Перевод: Тронь Александр Анатольевич

10.7 Течения по данным гидрографических разрезов 

Гидрографические данные, собираемые на судах вдоль их курса, часто используются для построения вертикального профиля плотности по разрезам, проходящим через линию курса. Поперечные сечения линий тока в течениях зачастую демонстрируют резкое погружение изопикнических поверхностей с сильным контрастом плотности по обе стороны области течения. Параметры бароклинных течений вдоль сечений могут быть оценены с использованием методики, впервые предложенной Маргулесом (1906) и описанной Дефантом (1961; 453). Эта методика позволяет океанографам оценить скорость и направление течений пересекающих плоскость сечения сравнительно простой процедурой.

Рис. 10.11. Наклоны β морской поверхности и наклон γ границы между двумя однородными, движущимися слоями с плотностями ρ₁ и ρ₂ в северном полушарии. Согласно Ньюману и Пирсону (1996; 166).

Для вывода уравнения Маргулиса рассмотрим наклон ∂z/∂xстационарной границы между двумя водными массами с плотностями ρ₁и ρ₂ (см. Рис. 10.11). При расчете изменения скорости поперек этой поверхности, предположим однородность слоёв, соответствующих этим массам и примем, для определенности, что ρ₁< ρ₂, причем оба слоя положим находящихся в геострофическом равновесии. Несмотря на все эти, на первый взгляд, жесткие предположения (в реальном океане нет идеальных поверхностей, нет однородных слоев с резкими границами и т.д.) предлагаемая методика до сих пор оказывается практически полезной.

Изменение давления на границе слоев составляет:

(10.18)

а вертикальный и горизонтальный градиенты давления получаются из (10.6):

(10.19)

Таким образом,

(10.20a)

(10.20b)

На неподвижной границе раздела должны выполняться условия δp₁ = δp₂ . Приравнивая (10.20а) к (10.20b), деля обе части на δx и разрешая относительно δz/δx, получаем:σ

 

Учитывая, что ρ₁≈ ρ₂ , для малых β и γ имеем

  (10.21a)

(10.21b)

(10.21c)

где β - это наклон морской поверхности, а γ -- наклон границы раздела между двумя водными массами. Поскольку перепады плотности внутри водной массы малы, этот наклон приблизительно в 1000 раз больше, чем наклон поверхностей постоянного давления.

Рассмотрим применение этой методики к Гольфстриму (см. Рис. 10.8). Из Рис. 10.8 имеем φ = 36^о, ρ₁ = 1026.7 кг/м³, ρ₂ = 1027.5 кг/м³ на глубине 500 децибар. Если использовать поверхность σ_t = 27.1 для оценки наклона между двумя водными массами, то граница изменяется от глубины 350 м до 650 м на протяжении 70 км, что дает tanγ = 4300 x 10^-6 = 0.0043 и Δv = v₂ – v₁ = -0.38 м/сек. Полагая v₂ = 0, получаем v₁ = 0.38 м/сек. Эта грубая оценка скорости Гольфстрима неплохо согласуется со скоростью на глубине 500 м, рассчитанной по гидрографическим данным (Таблица 10.4) в предположении неподвижного уровня, соответствующего глубине 2000 децибар.

Наклоны поверхностей постоянной плотности хорошо видны на Рис. 10.8 . Графики этих поверхностей позволяют быстро оценить направления течений и их приблизительные скорости. В то же время, при использовании данных Таблицы 10.4, получим для наклона морской поверхности величину 8.4 х 10^-6 или 0.84 м на 100 км.

Заметим, что в системе Гольфстрима поверхности постоянной плотности наклонены вниз в восточном направлении, тогда как наклоны топографии морской поверхности направлены к востоку вверх, т.е. поверхности постоянной плотности и постоянного давления имеют здесь противоположные знаки.

В том случае, когда резкая граница между двумя водными массами достигает поверхности, образуется океанический фронт, по своим свойствам аналогичный атмосферным фронтам.

Вихри в районе Гольфстрима имеют как теплые, так и холодные внутренние области (Рис. 10.12). Применение метода Маргулиса к этим мезомаштабным вихрям позволяет определить направление потока. Антициклонические вихри (вращающиеся по часовой стрелке в северном полушарии) имеют теплые центральные области (ρ₁ залегает глубже в центре) и поверхности постоянного давления изгибаются вверх, а уровень морской поверхности выше в центре вихря. Для циклонических вихрей картина обратная.

Рис. 10.12. Формы поверхностей постоянного давления p_i и границы между двумя водными массами ρ₁и ρ₂ в случае, когда верхний слой вращается быстрее нижнего. Слева: антициклонический вихрь с теплым ядром. Справа: циклонический, холодный вихрь. Морская поверхность p₀ выпукла вверх в теплом вихре, а поверхности постоянной плотности – вниз. Кружок с точкой обозначает течение, направленное на читателя, кружок с крестиком – от читателя. Согласно данным Дефанта (1961; 466).