Основы динамики океана и атмосферы: oбщее и различия
В динамике океана и атмосферы много общего, но есть и некоторые различия. По моим исследованиям основные движения вод океана формируются океаническими солитонами, они же формируют некоторые динамические явления, процессы в атмосфере. В атмосфере также, как и в океане существуют атмосферные солитоны, как нам представляется, в основном они формируют динамику атмосферы.
Согласно исследованиям [Бондаренко, ] в структуре течений абсолютно доминируют длинноволновые процессы (волны Россби, континентальные шельфовые и др.) или процессы, ими сформированные, но не градиентные и ветровые течения, как общепринято. Точнее, крупномасштабные течения это не что иное, как волны Россби Мирового океана. Показано, что горизонтальные составляющие орбитальных движений частиц воды волн формируют крупномасштабные течения и противотечения (поверхностные и глубинные) океанов и морей, а вертикальные – обмен вод в вертикальном направлении, соответственно такие явления, как апвеллинг – даунвеллинг, Эль-Ниньо - Ла-Ниньа, атмосферные вихри (циклоны, торнадо и др.), ветры и др. Исследования также показывают, что тепловое взаимодействие океана с атмосферой осуществляется в основном вертикальными движениями воды долгопериодных волн и, таким образом, они активно участвуют в формировании погоды и климата Земли.
Вот схема течений Северного полушария Атлантического океана [] (рис. ). В дальнейшем она нам понадобится.
Рис. 1. Векторы средних по ансамблю дрифтерных наблюдений течений Северного полушария Атлантического океана.
Течения: 1 – Гольфстрим, 2 – Гвианское, 4 – Лабрадорское, 6 – Канарское.
Рассмотрим некоторые положения изложенной концепции динамики океана. Было установлено, что крупномасштабные течения формируются долгопериодными волнами, которые получили название волн Россби. Более детальный анализ свойств этих волн показал нам, что эти волны больше похожи на Большие уединённые волны, солитоны [5, 6, 9]. Но поскольку эти волны в океане уже названы волнами Россби, то и мы будем называть их так же, однако помня, что это солитоны. Точнее – крупномасштабные течения - это не что иное, как волны Россби Мирового океана. Покажем это на примере волн района Гольфстрима.
Как и положено солитонам, реальные волны Россби в открытом океане распространяются в западном направлении. В прибрежной зоне они распространяются вдоль берега, так что берег находится справа по отношению к направлению распространения волн.
Схематически линии токов таких волн могут быть представлены линиями токов диполей, расположенных в верхней части воды (рис. 2а, б). Волны распространяются справа налево, т.е. против течений Гольфстрима. Напомню читателям, что линии токов указывают на мгновенное направление векторов движений частиц воды волн, течений, или, что одно и то же, направление силы, создающей течения. Такое распределение линий токов похоже на линии тока солитона. Границами поля линий токов является поверхность воды и дно океана. Положение центральной части волны соответствует положению центра Гольфстрима. В центральной части волны частицы воды совершают вращательные движения в вертикальной или несколько наклонённых плоскостях (рис. 2а). Плотность линий токов у поверхности океана большая, а на глубине она меньше. Такое распределение линий токов формирует в верхнем слое Гольфстрима течение с большими скоростями, а в нижнем относительно слабое глубинное противотечение. Слева от Гольфстрима частицы воды совершают вращательные движения в горизонтальной и наклонённых плоскостях против часовой стрелки, а справа - по часовой стрелке (рис. 2б). Они формируют поверхностные противотечения. Такие движения воды названы, соответственно, циклоническими и антициклоническими. В этих вращательных движениях возникают давления на воду направленные: внутрь – в циклоническом движении и наружу – в антициклоническом. В результате этого в циклоническом движении собирается тёплая вода на поверхности океана, которая затем опускается на глубину, а в антициклоническом – на поверхность океана выходит с глубины холодная вода. Эти тёплые и холодные воды образуют на поверхности океана аномалии округлой формы, которые хорошо выделяются при измерениях температуры поверхности океана (рис. 3).
В науке популярно другое объяснение формирования этих аномалий. Они формируются океаническими вихрями, которые в районе Гольфстрима называются рингами Гольфстрима. В этом случае считается, что аномалии холодной воды вращаются циклонически, а теплой – антициклонически. Такие вращения получили название, соответственно, холодных циклонов и тёплых антициклонов. В свою очередь, эти вихри образуются в результате меандрирования (раскачивания) Гольфстрима. Мы доказываем, что всё это не так [1, 2, 3].
Рис. 2а, б. Линии токов волн Россби в Гольфстриме и его окружении. Линии токов обозначены тонкими линиями в виде эллипсов со стрелками. Прямыми толстыми и тонкими стрелками указаны направления течения Гольфстрим, глубинного и поверхностного противотечений. Вид по вертикальному сечению через средину волны в направлении её движения, т.е. через центр Гольфстрима (а) и сверху на поверхность океана (б).
Скорости течений, движений частиц воды пропорциональны плотности линий токов (рис. 1а, б). Мы видим, что плотность линий токов в Гольфстриме, т.е. в центре волны гораздо больше, чем за его (её) пределами, а отсюда и скорости течений большие. В точках 1, 2, 3, 4, расположенных между волнами скорости течений, равны нулю, а в точках I, II, Ш – максимальны. Такое распределение скоростей течений в волнах фиксируется дрифтером или стационарно установленным в потоке прибором как пульсирующее течение, аналогичное, изображённому на рис. 4. Трасса этого дрифтера изображена на рис. 5. Пульсирующий характер течений Гольфстрима указывает на то, что течение состоит из течений волн, т.е. движений частиц воды, и в нём отсутствует постоянное крупномасштабное течение. Это и объясняет тот факт, почему в Гольфстриме нет вод Мексиканского залива, а только воды Саргассова моря, поступающие справа от Гольфстрима, и склоновые, поступающие слева от Гольфстрима ( рис.1).
Такое распределение скоростей течений в волнах фиксируется дрифтером или стационарно установленным в потоке прибором как пульсирующее течение, аналогичное, изображённому на рис. 4. Трасса этого дрифтера изображена на рис. 5. Пульсирующий характер течений Гольфстрима указывает на то, что течение состоит из течений волн, т.е. движений частиц воды, и в нём отсутствует постоянное крупномасштабное течение. Это и объясняет, почему в Гольфстриме нет вод Мексиканского залива, а только воды Саргассова моря, поступающие справа от Гольфстрима, и склоновые, поступающие слева от Гольфстрима. Посмотрите на Гольфстрим (рис. 1), он выходит из Мексиканского залива, а вод залива в нём нет.
Рис. 2. Распределение температуры воды (в 0С) на поверхности океана в районе Гольфстрима 29 апреля – 2 мая 1982 г.[Каменкович и др., 1987]. Т и Х – центры тёплых (антициклонических) и холодных (циклонических) аномалий, где-то между ними проходит Гольфстрим; пунктир – изобата 1000м.
Рис. 4. Модуль скорости движения дрифтера, трасса которого изображена на предыдущем рисунке.
Гольфстрим состоит из волн или волновых течений. Как и во всяких волнах, в волнах Россби масса воды в пространстве не переносится, она перемещается по замкнутому контуру относительно некоего неподвижного центра. Создаётся только некая иллюзия переноса масс, поскольку прибор не фиксирует движения частиц воды, перемещающихся по орбитам, а только некую горизонтальную составляющую действия на дрифтер или прибор, неподвижно установленный в потоке частиц воды, движущихся по различным орбитам.
Будем считать, что так же, как и дрифтер, движутся все тела, находящиеся на поверхности воды, назовём их инородными (различные предметы, водоросли, планктон, нефть, муть и т.д.). Тогда будем считать, что волны не переносят поступательно воду, но инородные тела в зависимости от обстоятельств могут переноситься, а могут вместе с водой совершать вращательные движения по орбитам волны. Если инородные тела находятся в центре волны, в данном случае в струе Гольфстрима, то они будут перемещаться так же как дрифтер (см. рис.5). Если инородные тела находятся по краям волны, вне струи Гольфстрима, то они будут перемещаться по почти круговым орбитам и поступательно, а модуль скорости их будет пульсировать аналогично пульсациям движений дрифтера в центре волны.
Рис. 5. Трасса дрифтера, запущенного в воды Гольфстрима. Числа около точек – время движения дрифтера в сутках с момента его запуска.
В волне Россби (солитоне) могут возникнуть условия, при которых вертикальная составляющая скорости движения частиц будет равна нулю. Такое образование названо солитоном Россби [5, 8]. Приблизительно линии тока такого солитона изображены на рис. 2б. При таких условиях, соответствующих солитону Россби, вращения частиц воды и инородных тел происходят вокруг некоего неподвижного центра, “на месте”. Читатель должен помнить, что волны, как и обычно, движутся в направлении против струи Гольфстрима. В этом случае в области вращений формируются обширные температурные аномалии: холодной воды при антициклоническом вращении и тёплой при циклоническом.
Анализируя трассы дрифтеров в районе Гольфстрима мне часто удавалось обнаружить такие вращения “на месте”. Однажды удалось обнаружить около средней части Гольфстрима циклонические вращения дрифтера в течение половины года. Если период вращения равен 15 суткам, то дрифтер совершил 12 вращений “на месте”. Когда я писал эти строки, по телевизору шла передача по экологии Земли. Рассказывалось, что в том месте, где я наблюдал длительные вращения дрифтера часто образуются большие скопления плавающего на поверхности океана мусора, который, по нашему мнению, попадают вот в этот циклонический круговорот.
Размышляя над причиной жаркого лета в России и дождливого в Пакистане 2010 года, я пришел к выводу, что причиной этому являются атмосферные солитоны, в частности атмосферные солитоны Россби, которые могут существовать не только в океанах и морях, но и атмосфере. Но для опубликования работу подготовил только сейчас, не хватало понимания закономерностей формирования некоторых деталей процесса. Просматривая Интернет, обнаружил, что я не одинок в своих предположениях [4, 7]. В этих статьях высказывались только предположения, что жаркое лето в России и дождливое в Пакистане обусловлено волнами солитонами или волнами Россби. Но как? Этому объяснения не дано. Я же даю такое объяснение.
Всё развивается в целом по сценарию, аналогичному изложенному ранее для океана, района Гольфстрима, но с некоторыми отличиями для атмосферы. Я исхожу из того, что в атмосфере, так же как и в океане, существуют волны солитоны [рис. 6]. Согласно теоретическим представлениям в атмосфере, они распространяются также, как и в открытом океане, в западном направлении. В атмосферных солитонах, так же как и в океанах, среда, в которой они существуют (в атмосфере это воздух, в океанах - вода), поступательно не распространяется, а совершает вращательные движения около некоего центра, “на месте”. Об этом уже говорилось. Но инородные тела обычно поступательно распространяются. Инородными телами для атмосферы являются влага в жидком и парообразном состоянии, пыль, частицы гари и др.
Точно так же, как и в Гольфстриме, в атмосфере в центре волны частицы воздуха вращаются по замкнутому контуру в вертикальной или несколько наклонённых плоскостях вокруг некоего центра. Плотность линий тока на высоте 8-10 км большая, а с понижением она уменьшается. Эта область с большой плотностью линий тока получила название струйного течения (рис.5). Кстати, океанические течения с большими скоростями также называются струйными. Справа от центра волны, от направления струйного течения воздух (частицы воздуха) вращаются антициклонически, т.е. по движению часовой стрелки, а слева – циклонически, против её движения. часовой стрелки.
Рис. 6. Схема линий токов солитона Россби в атмосфере. Линии токов обозначены тонкими линиями в виде эллипсов со стрелками.
Прямыми толстыми и тонкими стрелками указаны направления ветра в циклоне и антициклоне и струйном течении.
Динамика этих образований такова, что составляющая градиента давления в антициклонических движениях направлена от центра образования, а в циклонических – в центр. В результате внутри антициклонического образования давление воздуха высокое, а внутри циклонического – низкое. Это антициклон (АЦ) и циклон (Ц). На этот чисто волновой процесс накладываются процессы не волновой природы, происходящие, например, в атмосферных вихрях [2]. В антициклонах воздух выходит из него и за счёт этого в центре он опускается, влажность воздуха уменьшается, давление увеличивается, в циклонах всё происходит в обратной последовательности: воздух входит и в центре поднимается вверх, влажность воздуха увеличивается, происходит конденсация влаги и выпадение дождей, что приводит к резкому падению давления и усилению циклонической активности, влага, в этих остановившихся циклонах, накапливается.
Обычно циклоны и антициклоны движутся, перемещаются в пространстве. Перемещаются также и инородные тела за счёт чисто волновых движений и за счёт неволновых процессов. Воздух же перемещается в пространстве только за счёт неволновых процессов, например, как движущийся вихрь. Всё это развивается в обычных солитонах.
При определённых условиях, солитон может превратиться в солитон Россби, что происходит при условии равенства нулю вертикальной cоставляющей скорости движения частиц воздуха. В этом случае и воздух и инородные тела будут вращаться одинаково, т.е. циклонически в циклонах и антициклонически в антициклонах и будут “стоять” на месте, но волны, как обычно распространяются в западном направлении.
Остановка циклона и антициклона их усиливает. Она способствует падению давления в циклонах, соответственно, обильному выпадению осадков, а в антициклонах – повышению давления и температуры воздуха. Вот так можно объяснить жаркое лето в России и обильное выпадение осадков в Пакистане в 2010 году . Понятно, что у них общий источник - атмосферный Солитон Россби.
Из изложенного также понятно, что динамика океана и атмосферы во многом схожа. В океане и атмосфере существуют волны солитоны. В океане они формируют движения воды, течения, например, такие, как Гольфстрим, противотечения, циклонические и атициклонические, вертикальный обмен вод и др., а в атмосфере – движения воздуха, ветер: движения воздуха в циклонах и антициклонах, струйных течениях и др.
Но, а океанические вихри? Их существование не доказано и, скорее всего, в океанах они не существуют, что показано в []. Вместе с тем источников движения воздуха в атмосфере можно назвать несколько. Помимо солитонов, это атмосферные вихри (тропические циклоны, тайфуны, торнадо и др.), создаваемые температурными аномалиями океана[], это движения воздуха в солитонах, обусловленные процессами характерными для вихрей, что мы уже обсуждали, ветры, как результат неравномерного распределения температуры воздуха, обусловленного в основном неравномерным распределением температуры воды океана. В свою очередь это распределение температуры океана формируются океаническими волнами Россби, что мы также уже обсуждали. Так что динамика атмосферы в основном сформирована атмосферными солитонами и процессами, которые являются результатом взаимодействия атмосферы с океаном, которые, в свою очередь, сформированы атмосферными солитонами.
Литература.
1.Бондаренко А.Л., Жмур В.В. Настоящее и будущее Гольфстрима// Природа. 2007. № 7. С. 29 – 37. http://vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/NATURE/07_07/GULFSTREAM.HTM
2.Бондаренко А.Л. Крупномасштабные течения и долгопериодные волны Мирового Океана. 2011г. http://lib.oceanographers.ru/component/option,com_booklibrary/task,view/id,82/catid,29/Itemid,39/
4.ГОПМАН. СОЛИТОН РОССБИ, БОЛЬШОЕ КРАСНОЕ ПЯТНО ЮПИТЕРА И АНОМАЛЬНОЕ ЛЕТО РОССИИ. ОКО ПЛАНЕТЫ. 2011. http://politiko.ua/blogpost40980
5.Ларичев В.Д., Резник Г.М. Численный эксперимент по столкновению двумерных уединённых вихрей Россби// ДАН СССР. 1982. Т. 264. № 1. с. 229-233.
6.Макеев Н. Н. Знаменитое открытие XIX века (К 175-летию открытия солитона). Вестник Пермского Университета. 2010. Вып. 2(39).
http://vestnik.psu.ru/files/articles/138_34820.p
7.Найдена связь между пожарами в России и наводнениями в Пакистане в 2010 году. http://www.inopressa.ru/article/01Sep2011.
8.Незлин М.В.. Солитоны Россби. - УФН, т.150, №1, с.3 – 60, 1986 г.
9.Makino M., Kamimyra T., Taniuti T. Dinamics of two-dimensional solitary vortices in a low-β-plasma with convective motion// J. Phys. Soc. Japan. 1981. Vol. 50. № 4. h. 980-989.