюдений на больших пространствах океана.

Основные выводы теории дрейфовых течений. Ветро­ вые и дрейфовые течения вызываются силой трения воз­ духа о поверхность воды. Затем энергия движения пе­ редается посредством трения как между горизонтальны­ ми слоями воды, так и между водными массами, нахо­ дящимися t в одной горизонтальной плоскости, но движущимися с различными скоростями.

Силы трения Т связаны с градиентом скорости dvjdti и определяются как произведение этого градиента на коэффициент трения р, т. е. T=\xdv/dn.

Создание теории течений заключается в конечном счете в установлении функциональной зависимости ме­ жду скоростью течения и силами, вызывающими это движение. Решение этой задачи получено В. Экманом

в1902 г. для простейшего случая установившегося дрей­ фового течения, вызванного ветром постоянной силы и постоянного направления. Создание теории заключалось,

вобщих словах, в решении дифференциальных уравне­

2 7 0

поверхности моря, а ось z — вертикально вниз, то урав­ нения движения запишутся в виде

мени не меняется, а поле ветра равномерное, т. е. в каждой точке моря его направление и скорость одина­ ковы;

г) море безбрежно, сгона и нагона воды не происхо­ дит, поверхность моря горизонтальна.

При сделанных допущениях решение системы (5.97)

— скорость поверхностного течения (р — плотность воды).

271

Основные выводы теории Экмана.

1. Направление дрейфового течения на поверхности моря отклоняется от направления ветра в Северном по­

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:

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

Глубину Д называют глубиной трения. На глубине, равной 0,5Д, вектор течения перпендикулярен вектору

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

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

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

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

§ 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

но сопровождающего судна или самолета. Точность из­ мерения скорости течения (без учета погрешности опре­ деления координат судов) при использовании радиоло­

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

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

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

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