2.3. Вертикальная структура ветровых течений на стадии возникновения и развития

Рассмотренная выше классификация траекторий движения частиц дает основание заключить, что при возникновении ветрового течения и ветровых волн под действием касательных направлений ветра в верхнем слое любого водоема частицы должны одновременно участвовать в двух основных видах движений — совершать волновые колебания и перемещаться по направлению возникшего течения. В действительности так и происходит, но только в наиболее простых условиях. Чаще всего частицы одновременно участвуют также в вихревом вращательном движении. Рассмотрим это на примере развития ветрового течения.

(кликните для просмотра скана)

В первые моменты действия воздушного потока, когда поверхность воды сохраняется гладкой, в движение приходит лишь гонкий поверхностный слой, составляющий несколько миллиметров. Лабораторные эксперименты убедительно показывают, что на границе пришедшего в движение слоя жидкости и неподвижной толщи воды нет (не видно ни визуально, ни на кадрах стационарной киносъемки) каких-либо вихорьков, но отчетливо выражены вращения относительно своих центров визуализирующих поток твердых частиц. В последующие моменты, когда на поверхности воды возникают ветровая рябь и мелкие ветровые волны, наряду с интенсивным переносом воды в поверхностном слое по направлению ветра, в глубинных слоях возникает слабый компенсационный перенос, направленный навстречу ветру. В таких условиях на границе раздела прямого и компенсационного потоков появляются мелкие вихри преимущественно круговых и эллиптических очертаний с горизонтальной осью вращения (рис. 2.4 а). Поперечные размеры вихрей и продолжительность существования каждого из них увеличиваются по мере увеличения продолжительности действия ветра и нарастания волнения.

Когда нижняя граница дрейфового течения опускается примерно до горизонта поперечные размеры наиболее крупных вихрей достигают примерно половины глубины потока а продолжительность их существования на экспериментальной установке с глубиной составляет в среднем 2—5 с.

При дальнейшем увеличении продолжительности действия ветра нижняя граница дрейфового течения продолжает заглубляться, а поперечные размеры вихревых образований увеличиваются и наибольшие из них охватывают всю толщу воды (рис. 2.4 6, в). Некоторые из вихрей могут существовать при указанной глубине потока до 10—20 с. Между крупными вихревыми образованиями практически всегда возникают более мелкие вихри, поперечные размеры и продолжительность существования которых примерно на порядок меньше, чем крупных вихрей. Большинство мелких вихрей приурочено к придонному слою.

С момента охвата потоком прямого направления всей толщи воды некоторые завихрения небольших размеров обнаруживаются лишь в отдельных местах придонного слоя. В основной толще потока на одних кадрах стационарной киносъемки при этом видны плавно восходящие, а на других — нисходящие траектории частиц (рис. 2.4г). Судя по наклону траекторий к линии дна и скорости потока, их продольные размеры в несколько раз превышают глубину потока, а наибольшие поперечные размеры равны последней.

Эти данные дают основание полагать, что в однонаправленном

ветровом течении, находящемся в квазиустановившемся состоянии, структурные образования с горизонтальной осью вращения близки к размерам структурных образований в эксперимеитальном русловом потоке, т. е. что их поперечные оси достигают глубины потока а продольные — [81].

Рис. 2.5 (см. скан) Изменение траекторий частиц и общего вида вихревых образований (с горизонтальными осями вращения) в процессе развития разнонаправленного по глубине ветрового течения на экспериментальной установке. Время от начала появления ветра и волн: о —5 с. 6—10 с, в — 15 с, г - 22 с.

Однако для получения более надежных представлений о вихревой структуре такого потока необходимо проведение скользящей киносъемки, подобной

той, которую применял А. Б. Клавен [81, 82] при экспериментальных исследованиях руслового потока.

В дрейфовом течении, охватывающем всю глубину, наряду с вихрями с горизонтальной осью, возникают вихри с вертикальной либо наклонной осью вращения. Значительно более сложную структуру приобретают ветровые течения, которые при своем развитии формируют разнонаправленный по глубине перенос — по ветру в верхнем слое и во встречном направлении в придонном и глубинном слоях. !

Вихревые образования в разнонаправленном по глубине течении чаще всего приурочены к границе раздела потоков, которая в вертикальной плоскости даже в период развития течения имеет вид извилистой линии, а в пространстве — вид сложной взволнованной поверхности.

При возникновении наиболее крупных вихревых образований с горизонтальной осью вращения граница раздела потоков в условиях развития может опускаться примерно до горизонта а в некоторых случаях даже до горизонта от поверхности, воды (рис. 2.5). В моменты, когда касательные напряжения ветра на водной поверхности и скорости дрейфового течения уменьшаются, граница потоков обычно смещается к поверхности.

В разнонаправленном ветровом течении чаще, чем в однонаправленном, возникают вихревые образования с вертикальной или наклонной осью вращения. Более отчетливо они выражены и чаще возникают в зоне действия компенсационного потока. Наиболее крупные из вихревых образований с вертикальной осью вращения пронизывают всю толщу зоны действия компенсационного течения (рис. 2.5) и даже частично проникают в зону действия дрейфового течения.