Динамика атмосферы и океаны - Гилл А.
Скачать (прямая ссылка):
разд. 9.4) в средних широтах приводит к вертикальным отклонениям термоклина и установлению так называемого «свердру-повского баланса», показанного на рис. 2.5. Соответствующее поле плотности морской воды обладает очень большой доступной потенциальной энергией, которая под действием экмановской подкачки постоянно генерируется со средней скоростью порядка 10_3 Вт м-2 [258]. Характерный размер круговорота регулируется пространственным масштабом 1~г « 1000 км напряжения ветра. Поскольку он примерно в 30 раз больше баро-клинного радиуса Россби (см. разд. 12.5), доступная потенциальная энергия должна быть [см. (7.5.2)] примерно в 302, т. е. примерно в 1000 раз больше кинетической энергии осред-ненной свердруповской циркуляции. Если бы циркуляция в океане определялась свердруповским балансом, то вдали от границ океана течения были бы очень слабыми (порядка 1 см/с). Такое мнение господствовало среди большинства океанологов до тех пор, пока в конце пятидесятых годов в таких районах не начали производиться измерения течений.
В действительности же оказалось, что наблюдения течений во внутренних районах океана в основном дают скорости не порядка 1 см/с, а порядка 10 см/с. Как же возникают такие большие скорости? В предыдущих разделах данной главы было показано, что под влиянием неустойчивости среднего течения могут возникать вихри, которые растут за счет доступной потенциальной энергии среднего течения. Их типичный масштаб совпадает с радиусом Россби, т. е. с таким масштабом, при котором [см. (7.5.2)] кинетическая энергия сравнима с доступной потенциальной. Отсюда следует, что если доступная потенциальная энергия океанского круговорота будет мгновенно использована для порождения вихрей с размерами порядка радиуса Россби, то их доступная потенциальная энергия должна быть примерно в два раза меньше, чем у исходного круговорота (т. е. вихревая доступная потенциальная энергия будет сравнима с энергией первоначального круговорота).
Вихревая кинетическая энергия должна быть примерно такой же, как и доступная потенциальная. Значит, она во много раз превосходит кинетическую энергию исходного круговорота. Приведенные доводы указывали на возможный источник энергии вихрей, но не объясняли, почему и как он может быть реализован. В численных экспериментах (см., например, [706,679]) с моделями, имеющими достаточное для воспроизведения вихрей разрешение, удалось показать, как вихри могут быть порождены, и был получен ряд признаков, которые можно сопоставить с данными наблюдений. В частности, географическое распределение вихрей свидетельствовало о том, что основные зоны их генерации находятся в районах сильных течений типа Гольфстрима. Кроме того, результаты расчетов
позволяли сделать заключение, что глубинное возвратное течение в западной части Северной Атлантики порождается за счет вихрей.
Наблюдаемые свойства вихрей сильно меняются, однако под словом «вихрь» обычно понимают образование с масштабом длины (обратными волновыми числами) порядка 10—100 км и временными масштабами (обратными частотами) порядка 10— 30 суток. В основном вихрь находится в геострофическом равновесии и чаще всего обнаруживает смещение на запад со скоростью около нескольких сантиметров в секунду. Амплитуда, определяемая как вертикальное смещение изопикн, может быть 100 м и более, а связанные с вихрем течения могут достигать 1 м/с и более, хотя более типичные значения имеют величину порядка 10 см/с. Расчеты распределения плотности вихревой потенциальной энергии, осуществленные в работе [158] для зоны Северной Атлантики между широтами 0 и 50° северной широты, показали, что максимальные значения (500—2000см2/с) сосредоточены в области Гольфстрима. Несмотря на то, что в этом районе преимущественное происхождение вихрей за счет неустойчивости [706] практически не подвергается сомнению, в других местах могут быть существенными новые механизмы генерации вихрей, такие, как воздействие ветра (см. разд. 9.11) и влияние рельефа дна (разделы 8.7—8.10) [574].
Неустойчивость может принимать многообразные формы и каждый конкретный ее механизм определить по наблюдениям часто оказывается затруднительно. Вместе с тем, в наблюдениях очень отчетливо прослеживается одна из этих форм, когда меандры Гольфстрима образуют большие петли, которые отделяются от него и становятся «рингами Гольфстрима». Если они отрываются от Гольфстрима на его экваториальной стороне, то в их середине находится холодная вода (вихри с холодным ядром). Содержащиеся в вихрях воды Лабрадорского моря могут задерживаться в них на год или около этого. В это время ринг может переместиться к западу и на юг на значительное расстояние. Вихри с теплым ядром, которые возникают аналогичным образом на полярной стороне течения и также перемещаются на запад, иногда снова поглощаются Гольфстримом. На рис. 13.8 показан пример, когда весной 1975 г. в области Гольфстрима наблюдались девять вихрей с холодным ядром (циклонических) и три вихря с теплым ядром (анти-циклонических). На нем также показан поперечный разрез Гольфстрима и двух вихрей. Свойствам рингов посвящена работа [668].
