Классификации течений

Океаническими течениями называются поступательные движения вод Мирового океана. Эти движения могут иметь пространственные масштабы от единиц миллиметров до тысяч километров и временные масштабы от единиц секунд до сотен или тысяч лет. Поступательные движения вод в Мировом океане вызываются как внешними, так и внутренними ускоряющими факторами. К первым принято относить действие ветра (тангенциальная составляющая напряжения ветра, турбулентное трение ветра о водную поверхность), атмосферного давления, атмосферных осадков, испарения, ливневого и речного стока и приливообразующих сил. Ко вторым относятся неоднородности полей температуры, солености и плотности вод Мирового океана.

Важнейшими характеристиками течений являются скорость и направление потока, а также его устойчивость.

Скорость течения измеряется в сантиметрах (или метрах) в секунду, а также в узлах (один узел составляет примерно 50 см/с).

В Мировом океане скорости течений изменяются в широких пределах от единиц см/с (сотых узла) до единиц м/с. Средние скорости течений в открытом океане, как правило, не превышают 1 м/с.

Самыми быстрыми являются приливные течения в протоках атоллов, узких проливах и фиордах (их скорости могут достигать 16 узлов).

Направление течения определяется в градусах или румбах, причем указывается то направление, куда направлено течение.

Устойчивость течения определяет ту долю его воды, движение которой за период наблюдения совпадало с направлением движения основной струи потока. Она исчисляется в процентах.

В различных точках траектории течения эти характеристики могут существенно отличаться.

В зависимости от пространственных и временных масштабов различают течения микромасштабные, мелкомасштабные, мезомасштабные, синоптические и крупномасштабные.

Пространственные масштабы микромасштабных течений не превосходят единиц сантиметров, а их временные масштабы составляют единицы секунд. Примерами таких течений являются движения воды в капиллярах, термиках и солевых пальцах, мельчайшие турбулентные вихри.

Мелкомасштабные течения характеризуются пространственными масштабами от единиц сантиметров до единиц километров и временными масштабами от единиц секунд до единиц часов. Примерами их могут служить течения в узкостях и вблизи берегов (приливные, сгонно-нагонные и другие течения).

Мезомасштабные течения имеют пространственные масштабы единицы километров – десятки километров и временные масштабы – единицы часов – единицы месяцев. Примерами подобных течений являются антициклонические вихри в Черном море, расположенные между его материковым склоном и стрежнем Основного Черноморского течения.

Синоптические течения имеют пространственные масштабы десятки- сотни километров и временные масштабы единицы месяцев – единицы лет. К таким  течениям относятся ринги Гольфстрима, Куросио, Западный и Восточный циклонический круговороты в Черном море.

Крупномасштабным течениям свойственны пространственные масштабы сотни – тысячи километров, а временные масштабы – единицы лет и более. Подобными течениями являются Циркумполярное Антарктическое течение, Северо-Атлантическое, Северо-Тихоокеанское, Южно-Тихоокеанское и Южно-Индийское течения.

Силами, вызывающими океанические течения, являются сила тяжести, сила Архимеда, сила инерции (в том числе сила Кориолиса и центробежная сила), а также сила трения.

Существенность влияния этих сил на течения зависит от их масштаба. Так, влияние силы Кориолиса и центробежной силы на динамику микромасштабных течений, по сравнению с влиянием иных сил, незначительно. Вместе с тем для течений больших масштабов их влияние весьма существенно. Именно благодаря им многие мелкомасштабные, мезомасштабные, синоптические и крупномасштабные течения в Мировом океане представляют собой вихри (круговороты).

Влияние вязкого трения в толще вод на динамику мезомасштабных, синоптических и крупномасштабных течений невелико. В тоже время на динамику микромасштабных течений этот фактор оказывает определяющее влияние.

Геострофические течения

Геострофическими называют течения, в которых горизонтальный градиент давления уравновешивается силой Кориолиса.

Течения перераспределяют энергию и вещество в Мировом океане с помощью двух основных механизмов: адвекции и перемешивания.

Адвекция осуществляет поступательный перенос вещества и энергии в горизонтальной плоскости. Она осуществляется преимущественно крупномасштабными, синоптическими и мезомасштабными течениями.

Перемешивание обеспечивает перенос вещества и энергии как по горизонтали, так и по вертикали. Его осуществляют в основном микромасштабные и мелкомасштабные течения.

При перемешивании из слоя в слой могут проникать как отдельные молекулы, так и значительные объемы воды. Это, как правило, приводит к выравниванию физико-химических характеристик взаимодействующих вод, уничтожению градиентов на их границах.

Результатом процессов перемешивания, происходящих в каждой из взаимодействующих областей воды, может являться и обратное явление – обострение градиентов гидрофизических полей на их границе.

По характеру движения элементарных объемов воды различают течения турбулентные и ламинарные.

В ламинарных течениях траектории всех элементарных объемов воды – параллельные прямые.

В турбулентных течениях каждый элементарный объем воды имеет свою собственную уникальную, непредсказуемую криволинейную траекторию.

Турбулентность есть следствие неоднородности поля скорости течений. Это результат взаимодействия сил инерции, тяжести, Архимеда и вязкого трения.

Вследствие наличия Броуновского движения молекул жидкости на ее элементарные объемы всегда действуют разнонаправленные, случайным образом изменяющиеся в пространстве и времени силы инерции, стремящиеся отклонить струи в разные стороны, а также их притормозить или ускорить.

Если скорость течения близка к нулю, между его струями действует сила трения покоя, препятствующая их взаимному смещению.

Если струи воды, образующие течение, отличаются по плотности, их взаимному смещению по вертикали препятствует также сила тяжести.

Ламинарным течение является тогда, когда силы, препятствующие смещению струй жидкости, превосходят флуктуационные составляющие силы их инерции. Жидкость движется как единое целое, подобно льдине.

Чем больше скорость течения, тем при прочих равных условиях больше сила трения на его границах. Эта сила тормозит струи, расположенные вблизи границ течения.

Неоднородность поля скорости течения приводит к возникновению сил инерции, направленных перпендикулярно осевому направлению струи.

Если упомянутые силы превосходят силы вязкого трения, Архимеда и тяжести, струи на границе течения начинают смещаться относительно струй, расположенных внутри него. Такие приторможенные струи начинают расходиться в стороны, внедряясь в окружающую среду. При этом они образуют меандры, разномасштабные вихри и обмениваются импульсом с окружающей средой, вовлекая ее в движение.

Подобное взаимодействие течения вязкой жидкости с окружающей средой приводит к образованию вблизи ее границы области, где характер движения струй является турбулентным. Эта область называется турбулентным пограничным слоем (ТПС).