Движения в атмосфере и в океане можно классифицировать различными способами. Один из них - разделение движения на ламинарное и турбулентное. При ламинарном течение частицы жидкости двигаются упорядоченно, линии тока параллельны. Турбулентное течение хаотично, и траектории отдельных частиц пересекаются. В однородной по плотности жидкости переход от ламинарного режима к турбулентному происходит, когда скорость достигает некоторой критической величины, пропорциональной вязкости и обратно пропорциональной плотности и расстоянию до границы течения. В океане и атмосфере течения в большинстве случаев турбулентные. При этом эффективная вязкость, или турбулентное трение, в таких течениях обычно на несколько порядков больше молекулярной вязкости и зависит от природы турбулентности и ее интенсивности. В природе наблюдаются два случая ламинарного режима. Один-это течение в очень тонком слое, прилегающем к гладкой границе, другой - движение в слоях значительной вертикальной устойчивости (какими являются, например, слой инверсии в атмосфере и термоклин в океане), где флуктуации вертикальной скорости малы. Вертикальный сдвиг скорости в таких случаях намного больше, чем в турбулентных течениях.
Масштабы движения
Еще один способ классификации движений в атмосфере и океане основан на их разделении по пространственным и временным масштабам, а также на выделении периодических и непериодических составляющих движения.
Наибольшим пространственно-временным масштабам отвечают такие стационарные системы, как пассаты в атмосфере или Гольфстрим в океане. Хотя движение в них и испытывает флуктуации, эти системы можно рассматривать как более или менее постоянные элементы циркуляции, имеющие пространственный масштаб порядка нескольких тысяч километров.
Следующее место занимают процессы с сезонной цикличностью. Среди них следует особо отметить муссоны и обусловленные ими - и тоже меняющие свое направление - течения Индийского океана. Пространственный масштаб этих процессов также порядка нескольких тысяч километров, однако их отличает выраженная периодичность.
Процессы с временным масштабом в несколько дней или недель, как правило, нерегулярны и имеют пространственные масштабы до тысячи километров. К ним относятся вариации ветра, связанные с переносом различных воздушных масс и вызывающие изменения погоды в таких районах, как Британские острова, а также аналогичные и часто связанные с первыми колебания океанских течений.
Рассматривая движения с временным масштабом от нескольких часов до одного-двух дней, мы встречаемся с большим разнообразием процессов, среди которых имеются и явно периодические. Это может быть суточная периодичность, связанная с суточным ходом солнечной радиации (она характерна, например, для бриза - ветра, дующего днем с моря на сушу, а ночью с суши на море); это может быть суточная и полусуточная периодичность, характерная для приливов; это может быть периодичность, связанная с перемещением циклонов и другими атмосферными возмущениями. Пространственный масштаб этого типа движений от 50 км (для бризов) до 2000 км (для барических депрессий на средних широтах).
Временным масштабам, измеряемым секундами, реже минутами, соответствуют регулярные движения - волны. Наиболее распространены ветровые волны на поверхности океана, имеющие пространственный масштаб около 100 м. В океане и в атмосфере встречаются и более длинные волны, как, например, подветренные волны. Нерегулярные движения с такими временными масштабами отвечают турбулентным флуктуациям, проявляющимся, например, в виде порывов ветра.
Движение, наблюдаемое в каком-то районе океана или атмосферы, может быть охарактеризовано векторной суммой скоростей, каждая из которых отвечает определенному масштабу движения. Например, измеренная в какой-то момент времени скорость может быть представлена в виде где и обозначает турбулентные пульсации скорости.
Для характеристики движения можно использовать описание сил, участвующих в его создании. Этот подход в сочетании с методом разделения по масштабам будет использован в последующих главах при описании различных форм движения. Здесь же удобно рассмотреть различные силы, действие которых может вызвать горизонтальные движения в океане и атмосфере или повлиять на них.
Силы можно разделить на три категории: внешние, внутренние и вторичные. Источники внешних сил лежат вне жидкой среды. В эту категорию попадает гравитационное притяжение Солнца и Луны, вызывающее приливные движения, а также сила трения ветра. Внутренние силы связаны с распределением массы или плотности в жидкой среде. Неравномерное распределение плотности обусловлено неравномерным нагревом океана и атмосферы, и порождает горизонтальные градиенты давления внутри жидкой среды. Под вторичными мы понимаем силы, действующие на жидкость только тогда, когда она пребывает в состоянии движения относительно земной поверхности. Наиболее очевидной является сила трения, всегда направленная против движения. Если различные слои жидкости движутся с разными скоростями, трение между этими слоями, обусловленное вязкостью, приводит к замедлению более быстро движущихся слоев и ускорению менее быстро движущихся слоев. Если течение направлено вдоль поверхности, то в слое, примыкающем к границе, сила трения прямо противоположна направлению потока. Несмотря на то что трение играет обычно незначительную роль в атмосферных и океанских движениях, оно привело бы к затуханию этих движений, если бы их не поддерживали внешние силы. Таким образом, движение не могло бы оставаться равномерным, если бы другие силы отсутствовали. Две другие вторичные силы - это фиктивные силы. Они связаны с выбором системы координат, относительно которой рассматривается движение. Это сила Кориолиса (о которой мы уже говорили) и центробежная сила, появляющаяся при движении тела по окружности.
Центробежная сила
Тело, двигающееся с постоянной скоростью по окружности, все время изменяет направление своего движения и, следовательно, испытывает ускорение. Это ускорение направлено к мгновенному центру кривизны траектории и называется центростремительным ускорением. Следовательно, чтобы оставаться на окружности, тело должно испытывать действие некоторой силы, направленной к центру окружности. Как показано в элементарных учебниках по динамике, величина этой силы равна mu2/r, или mw2r, где r - масса тела, m-скорость движения тела по окружности, r-радиус окружности, а w - угловая скорость вращения тела (обычно измеряемая в радианах в секунду). Например, для пассажира, едущего в поезде по криволинейной траектории, движение кажется равномерным. Он видит, что перемещается относительно поверхности с постоянной скоростью. Однако пассажир ощущает действие некоторой силы, направленной от центра окружности, - центробежной силы, и он противодействует этой силе, наклоняясь к центру окружности. Тогда центростремительная сила оказывается равной горизонтальной составляющей реакции опоры-сиденья или пола поезда. Другими словами, для сохранения своего кажущегося состояния равномерного движения пассажиру необходимо, чтобы центростремительная сила была равна по величине и противоположна по направлению центробежной силе.
Литература
1. Будыко М.И. Глобальная экология. - М., 1987
2. Дювиньо П. Танг М. Биосфера и место в ней человека. М, 1998
3. Исаченко А.Г. География сегодня. - М., 1999
4. Одум Ю. Основы экологии. - М., 1995
5. Рябчиков А.М. Структура и динамика геосферы. - М., 1972