Меню

Движение воздуха по реке

Струйные течения в атмосфере

Что мы знаем о голубой атмосфере Земли? Давайте совершим небольшое путешествие в ее глубины.

Когда говорят об атмосфере в целом, ее делят на четыре большие области, на четыре «этажа». Первый — самая нижняя часть атмосферы — тропосфера. Верхняя граница этой области в разных местах различна. У экватора она простирается до высоты 15—18 км, а у полюсов — только до 7—9. Здесь находится четыре пятых всей массы воздуха, и именно здесь формируется погода.

Второй этаж атмосферы носит название стратосферы. Интересно, что она лежит не сразу за тропосферой, а отделена от нее промежуточным слоем воздуха (1—3 км толщиной) — тропопаузой, или субстратосферой. Это, как бы, небольшой переход между этажами. Положение этого перехода не остается постоянным. Он, то понижается, то повышается.

С тропопаузой связаны особые струйные течения в атмосфере. С этим загадочным явлением столкнулись, например, во время американской интервенции в Корее. Бойцы Народной армии наблюдали с земли очень странную картину. Некоторые американские бомбардировщики, летевшие на большой высоте, вдруг останавливались в воздухе, и иногда даже начинали медленно пятиться назад! Напуганные необычным явлением, американские летчики думали, что Народная армия Северной Кореи применяет против них какое-то новое, секретное оружие. Оказалось, что самолеты попадали в «воздушные реки»- своеобразные воздушные потоки, текущие с очень большой скоростью.

Изучение этих необычных потоков показало, что они образуются, как правило, у тропопаузы. Воздушные потоки действительно во многом напоминают большие реки. Ширина их составляет 100 и более километров, а глубина — несколько километров. Необыкновенно высока скорость течения «воздушных рек». Она достигает, порой -350-400 км в час. Чтобы представить себе эту скорость, достаточно вспомнить, что при сильнейших тропических ураганах скорость ветра редко превышает 200—250 км в час. Такой ветер вырывает с корнем могучие деревья, разрушает очень прочные постройки, гонит воду рек вспять. А течение «воздушных рек» еще быстрее!

Не удивительно, что самолеты, попадая в эту «реку», не могут лететь против течения. Страшной силы ветер гасит почти всю их скорость. «Воздушные реки» возникают в различных районах и быстро перемешаются. Они довольно извилисты и тянутся на сотни и тысячи километров. Известны и стратосферные струйные течения, возникающие на высоте 25—30 км.

Замечено, что в наших умеренных широтах «воздушных рек» значительно больше, чем над тропиками и у полюсов. Когда самолет летит по течению такой «воздушной реки», он резко увеличивает скорость. Известен случай, когда рейсовый самолет, летевший из США в Англию, неожиданно прибыл к месту назначения на 3 часа раньше расписания. Выяснилось, что он попал в «воздушную реку» и ее стремительные «волны» прибавили ему дополнительно несколько сотен километров скорости.

Стратосферный этаж поднимается до 80—90 км над земной поверхностью. Здесь стоит неизменно ясная погода, но часто дуют сильнейшие ветры. Исследования последних лет показали, что в стратосфере существует своя зима и свое высотное лето. Здесь обнаружены полярные области, умеренные широты и зона экватора.

Источник

Движение воздуха по реке

В умеренных широтах, как правило, основным изменениям погоды предшествует ряд понижений давления с вклинивающимися между ними областями высокого давления. Понижение давления имеет для яхтсменов большое значение: при резком падении давления ветер обычно усиливается до штормового и даже при небольшом перепаде давлений меняет свое направление.

Области высокого давления, или антициклоны, — это области, где холодный плотный воздух опускается и становится теплее. Обычно они гораздо стабильнее, чем области низкого давления (см. с. 265), и летом несут с собой долгие периоды теплой сухой погоды. В таких областях образуются небольшие облака, обычно достаточно высоко, но облака могут быть и низкими, особенно над морем. Ветры, дующие в областях высокого давления, довольно слабы. На ход метеоэлементов высокого давления может влиять рельеф берега, если ветер дует на холмистый берег, или морские бризы, сила и направление которых меняются в течение суток (см. с. 273).

Снимок системы облаков, сделанный со спутника 14 августа 1979 г. В этот день жестокий шторм обрушился на яхты, участвовавшие в Фастнетской гонке. Длинная полоса облака соответствует холодному фронту, идущему от центра циклона

Низкое давление (циклоны)

На предыдущем рисунке было показано, как вначале возникает область низкого давления, а затем из небольшого клина в полярном фронте развивается настоящий циклон. Ясно, что погода, которую видит и ощущает наблюдатель, зависит от его положения относительно центра низкого давления. Чем ближе к центру, тем более суровой, вероятнее всего, будет погода.

Рассмотрим типичный циклон, проходящий несколько к северу от наблюдателя. Первые признаки — падение давления (которое зафиксирует барометр яхты) и появление тонкого высокого перистого облака. Чем больше скорость перистого облака и его плотность, тем ниже давление и тем более вероятно, что подует штормовой ветер. Подобные тонкие высокие облака предупреждают яхтсмена о надвигающемся шторме за 12-24 ч в зависимости от того, насколько быстро перемещается циклон.

Перистое облако постепенно становится толще и превращается в перисто-слоистое, которое закрывает небо на большой высоте. У Солнца или Луны появляется гало (светлые круги), давление падает и направление ветра меняется против часовой стрелки: так, западный ветер переменится на юго-западный или юго-юго-западный. При сильном падении давления перисто-слоистые облака становятся толще и быстро переходят в высокослоистые, но при умеренном изменении давления облака выглядят скорее, как на фотографии 3 (см.с.263).

Постепенно облако становится толще и образуются слоисто-дождевые облака.

Система низкого давления в Северном (см. справа) и Южном (см. крайний справа) полушариях. Голубые линии (изобары) соединяют точки равного давления и указывают направление ветра

Видимость ухудшается, основание облака опускается ниже и начинается сильный дождь. Давление продолжает падать, и ветер может отойти дальше к югу или даже перейти в юго-восточную четверть. По мере прохождения теплого фронта дождь превращается в изморось или прекращается совсем. Давление обычно стабилизируется, и ветер опять меняет свое направление ближе к западу. Яхтсмен, находящийся достаточно далеко от центра циклона, может увидеть, как облако распадается.

Карта погоды, показывающая циклон над Шотландией в полдень 14 августа 1979 г. Близкие изобары над Ирландским морем указывают на сильные ветры, которые временами достигали 30м/с

Холодные фронты

С приближением холодного фронта (который следует за теплыми воздушными массами) давление может начать снова падать (так как область пониженного давления -„впадина» — часто предшествует фронту) и ветер опять повернет немного к югу. Однако видимых признаков приближающегося холодного фронта будет очень мало, так как яхта все еще будет находиться в секторе теплого воздуха.

Когда холодный фронт действительно придет, он может распространяться очень быстро.

Дополнительная энергия холодного фронта изменяет направление ветра, так как холодный воздух устремляется вниз под теплый, заставляя его быстро подниматься. Это вызывает сильные ливни и сопровождается порывами ветра и шквалами. Конвекция теплого воздуха служит причиной формирования больших кучевых облаков — ливневых облаков (см. рисунок 4 на с. 262). Характерная особенность облаков холодного фронта заключается в том, что они идут в направлении, обратном по отношению к облакам теплого фронта, но распознать их достаточно сложно, так как сам фронт обычно проходит в два раза быстрее.

По мере прохождения холодного фронта направление ветра обычно меняется по часовой стрелке, часто в сторону северо-запада, и давление начинает подниматься. Облака рассеиваются, видимость быстро улучшается. Прохождение холодного фронта ближе к ночи дает картину, аналогичную показанной на рисунке 5 (см. с. 263), что подтверждает старую пословицу „Если солнце красно к вечеру — моряку бояться нечего». Высокое облако, исчезающее с наступлением ночи, почти всегда предвещает прекрасную погоду, в то время как высокие облака, появляющиеся на заре с востока, из-за чего небо становится „красно поутру», являются обычно предшественниками теплого фронта и связанного с ним понижения давления — „Если красно поутру — моряку не по нутру».

В зависимости от местонахождения яхты относительно области низкого давления возможны различные варианты изменения погоды и силы ветра. Если циклон очень активен, ветер смещается и перепад давления увеличивается. Скорость распространения области низкого давления может достигать 30 м/с. Облака будут опережать теплый фронт на 960 км, а выпадение дождей -на 160 км.

Мощный циклон может вызвать в море шторм с сильными ветрами и большими волнами. Признаки, предвещающие такую ситуацию, — это быстрое падение давления (по барометру) и приближение тонкого высокого облака. Кроме того, штормовые предупреждения передают по радио, и большинство яхт, находящихся в прибрежных водах, могут укрыться в гавани до начала шторма. Более подробно о различных видах шторма рассказано на с. 274, а о прогнозировании погоды — на с. 277. Если прогноз капитана окажется неправильным и яхту захватит шторм, вы будете вынуждены штормовать в открытом море.

Схема (см. вверху) преобладающих направлений ветров и основных океанских течений

Слева приведена более детальная схема направлений ветров и течений в Северной Атлантике

Стрелки указывают направления ветров — голубые для января, оранжевые для июля. Преобладающие направления ветров обозначены более толстыми стрелками. Темно-красные стрелки — направления основных течений

Ветры — это движение потоков воздуха под действием разности температур и давлений. Холодные тяжелые воздушные массы опускаются к поверхности земли, образуют области высокого давления, а поднимающиеся теплые легкие воздушные массы -области низкого давления. Воздушные потоки, перемещающиеся из области высокого давления в область низкого, называют ветром.

В низких широтах (между экватором и 30° с. ш. и ю. ш.) Земля получает значительно больше солнечного тепла, чем в высоких широтах (60-90° с. ш. и ю. ш.). Перепады температур усложняют движение воздушных масс, появляются области высокого и низкого давлений, которые вызывают характерные ветры по всему земному шару. Приблизительно на широтах 30° к северу и югу от экватора и над полюсами постоянно образуются огромные антициклоны, а на 60° с. ш. и ю. ш. и на экваторе — области низкого давления. Поэтому от 30° с. ш. и ю. ш. воздушные массы перемещаются к экватору, создавая пассаты. Ветры, дующие в направлении областей низкого давления, т. е. 60° с. ш. и ю. ш., называют умеренными западными. Воздушные массы, движущиеся из областей высокого давления над полюсами, — холодные и известны как полярные восточные.

Читайте также:  Участки за рекой были не застроенные

Вращение Земли также влияет на направления ветров. Ветры меридиональных направлений в Северном полушарии отклоняются вправо, в Южном — влево, т. е. северные ветры дуют от северо-западной четверти, а южные — от юго-восточной четверти. В местах встречи ветров образуются подвижные границы раздела, называемые фронтами (см. с. 268).

При встрече северо-восточного и юго-восточного пассатов возникает так называемый межтропический фронт. Поскольку плавание на яхтах наиболее широко распространено в умеренных широтах, яхтсмены должны овладеть знаниями метеорологии этих широт.

Тропическая метеорология (относящаяся к межтропическому фронту) имеет свою специфику. Метеорология умеренных широт здесь не применима. Хотя формирование циклонов в районе экватора происходит аналогично, направление ветров не всегда соответствует правилам вращения, рассмотренным ранее. Решающее значение принадлежит местным ветрам — причинам частых гроз.

На рисунках показаны преобладающие направления ветров над океанами в январе и июле. В Атлантическом и Тихом океанах хорошо известны определенные районы, где зарождаются антициклоны, ярко выраженные в северных водах и менее определенные — в южных. В Атлантике эти ветры вызывают такие течения, как Гольфстрим, Канарское и Северное Пассатное. Подобную картину можно наблюдать и в северной части Тихого океана, где аналогичные ветры создают течения Куросио и Северо-Тихоокеанское. Эти течения под влиянием обтекаемых ими участков суши и вращения Земли изменяют свое направление по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой в Южном.

На рисунках приведена схема основных направлений ветров. Однако ее необходимо уточнять в зависимости от местных систем давлений, рельефа побережья и бризов, меняющих свое направление в течение суток.

Погодные системы

Выше упоминалось, что циклоны влияют на погоду. Теперь попробуем выяснить, как области высокого и низкого давлений изменяют преобладающие направления ветров. Нанесенные на карту линии равного давления (изобары) образуют концентрические фигуры вокруг центров областей высокого и низкого давлений. Воздушные массы стремятся перемещаться прямо от областей высокого к областям низкого давления. Однако из-за вращения Земли воздушные потоки движутся по касательной к изобарам. В Северном полушарии ветры отклоняются против часовой стрелки относительно области низкого давления и по часовой стрелке относительно области высокого давления. В Южном полушарии движение происходит в обратном порядке.

Существует простое правило определения положения областей высокого и низкого давлений. Если встать спиной к ветру в Северном полушарии, область низкого давления будет слева, а область высокого справа, и наоборот — в Южном полушарии.

Однако это правило справедливо на высоте 7 км над поверхностью земли для ветра, который называют градиентным. Вблизи поверхности направление и скорость ветра, интересующего яхтсмена, искажаются. Здесь направление ветра отклоняется внутрь — к центру циклона, а при антициклоне — наружу — от его центра. Угол отклонения зависит от рельефа поверхности. Над морем он равен приблизительно 15°, а над землей — 30°. Кроме того, возможны порывы ветра со скоростью и- направлением, которые характерны для высоты 7 км.

Местные ветры

Яхтсмен должен знать не только преобладающие направления ветров, но и, что особенно важно для тех, кто ходит на швертботах, — направления местных ветров. Местные ветры также возникают в результате разницы температур. Воздушные массы нагреваются непосредственно от поверхности, над которой они движутся, а не от солнца, как нередко считают яхтсмены. В зависимости от скорости и времени нагрева различных поверхностей температуры воздушных масс над ними также будут различными, а это, в свою очередь, определяет направление ветра.

Самые распространенные местные ветры — это морские бризы. Утреннее солнце нагревает землю, а земля отдает тепло воздуху. Над морем воздушные массы холоднее, так как вода, поглощая солнечные лучи, нагревается не так быстро, как суша. Когда теплые воздушные массы поднимаются над сушей, на их место устремляются потоки более холодного воздуха с моря. Этот ветер называют морским бризом. В жаркий летний день морской бриз может дуть на много миль вглубь территории (до середины дня). Ранним утром можно стать свидетелем штиля, а позже начинает дуть бриз — ветер в сторону берега.

Ночью происходит обратное. С какой скоростью суша нагревается в течение дня, с такой же она отдает тепло ночью. Обычно температура поверхности Земли опускается ниже, чем температура моря, и это приводит к легкому ночному (береговому) бризу — ветру с суши, вызванному тем, что воздушные массы над сушей, охлаждаясь, опускаются и перемещаются в сторону моря. Если на побережье есть холмы или горы, холодный воздух устремляется вниз под действием гравитации, вызывая сильный ветер, дующий вниз по склону, который называют нисходящим. Иногда скорость этого ветра такова, что его энергии хватает на несколько миль от берега. Чаще всего нисходящий ветер задувает ночью одновременно с легким береговым бризом.

На внутренних водных путях — озерах или реках — действуют те же принципы возникновения и движения ветров. Воздух над сушей нагревается, поднимается вверх, давая возможность более холодному воздуху над водой двигаться от реки. При плавании на швертботе можно добиться неплохих результатов, учитывая направления этих легких ветров.

Начинающий яхтсмен сразу заметит, что препятствия на берегу влияют на скорость ветра. Очевидно, ошвартованное большое судно создает мертвую зону с подветренной стороны. Причалы, эллинги для хранения лодок и склады также ограничивают движение воздуха. Деревья вдоль линии берега могут уменьшить скорость ветра почти наполовину. Следовательно, надо идти или близко к деревьям, где ветер дует сквозь них, или как можно дальше от деревьев, чтобы они не влияли на скорость ветра.

Необходимо всегда помнить, что скорость ветра на суше и на море различна. Она существенно уменьшается при контакте с поверхностью земли, и в яхт-клубе или на якорной стоянке сильный ветер часто может показаться легким бризом. Однако при помощи шкалы Бофорта можно правильно определить скорость ветра даже на суше. И, конечно, приблизительно оценить реальную силу ветра в море поможет накопленный опыт.

На схемах (см. справа) показаны направления ветров вокруг центров циклонов и антициклонов в Северном полушарии. Голубые стрелки — направление градиентного ветра (почти параллельного изобарам), черные стрелки — направление ветра над поверхностью земли

На карте (см. слева) показаны изобары над южной и центральной Англией. Стрелки показывают

направление ветра над поверхностью земли. Угол отклонения направления ветра больше над сушей, чем над морем. Давление дано в миллибарах. Если мысленно встать спиной к ветру, центр области низкого давления будет расположен слева, а центр области высокого — справа

Массы теплого воздуха поднимаются над землей и на их место устремляется более холодный воздух с моря. Этот ветер в сторону берега известен как дневной (морской) бриз

Холодный воздух с гор опускается вдоль склона и вытесняет теплый воздух, поднимающийся над морем. Его называют ночным (береговым) бризом (в некоторых районах — бора)

На реке или озере поднимающийся над берегом теплый воздух вытесняется холодным воздухом с поверхности воды. Эти местные ветры могут использовать те, кто плавает на швертботах

Источник

Течения Мирового океана: зачем они нужны и как работают

Воды Мирового океана не стоят на месте, они находятся в постоянном движении. Их перемещение подчинено закономерностям, образующим океанические течения. В этой статье мы расскажем, почему они возникают, чем различаются и что случилось бы, если бы их не было.

Содержание

  • Причины возникновения океанических течений
  • Классификация течений в Мировом океане
  • Основные течения Мирового океана
  • Роль течений в Мировом океане
  • Схема течений Мирового океана
  • Итоги

Как реки текут по своему руслу, так и течения в океане движутся по своим маршрутам. Многие из них простираются на десятки километров в ширину и сотни метров в глубину.

Причины возникновения океанических течений

Причины образования океанических течений обусловлены сторонними влияниями на океанические воды, а также свойствами самой воды. К ним относятся:

  • Ветер. Перемещение воздушных масс приводит в движение массы воды на поверхности океана. Направления океанических течений в целом повторяют направления господствующих ветров.
  • Атмосферные явления. Изменения атмосферного давления, осадки и испарение воды меняют уровень мирового океана. Эти изменения также вызывают океанические течения.
  • Различия температуры и солёности воды. Содержание соли и температура воды влияют на её плотность. Воды с большей плотностью стремятся занять место менее плотных вод — так образуются подводные течения.
  • Космические влияния. Силы притяжения Луны и Солнца вызывают приливы и отливы, которые, в свою очередь, являются одной из причин океанических течений.

Кроме того, на формирование течений влияет рельеф морского дна и очертания континентов.

Каждое течение в океане — результат воздействия многих сил, но практически всегда можно выделить главную, в зависимости от которой определяют виды океанических течений.

Учите географию вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду GEO72020 вы получите бесплатный доступ к курсу географии 7 класса, в котором изучается тема океанических течений.

Классификация течений в Мировом океане

Океанические течения отличаются по происхождению, периодичности, глубине и температуре.

По происхождению океанические течения бывают:

  • Ветровые. Ветер приводит поверхностные воды в движение, которое по инерции передаётся глубинным водам. Самое мощное из ветровых течений — Течение Западных Ветров, опоясывающее Антарктиду.
  • Плотностные. Разница в плотности воды на разных участках Мирового океана вызывает течение. Именно она является причиной образования одного из сильнейших тёплых океанических течений — Гольфстрима.
  • Стоковые. Возникают под влиянием притока морских или речных вод в океан. Пример — Обь-Енисейское течение в Северном Ледовитом океане.

По периодичности течения в Мировом океане делятся на:

  • постоянные — движутся под воздействием постоянных ветров;
  • периодические — возникают только во время прилива или отлива;
  • сезонные — меняют свои направления под действием муссонов — ветров, меняющих направление в зависимости от сезона.

Ветер приводит в движение верхние пласты воды, но разница атмосферного давления может вызвать течения в глубинах океана. В зависимости от того, как глубоко проходит течение, его относят к одной из трёх групп — поверхностных, глубинных или придонных.

Читайте также:  Лед стал хрупким идти по реке опасно тире или двоеточие

По температуре воды различают нейтральные, тёплые и холодные течения океанов.

Поэтому Нордкапское течение у берегов Скандинавии с температурой 3-9 °С является тёплым, а Калифорнийское течение, в котором вода достигает 22 °С — холодным.

Основные течения Мирового океана

Тихий океан

Мощнейшие течения Тихого океана сформированы пассатами — постоянными ветрами, дующими от тропиков к экватору. Северное и Южное пассатные течения гонят массы воды в сторону Евразии и Австралии.

Достигая восточных берегов континентов, воды расходятся вдоль побережья. Часть воды возвращается на восток, образуя Межпассатное противотечение. Основная масса воды Северного пассатного течения устремляется к северу, образуя тёплое течение Куросио, а воды Южного движутся на юг, становясь Восточно-Австралийским течением.

В умеренных широтах течения подхватывают западные ветры и направляют их на восток. В Северном полушарии возникает тёплое Северо-Тихоокеанское течение, а в Южном — Течение Западных Ветров.

Достигнув восточных краёв океана, воды возвращаются к экватору, двигаясь вдоль побережья Северной Америки ( Калифорнийское течение) и Южной Америки ( Перуанское течение).

У экватора течения вновь подхватываются пассатом, завершая круговорот.

Атлантический океан

Поскольку Атлантический океан вытянут по вертикали, его основные течения также направлены с севера на юг и обратно.

Как и в случае с Тихим океаном, течения Атлантики образуют кольца в Северном и Южном полушариях.

В Северном полушарии Северное пассатное течение гонит воду к берегам Центральной Америки, где зарождается тёплое течение Гольфстрим, движущееся в сторону Европы к Северному полюсу, откуда воды возвращаются к экватору холодным Канарским течением. Так в северной части Атлантики происходит циркуляция течений по часовой стрелке.

В Южном полушарии потоки океанических вод направлены против часовой стрелки: Южное пассатное течение, достигая берегов Южной Америки, движется на юг вдоль континента, становясь тёплым Бразильским течением. У берегов Антарктиды оно разворачивается на восток, вливаясь в течение Западных Ветров. Затем вода возвращается к экватору вдоль западного берега Африки, гонимая холодным Бенгельским течением.

Индийский океан

Особенность Индийского океана — изменчивые течения в его северной части. Они подчинены муссонам — ветрам, которые меняют направление в зависимости от сезона.

Зимой северо-восточный муссон несёт воды из Бенгальского залива к Африке, где течение поворачивает на юг, и достигнув области экватора, возвращается на восток, создавая Экваториальное противотечение. Затем, достигнув Суматры, течение разделяется на два потока: первый движется на север, замыкая круговорот, а второй устремляется в Тихий океан.

Летом течения направляются в обратную сторону, с запада на восток, при этом противотечения не возникает. Юго-западный муссон гонит воду на север, образуя холодное Сомалийское течение, которое впоследствии объединяется с Южным пассатным.

Южный круговорот не зависит от сезона и действует без изменений. Южный пассат направляет воду к Мадагаскару, где образует два потока, огибающие остров. При этом часть воды возвращается на восток через противотечение.

Затем южный поток направляется в Атлантический океан и вливается в Течение Западных ветров. У западного побережья Австралии от него отделяется течение, возвращающее воду в район экватора, где её вновь подхватывает Южный пассат.

Северный Ледовитый океан

Поскольку большая часть Северного Ледовитого океана находится подо льдом, о его течениях известно немного.

Основным проводником тепла является Норвежское течение — продолжение Гольфстрима. В районе 67 параллели оно разделяется на Нордкапское и Шпицбергенское течения.

Нейтральное Трансарктическое течение формируется благодаря стоковым водам с Аляски и севера Азии. Оно движется от Чукотского моря к полюсу по направлению к Гренландии. Примечательно, что его температура такая же, как у окружающей воды.

Холодное Восточно-Гренландское течение берёт начало от моря Лаптевых и движется вдоль восточного берега Гренландии, после чего через Датский пролив устремляется в Атлантический океан.

Роль течений в Мировом океане

Океанические течения формируют климат на планете, распределяя тепло и холод, влагу и засуху. Если бы в океанах не было течений, на Земле не существовало бы умеренных климатических зон, северные районы Европы оказались покрыты вечными снегами, а саванны Африки и тропические леса Южной Америки превратились в выжженные солнцем пустыни.

Другая важная роль, которую играют океанические течения, — обеспечение биологической жизни в водных системах. Глубинные течения поднимают питательные вещества со дна океана к поверхности, снабжая пищей многие виды морских существ. Кроме того, течения переносят на большие расстояния животных, икру, личинки и споры, способствуя размножению.

Схема течений Мирового океана

На данной схеме видны крупнейшие мировые океанические течения. Холодные обозначены синим цветом, тёплые — красным.

Источник



Механизм течения рек

Движение ламинарное и турбулентное

В природе существуют два режима движения жидкости, в том числе и воды: ламинарное и турбулентное. Ламинарное движение — параллельноструйное. При постоянном расходе воды скорости в каждой точке потока не изменяются во времени ни по величине, ни по направлению. В открытых потоках скорость от дна, где она равна нулю, плавно возрастает до наибольшей величины на поверхности. Движение зависит от вязкости жидкости, и сопротивление движению пропорционально скорости в первой степени. Перемешивание в потоке носит характер молекулярной диффузии. Ламинарный режим характерен для подземных потоков, протекающих в мелкозернистых грунтах.

В речных потоках движение турбулентное. Характерной особенностью турбулентного режима является пульсация скорости, т. е. изменение ее во времени в каждой точке по величине и направлению. Эти колебания скорости в каждой точке совершаются около устойчивых средних значений, которыми обычно и оперируют гидрологи. Наибольшие скорости наблюдаются на поверхности потока. В направлении ко дну они уменьшаются относительно медленно и в непосредственной близости от дна имеют еще достаточно большие значения. Таким образом, в речном потоке скорость у дна практически не равна нулю. В теоретических исследованиях турбулентного потока отмечается наличие у дна очень тонкого пограничного слоя, в котором скорость резко уменьшается до нуля.

Турбулентное движение практически не зависит от вязкости жидкости. Сопротивление движению в турбулентных потоках пропорционально квадрату скорости.

Экспериментально установлено, что переход от ламинарного режима к турбулентному и обратно происходит при определенных соотношениях между скоростью vср и глубиной Hср потока. Это соотношение выражается безразмерным числом Рейнольдса

Для открытых каналов критические числа Рейнольдса, при которых меняется режим движения, изменяются примерно в пределах 300-1200. Если принять Re = 360 и коэффициент кинематической вязкости = 0,011, то при глубине 10 см критическая скорость (скорость, при которой ламинарное движение переходит в турбулентное) равна 0,40 см/с; при глубине 100 см она снижается до 0,04 см/с. Малыми значениями критической скорости объясняется турбулентный характер движения воды в речных потоках.

По современным представлениям (А. В. Караушев и др.), внутри турбулентного потока в различных направлениях и с различными относительными скоростями перемещаются элементарные объемы воды (структурные элементы), обладающие различными размерами. Таким образом, наряду с общим движением потока можно заметить движение отдельных масс воды, в течение короткого времени ведущих как бы самостоятельное существование. Этим, очевидно, объясняется появление на поверхности турбулентного потока маленьких воронок — водоворотов, быстро появляющихся и так же быстро исчезающих, как бы растворяющихся в общей массе воды. Этим же объясняется не только пульсация скоростей в потоке, но и пульсации мутности, температуры, концентрации растворенных солей.

Турбулентный характер движения воды в реках обусловливает перемешивание водной массы. Интенсивность перемешивания усиливается с увеличением скорости течения. Явление перемешивания имеет большое гидрологическое значение. Оно способствует выравниванию по живому сечению потока температуры, концентрации взвешенных и растворенных частиц.


Рис. 65. Примеры кривой водной поверхности потока. а — крикая подпора, б — кривая спада (по А. В. Караушеву).

Движение воды в реках

Вода в реках движется под действием силы тяжести F’. Эту силу можно разложить на две составляющие: параллельную дну Fx и нормальную ко дну F’y (см. рис. 68). Сила F’ уравновешивается силой реакции со стороны дна. Сила F’х, зависящая от уклона, вызывает движение воды в потоке. Эта сила, действуя постоянно, должна бы вызвать ускорение движения. Этого не происходит, так как она уравновешивается силой сопротивления, возникающей в потоке в результате внутреннего трения между частицами воды и трения движущейся массы воды о дно и берега. Изменение уклона, шероховатости дна, сужения и расширения русла вызывают изменение соотношения движущей силы и силы сопротивления, что приводит к изменению скоростей течения по длине реки и в живом сечении.

Выделяются следующие виды движения воды в потоках: 1) равномерное, 2) неравномерное, 3) неустановившееся. При равномерном движении скорости течения, живое сечение, расход воды постоянны по длине потока и не меняются во времени. Такого рода движение можно наблюдать в каналах с призматическим сечением.

При неравномерном движении уклон, скорости, живое сечение не изменяются в данном сечении во времени, но изменяются по длине потока. Этот вид движения наблюдается в реках в период межени при устойчивых расходах воды в них, а также в условиях подпора, образованного плотиной.

Неустановившееся движение — это такое, при котором все гидравлические элементы потока (уклоны, скорости, площадь живого сечения) на рассматриваемом участке изменяются и во времени и по длине. Неустановившееся движение характерно для рек во время прохождения паводков и половодий.

При равномерном движении уклон поверхности потока I равен уклону дна i и водная поверхность параллельна выровненной поверхности дна. Неравномерное движение может быть замедленным и ускоренным. При замедляющемся течении вниз по реке кривая свободной водной поверхности принимает форму кривой подпора. Поверхностный уклон становится меньше уклона дна (I i) (рис. 65).


Рис. 68. Схема к выводу уравнения Шези (по А. В. Караушеву).

Скорости течения воды и распределение их по живому сечению

Скорости течения в реках неодинаковы в различных точках потока: они изменяются и по глубине и по ширине живого сечения. На каждой отдельно взятой вертикали наименьшие скорости наблюдаются у дна, что связано с влиянием шероховатости русла. От дна к поверхности нарастание скорости сначала происходит быстро, а затем замедляется, и максимум в открытых потоках достигается у поверхности или на расстоянии 0,2H от поверхности. Кривые изменения скоростей по вертикали называются годографами или эпюрами скоростей (рис. 66). На распределение скоростей по вертикали большое влияние оказывают неровности в рельефе дна, ледяной покров, ветер и водная растительность. При наличии на дне неровностей (возвышения, валуны) скорости в потоке перед препятствием резко уменьшаются ко дну. Уменьшаются скорости в придонном слое при развитии водной растительности, значительно повышающей шероховатость дна русла. Зимой подо льдом, особенно при наличии шуги, под влиянием добавочного трения о шероховатую нижнюю поверхность льда скорости малы. Максимум скорости смещается к середине глубины и иногда расположен ближе ко дну. Ветер, дующий в направлении течения, увеличивает скорость у поверхности. При обратном соотношении направления ветра и течения скорости у поверхности уменьшаются, а положение максимума смещается на большую глубину по сравнению с его положением в безветренную погоду.

Читайте также:  Река небо обои для рабочего стола

По ширине потока скорости как поверхностная, так и средняя на вертикалях меняются довольно плавно, в основном повторяя распределение глубин в живом сечении: у берегов скорость меньше, в центре потока она наибольшая. Линия, соединяющая точки на поверхности реки с наибольшими скоростями, называется стрежнем. Знание положения стрежня имеет большое значение при использовании рек для целей водного транспорта и лесосплава. Наглядное представление о распределении скоростей в живом сечении можно получить построением изотах — линий, соединяющих в живом сечении точки с одинаковыми скоростями (рис. 67). Область максимальных скоростей расположена обычно на некоторой глубине от поверхности. Линия, соединяющая по длине потока точки отдельных живых сечений с наибольшими скоростями, называется динамической осью потока.


Рис. 66. Эпюры скоростей. а — открытое русло, б — перед препятствием, в — ледяной покров, г — скопление шуги.

Средняя скорость на вертикали вычисляется делением площади эпюры скоростей на глубину вертикали или при наличии измеренных скоростей в характерных точках по глубине (VПОВ, V0,2, V0,6, V0,8, VДОН) по одной из эмпирических формул, например

Средняя скорость в живом сечении. Формула Шези

Для вычисления средней скорости потока при отсутствии непосредственных измерений широко применяется формула Шези. Она имеет следующий вид:

Величина коэффициента С не является величиной постоянной. Она зависит от глубины и шероховатости русла. Для определения С существует несколько эмпирических формул. Приведем две из них:

формула Манинга

формула Н. Н. Павловского
где n — коэффициент шероховатости, находится по специальным таблицам М. Ф. Срибного. Переменный показатель в формуле Павловского определяется зависимостью.

Из формулы Шези видно, что скорость потока растет с увеличением гидравлического радиуса или средней глубины. Это происходит потому, что с увеличением глубины ослабевает влияние шероховатости дна на величину скорости в отдельных точках вертикали и тем самым уменьшается площадь на эпюре скоростей, занятая малыми скоростями. Увеличение гидравлического радиуса приводит и к увеличению коэффициента С. Из формулы Шези следует, что скорость потока растет с увеличением уклона, но этот рост при турбулентном движении выражен в меньшей мере, чем при ламинарном.

Скорость течения горных и равнинных рек

Течение равнинных рек значительно более спокойное, чем горных. Водная поверхность равнинных рек сравнительно ровная. Препятствия обтекаются потоком спокойно, кривая подпора, возникающего перед препятствием, плавно сопрягается с водной поверхностью вышерасположенного участка.

Горные реки отличаются крайней неровностью водной поверхности (пенистые гребни, взбросы, провалы). Взбросы возникают перед препятствием (нагромождением валунов на дне русла) или при резком уменьшении уклона дна. Взброс воды в гидравлике носит название гидравлического (водного) прыжка. Его можно рассматривать как одиночную волну, появившуюся на водной поверхности перед препятствием. Скорость распространения одиночной волны на поверхности, как известно, c = , где g — ускорение силы тяжести, H — глубина.

Если средняя скорость течения vср потока оказывается равной скорости распространения волны или превышает ее, то образующаяся у препятствия волна не может распространиться вверх по течению и останавливается вблизи места ее возбуждения. Формируется остановившаяся волна перемещения.

Пусть vср = c. Подставляя в это равенство значение из предыдущей формулы, получим vср = , или

Левая часть этого равенства известна как число Фруда (Fr). Это число позволяет оценить условия существования бурного или спокойного режима течения: при Fr 1 — бурный режим.

Таким образом, между характером течения, глубиной, скоростью, а следовательно, и уклоном существуют следующие соотношения: с увеличением уклона и скорости и уменьшением глубины при данном расходе течение становится более бурным; с уменьшением уклона и скорости и увеличением глубины при данном расходе течение приобретает более спокойный характер.

Горные реки характеризуются, как правило, бурным течением, равнинные реки имеют спокойный режим течения. Бурный режим течения может быть и на порожистых участках равнинных рек. Переход к бурному течению резко усиливает турбулентность потока.

Поперечные циркуляции

Одной из особенностей движения воды в реках является непараллельноструйность течений. Она отчетливо проявляется на закруглениях и наблюдается на прямолинейных участках рек. Наряду с общим параллельным берегам движением потока в целом имеются внутренние течения в потоке, направленные под различными углами к оси движения потока и производящие перемещения водных масс в поперечном к потоку направлении. На это еще в конце прошлого столетия обратил внимание русский исследователь Н. С. Лелявский. Он следующим образом объяснил структуру внутренних течений. На стрежне вследствие больших скоростей на поверхности воды происходит втягивание струй со стороны, в результате в центре потока создается некоторое повышение уровня. Вследствие этого в плоскости, перпендикулярной направлению течения, образуются два циркуляционых течения по замкнутым контурам, расходящиеся у дна (рис. 69 а). В сочетании с поступательным движением эти поперечные циркуляционные течения приобретают форму винтообразных движений. Поверхностное течение, направленное к стрежню, Лелявский назвал сбойным, а донное расходящееся — веерообразным.

На изогнутых участках русла струи воды, встречаясь с вогнутым берегом, отбрасываются от него. Массы воды, переносимые этими отраженными струями, обладающими меньшими скоростями, накладываясь на массы воды, переносимые набегающими на них следующими струями, повышают уровень водной поверхности у вогнутого берега. Вследствие этого возникает перекос водной поверхности, и струи воды, находящиеся у вогнутого берега, опускаются по откосу его и направляются в придонных слоях к противоположному выпуклому берегу. Возникает циркуляционное течение на изогнутых участках рек (рис. 69 б).


Рис. 69. Циркуляционные течения на прямолинейном (а) и на изогнутом (б) участке русла (по Н. С. Лелявскому). 1 — план поверхностных и донных струй, 2 — циркуляционные течения в вертикальной плоскости, 3 — винтообразные течения.

Особенности внутренних течений потока были изучены А. И. Лосиевским в лабораторных условиях. Им была установлена зависимость формы циркуляционных течений от соотношения глубины и ширины потока и выделены четыре типа внутренних течений (рис. 70). Типы I и II представлены двумя симметричными циркуляциями. Для типа I характерно схождение струй у поверхности и расхождение у дна. Этот случай свойствен водотокам с широким и неглубоким руслом, когда влияние берегов на поток незначительно. Во втором случае донные струи направлены от берегов к середине. Этот тип циркуляции характерен для глубоких потоков с большими скоростями. Тип III с односторонней циркуляцией наблюдается в руслах треугольной формы. Тип IV — промежуточный — может возникать при переходе типа I в тип II. В этом случае струи в середине потока могут быть сходящимися или расходящимися, соответственно у берегов — расходящимися или сходящимися. Дальнейшее развитие представления о циркуляционных течениях получили в работах М. А. Великанова, В. М. Маккавеева, А. В. Караушева и др. Теоретические исследования возникновения этих течений излагаются в специальных курсах гидравлики и динамики русловых потоков. Появление поперечных течений на закруглениях русла объясняется развивающейся здесь центробежной силой инерции и связанным с ней поперечным уклоном водной поверхности. Центробежная сила инерции, возникающая на закруглениях, неодинакова на различных глубинах.


Рис. 70. Схема внутренних течений (по А. И. Лосиевскому). 1 — поверхностная струя, 2 — донная струя.

Рис. 71. Схема сложения сил, вызывающих циркуляцию. а — изменение по вертикали центробежной силы P1, б — избыточное давление, в — результирующая эпюра действующих на вертикали сил центробежной и избыточного давления, г — поперечная циркуляция.

В зависимости от направления излучины отклоняющая сила Кориолиса или усиливает, или ослабляет поперечные течения на закруглении. Эта же сила возбуждает поперечные течения на прямолинейных участках.

При низких уровнях на закруглении циркуляционные течения почти не выражены. С повышением уровней, увеличением скорости и центробежной силы циркуляционные течения становятся отчетливыми. Скорость поперечных течений обычно мала — в десятки раз меньше продольной составляющей скорости. Описанный характер циркуляционных течений наблюдается до выхода воды на пойму. С момента выхода воды на пойму в реке создаются как бы два потока — верхний, долинного направления, и нижний, в коренном русле. Взаимодействие этих потоков сложно и еще мало изучено.

В современной литературе по динамике русловых потоков (К. В. Гришанин, 1969 г.) приводится, по-видимому, более строгое объяснение возникновения поперечных циркуляции в речном потоке. Происхождение таких циркуляции связывается с механизмом передачи на элементарные объемы воды в потоке действия кориолисова ускорения посредством градиента давления, обусловленного4 поперечным уклоном (и постоянного на вертикали), и разности касательных напряжений, вызванных на гранях элементарных объемов воды различиями в скоростях потока по вертикали. Аналогичную кориолисову ускорению роль выполняет на повороте русла центростремительное ускорение.

Помимо поперечных циркуляции, в потоке наблюдаются вихревые движения с вертикальной осью вращения (рис. 72).


Рис. 72. Схема вихрей с вертикальными осями (по К. В. Гришанину).

Одни из них подвижны и неустойчивы, другие стационарны и отличаются большими поперечными размерами. Чаще они возникают в местах слияния потоков, за крутыми выступами берегов, при обтекании некоторых подводных препятствий и т. д. Условия формирования стационарных вихрей пока не исследованы. Гришанин высказывает предположение, что образованию устойчивого локализованного вихря способствует значительная глубина потока и существование восходящего течения воды. Эти вихри в потоке, известные под названием водоворотов, напоминают воздушные вихри — смерчи.

Поперечные циркуляции, вихревые движения играют большую роль в транспортировании наносов и формировании речных русел.

Источник

Adblock
detector