Кіріспе

Сұйықтағы күш тепе-теңдігі қабаты – бұл қысым градиенті күші, Кориолис күші және турбуленттік кедергінің арасындағы күш тепе-теңдігі болатын сұйық қабаты. Оны алғаш рет Вагн Валфрид Экман сипаттаған. Экман қабаттары атмосферада да, мұхиттарда да кездеседі. Экман қабаттарының екі түрі бар. Бірінші түрі мұхит бетінде пайда болады және мұхит бетінде кедергі күші ретінде әрекет ететін желдің әсерінен туындайды. Екінші түрі атмосфера мен мұхиттың түбінде кездеседі, онда үйкеліс күштері дөңгелек емес беттердегі ағынмен байланысты.

Тарих

Экман теориясын Фридтжоф Нансен Арктика экспедициясы кезінде «Фрам» кемесінде болғанда, басым жел бағытынан оңға қарай 20°–40° бұрышпен мұздың қозғалатынын байқағаннан кейін жасады. Нансен әріптесі Вильгельм Бьеркнеске осы мәселені зерттеу үшін студенттерінің біреуін тағайындауды сұрады. Бьеркнес Экманды таңдады, ол 1902 жылы докторлық диссертациясы ретінде өз нәтижелерін ұсынды.

Математикалық тұжырымдамасы

Экман қабатының математикалық тұжырымы бейтарап қабатталған сұйықтықты қарастырудан басталады, онда қысым градиенті, Кориолис күші және турбуленттік кедергі күштерінің арасындағы тепе-теңдік сақталады. Мұндағы және - тиісінше, және бағыттарындағы жылдамдықтар, - жергілікті Кориолис параметрі, ал - диффузиялық бұршақтандыру тұтқырлығы, оны араласу ұзындығы теориясы арқылы есептеуге болады. Бұл өзгертілген қысым екенін ескеріңіз: қысымның гидростатикалық бөлігін қосқанбыз, гравитацияны ескере отырып. Экман қабатының теориялық тұрғыдан пайда болуы мүмкін көптеген аймақтар бар; оларға атмосфераның төменгі жағы, Жер және мұхит бетіне жақын, мұхиттың төменгі жағы, теңіз түбіне жақын, сондай-ақ мұхиттың үстіңгі жағы, ауа-су шекарасына жақын кіретін жерлер жатады. Әрбір жағдайға сәйкес шекаралық шарттар әртүрлі болады. Осы жағдайлардың әрқайсысы нәтижедегі қалыпты дифференциалдық теңдеулер жүйесіне қолданылатын шекаралық шарттар арқылы ескеріледі. Жоғарғы және төменгі шекаралық қабаттардың жеке жағдайлары төменде көрсетілген.

Зертханалық көрсетілімдер

Төменгі Экман қабатын айналмалы цилиндр пішіндес су ыдысында бояу тамызып, айналу жылдамдығын сәл өзгерту арқылы оңай байқауға болады. Айналмалы ыдыстарда жер бетіндегі Экман қабаттарын да байқау мүмкін.

Атмосферада

Атмосферада Экман шешімі көлденең жел өрісінің күшін көбінесе артық көрсетеді, себебі ол беттік қабаттағы жылдамдық градиентін ескермейді. Планеталық шекаралық қабатты беттік қабатқа және Экман қабатына бөлу, әдетте, дәлірек нәтижелер береді.

Теңізде

Экман қабаты, оның ерекше белгісі Экман спиралі, мұхитта көбінесе кездеспейді. Мұхит бетіне жақын Экман қабаты шамамен 10–20 метрге дейін ғана жетеді.

Аспаптар

Экман қабатын бақылау берік беттік бекіткіштер мен сезімтал ағым өлшегіштер дамығаннан кейін ғана мүмкін болды. Экман өзі атымен аталатын спиральды бақылау үшін ағым өлшегіш құрал жасады, бірақ нәтижеге қол жеткізе алмады. Векторлық өлшегіш ағым өлшегіш және акустикалық доплерлік ағым профильдегіші ағымды өлшеу үшін қолданылады.