Типы сил

Поверхностные силы

  С силой, действующей на поверхности, мы знакомы из жи­тейского опыта; она носит название силы трения или каса­тельного напряжения. Коротко говоря, поверхностная сила есть воздействие одного тела, скользящего по другому. Ес­ли оба тела твердые (скажем, хоккейная шайба и лед), то, как подсказывает нам наш сухопутный опыт, их взаимо­действие характеризуется коэффициентом трения между этими телами. Но когда одно или оба «тела» суть жидко­сти, трение оказывается более сложным. Мы видим, что жидкость изменяет форму подчас до неузнаваемости. При­мером может служить размешивание сливок в чашке кофе при помощи ложки. В таких случаях "более уместно говорить о напряжении, выражающемся через скорость деформации отдельных частиц (элементарных объемов) жидкости.

  Таким образом, две жидкие субстанции могут воздейст­вовать друг на друга; когда воздух движется над водой, то одна среда тормозит другую. Мы хорошо знаем, что ветры приводят в движение воду на поверхности океанов, и этот процесс должен обеспечиваться передачей количества движе­ния от ветра воде. Это и есть касательное напряжение ветра (или просто — касательное напряжение), действующее на поверхность моря. Точно так же некая масса воды, движу­щаяся рядом с другой массой, поверх нее либо снизу (в слу­чае вертикального расслоения), оказывает на эту вторую массу воздействие в виде сдвигового напряжения.

  В этой главе основное внимание уделяется поверхност­ной силе, с которой ветер действует на воду. Именно это касательное напряжение порождает волны, которые мы ча­сто наблюдаем на море и ощущаем, находясь на борту суд­на. Оно же приводит к движению воды в верхнем слое океана, создавая так называемую поверхностную циркуляцию. И наконец, оно приводит к перемешиванию воды от поверх­ности до некоторой глубины, играющему важную роль в жизни растений, осуществляющих фотосинтез.

 Буй ТОТЕМ

Буй ТОТЕМ, принадлежащий Орегонскому университету и использу­емый для изучения процессов взаимодействия океана и атмосферы.

Объемные силы

  Жидкость может также реагировать на силы, которые дей­ствуют внутри ее объема. Классическим примером является сила тяжести, действующая одинаково на каждую частицу воды независимо от того, где эта частица располагается — на поверхности или в глубине. Существуют и другие виды объемных сил, воздействующих на жидкости. В океанах та­ких дополнительных сил две — сила давления и сила Корио­лиса.

  Сила тяжести. Что такое сила тяжести — каждому хорошо известно. Когда мы пытаемся держаться наплаву, гравита­ционное притяжение Земли представляет собой силу, на­правленную вниз; ей противодействует, на что мы, собст­венно, и рассчитываем, выталкивающая сила, связанная с тем, что мы вытесняем некоторое количество воды. То же рассуждение применимо к частице воды, находящейся ниже поверхности океана. Если ее плотность меньше, чем плот­ность окружающей жидкости, на частицу действует сила, направленная вверх, поскольку выталкивающая сила в этом случае превосходит силу тяжести, и наоборот.

  В некоторых видах движения воды в океане основным фактором является разбаланс между силой тяжести и сила­ми плавучести. Возьмем, к примеру, айсберг, тающий в соленой воде (рисунок 10.1,а). Айсберги образуются из снега, спрессованного и превратившегося в ледниковый лед, поэто­му они почти целиком состоят из чистой воды.

  Плотность воды, образующейся при таянии айсберга на любой глубине, будет близка к плотности чистой волы при температуре замерзания — около 0,99800 г/см3; поэтому та­лая вода будет выталкиваться вверх объемной силой и под­ниматься к поверхности по бокам айсберга. Достигнет ли она поверхности, зависит прежде всего от того, как быстро поднимающаяся пресная вода перемешивается благодаря турбулентности с окружающей морской водой. В любом случае ясно одно: эту смесь талой воды с морской как бы качает наверх некий насос. (Когда-то бурно обсуждались доводы за и против предложения буксировать айсберги из Антарктики в районы, где не хватает пресной воды, например в Южную Австралию или Сан- Диего. Высказывалось предположение, что в порту, где вода соле­ная, айсберг под воздействием солнечного тепла будет таять в основном в верхней части, и пресная вода будет накапливаться на по­верхности моря, не перемешиваясь с морской водой. В этом случае пресную воду можно было бы просто качать с поверхности. В дей­ствительности быстрее всего айсберг тает по краям, а не в верхней, относительно небольшой своей части, открытой для солнечных лу­чей. Иначе говоря, тепло, необходимое для таяния, ему легче полу­чить от окружающей морской воды, чем от солнца. Всплывающая по бокам айсберга талая вода так быстро смешивается с морской водой, что ее уже невозможно использовать как питьевую.) Такой насос может поднимать богатые питательными веществами глубинные массы воды в эвфотическую зону. Таким образом, айсберг может быть причиной локального «апвеллинга».

 Рисунок 10.1. Вертикальное перемешивание в полярных районах океанов, обусловленное наличием сил плавучести.

Вертикальное перемешивание в полярных районах океанов, обусловленное наличием сил плавучести

(а) Что происходит с водой, образующейся при таянии айсберга? Талая вода1 поднимается к поверхности, поскольку она легче, чем окружающая морская вода на той же глубине. Поднимаясь, она ув­лекает за собой часть морской воды; в результате образуется смесь, соленость которой растет по мере того, как продолжается процесс вовлечения. Выйдет ли образующаяся смесь на поверхность моря, как показывают стрелки с левой стороны айсберга, или до­стигнет состояния равновесия, сравнявшись по плотности с окружа­ющей морской водой где-то на промежуточной глубине, как пока­зано справа на рисунке,— зависит от двух факторов: 1) от страти­фикации плотности в данном месте океана и 2) интенсивности тур­булентного перемешивания вблизи айсберга. Чем сильнее турбу­лентность, тем быстрее талая вода смешивается с морской водой и тем больше вероятность того, что она начнет удаляться от айсбер­га на некоторой глубине, так и не достигнув поверхности. В любом случае тающий айсберг представляет собой настоящий насос, кача­ющий с глубины богатые питательными веществами воды. Каж­дый год от Антарктиды отправляются в плавание айсберги, общий вес которых превышает миллион миллионов тонн.

Вертикальное перемешивание в полярных районах океанов, обусловленное наличием сил плавучести

(б) Что происходит с солью, которая выделяется при замерзании морской волы? В новом льде соль концентрируется в виде отдель­ных включений рассола; рассол имеет такую высокую соленость (более 100-200‰), что не замерзает. В конце концов он «прокла­дывает» себе дорогу вниз через лед, попадая в лежащий подо льдом слой волы. Постепенно вода подо льдом становится на­столько тяжелой, что начинает погружаться, перенося соль в глу­бокие слои океана.

  Явление, противоположное таянию льда, — замерзание воды. Морской лед, только что образовавшийся в океане с соленостью 35‰, удерживает внутри себя всего 5‰ солей. Остальные 30‰ выделяются как концентрированный рас­сол. На рисунке 10.1,б показано, как этот рассол перемешива­ется с водой, находящейся подо льдом. Когда вода погло­тит некоторое критическое количество солей, она может стать столь плотной, что опустится в более глубокие слои. Именно так образуется Антарктическая придонная вода.