1. Введение. Предмет геофизической гидродинамики.
Выделение геофизической гидродинамики как направления гидродинамики произошло в начале 70-х годов. Оно было оформлено созданием Джозефом Смагоринским в Принстонском университете Лаборатории геофизической гидродинамики. Что же рассматривает геофизическая гидродинамика? Она занимается изучением процессов, происходящих в жидких и газообразных средах планет и звезд, и имеет приложения в метеорологии, океанологии, климатологии, физике мантии Земли, планетологии и астрофизике. Геофизическую гидродинамику можно определить как гидродинамику природных течений вращающихся, бароклинных, стратифицированных жидкостей и газов. Рассмотрим более подробно эти факторы.
1. Вращение. Все планеты вращаются вокруг своей оси.
Земля имеет радиус и угловую скорость вращения
. В системе отсчета, связанной с
вращающейся Землей, вращение создает, во-первых, центробежную силу, не
оказывающую существенного влияния на движение атмосферы и океана, и, во-вторых,
более важную, действующую на движение с относительной скоростью силу Кориолиса
, отклоняющую частицы в северном полушарии
вправо от направления движения. Это создает понятие так называемой
"геострофичности", когда в отличие от обычной гидродинамики движение
происходит не от зон большего давления к меньшему, а вдоль изолиний давления.
Так, в зоне повышенного давления "антициклон" движение происходит по
часовой стрелке. Но это характерно не для всех движений в атмосфере или океане.
Для этого движения должны быть достаточно большими. Что это значит?
Пусть характерный масштаб скорости движения
в
атмосфере равен 20 м/с. Тогда для того, чтобы вращение Земли влияло на
движение, отношение характерного пространственного масштаба движений
к скорости движений
должно быть больше или равно периоду
вращения Земли, равного суткам, то есть
.Отсюда,
характерный масштаб движений должен быть порядка тысячи километров
км. При этом безразмерная величина
- число Россби, будет малой величиной
. Для океана характерная скорость в
Гольфстриме
м/с, при ширине течения
км дает значение параметра Россби
. Эта величина является характеристикой
"планетарности" движений, то есть зависимости движений от планетарных
движений и, в частности, от вращения.
2. Стратифицированность. Прежде всего, необходимо отметить, что
выбранные таким образом крупномасштабные движения являются движениями в узкой
пленке жидкости. В самом деле, если горизонтальный масштаб движений м (1000 км), и для океана
м
(4 км), для атмосферы
м (50 км), то отношение вертикального масштаба движений к горизонтальному будет
для океана и
для
атмосферы. Однако это не означает, что движение в атмосфере и океане является
полностью двумерными в этой пленке, так как разность температур на поверхности
и в глубине океана может достигать
, а в атмосфере
. При этом типичное распределение плотности
в океане имеет максимальный вертикальный градиент в верхнем слое 1.5 км, который называется термоклин, и поэтому стратификация (расслоенность) по плотности в океане и
в атмосфере весьма велика. Типичное распределение температуры с глубиной в
океане имеет вид:
Рис1.1.
Параметр, характеризующий
стратификацию, может быть записан в виде отношений двух масштабов - радиуса деформации Россби к
- характерному масштабу движений. В
результате получаем число Бургера
. Радиус деформации
Россби дается выражением, зависящим от уровня стратификации
на глубине
Здесь
- ускорение свободного падения.
3. Бароклинность. Бароклинность означает, что в объеме
жидкости поверхности постоянного давления (изобарические поверхности) и
поверхности постоянной плотности (изопикнические поверхности) не совпадают. В
океане это, например, означает, что уравнение состояния для плотности имеет вид
, где
-
температура,
- соленость,
-
давление. Это, в частности, является следствием стратификации и вызывает
движения. Если бы плотность жидкости зависела только от давления, то
изобарические и изопикнические поверхности совпадали и движения происходили бы
во всей толще жидкости как единое целое под действием градиентов давления.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.