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
 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
. 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
, 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
 в
атмосфере равен 20 м/с. Тогда для того, чтобы вращение Земли влияло на
движение, отношение характерного пространственного масштаба движений  к скорости движений
 к скорости движений  должно быть больше или равно периоду
вращения Земли, равного суткам, то есть
 должно быть больше или равно периоду
вращения Земли, равного суткам, то есть  .Отсюда,
характерный масштаб движений должен быть порядка тысячи километров
.Отсюда,
характерный масштаб движений должен быть порядка тысячи километров  км. При этом безразмерная величина
 км. При этом безразмерная величина  - число Россби, будет  малой величиной
 - число Россби, будет  малой величиной  . Для океана характерная скорость в
Гольфстриме
. Для океана характерная скорость в
Гольфстриме  м/с, при ширине течения
 м/с, при ширине течения  км дает значение параметра Россби
 км дает значение параметра Россби  . Эта величина является характеристикой
"планетарности" движений, то есть зависимости движений от планетарных
движений и, в частности, от вращения.
. 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 (1000 км), и для океана  м
(4 км), для атмосферы
 м
(4 км), для атмосферы  м (50 км), то отношение  вертикального масштаба движений к горизонтальному будет
 м (50 км), то отношение  вертикального масштаба движений к горизонтальному будет   для океана и
 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
 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
, 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:
. 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
 - радиуса деформации Россби к  - характерному масштабу движений. В
результате получаем число Бургера
 - характерному масштабу движений. В
результате получаем число Бургера  . Радиус деформации
Россби дается выражением, зависящим от уровня стратификации
. Радиус деформации
Россби дается выражением, зависящим от уровня стратификации  на глубине
 на глубине  

Здесь
 - ускорение свободного падения.
- 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
, где  -
температура,
 -
температура,  - соленость,
 - 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.
 -
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.