Связь приливных волн и океанических течений
Мы уже рассматривали вопрос о влиянии приливных волн на течения в океане в работе [7]. Где доказали существование такого влияния. Но это как оказалось всего лишь частный случай. В этой работе мы хотим снова вернуться к этому вопросу, но рассмотреть совершенно другой механизм влияния не охваченный первой работой. Для чего затронем теорию самого колебательного процесса.
Маятниковые волны
Вначале о маятниковых колебаниях. Теория таковых разработана на все случаи жизни и вряд ли нам удастся добавить что-то новое. Сразу оговоримся, а мы и не будем пытаться это сделать. Просто рассмотрим один частный случай: физическое тело под действием собственного веса колеблется (скользит туда сюда) около положения равновесия по внутренней дуговой поверхности (см. Рис1), иначе говоря по желобу.
Колебания данного тела будут описываться законами физического маятника. Мы не будем рассматривать эти законы, они есть в любом учебнике физики. Нас интересует другой момент: а можно ли абстрактное физическое тело заменить жидким. А почему бы и нет, нужно только начальный импульс приложить ко всем частицам жидкости одновременно с одинаковой силой и в одном направлении, например, качнуть дуговую поверхность. Да, чтобы жидкость не разлилась, мы должны были спереди и сзади желобу нарастить борта. В жизни каждый человек такие колебания видел многократно, когда нес тарелку с борщом, ведра с водой, чашку с чаем и так далее и тому подобное. Читатель может воскликнуть: “Да, конечно, но какая же здесь наука, все просто и обыденно”. Вот и ученые так посчитали, и никто такой обыденщиной не стал заниматься. А, оказывается, даже в таких простых вещах есть много интересного и для ученого. Когда колеблется жидкость это уже волна, а рассмотренный нами случай не подпадает ни под поперечные ни под продольные волны. Вот и получается, в жизни такие волны есть, напомним, возмущающая сила действует на все частицы жидкости одновременно, однонаправлено и с одинаковой силой, а в науке их нет. По этой причине нам пришлось ввести понятие маятниковые волны.
Маятниковые волны – это колебания жидкости в ограниченном поверхностью объеме под действием возмущающей силы, действующей на все частицы жидкости одновременно, однонаправлено и с одинаковой силой.
Чем же примечательны такие волны? А тем, что данные колебательные движения жидкости очень легко превращаются в поступательное движение, они как бы и состоят из поступательного движения жидкости, только переменного направления. Вот еще один пример маятниковых волн. Нальем в шланг жидкости (желательно для наглядности в прозрачный), концы шланга поднимем вверх, чтобы жидкость не вытекла, поддернем один конец шланга резко вверх, жидкость начнет колебаться. Вот вам и маятниковые волны. Если бы взять шланг очень длинный и большого диаметра, налить в него воды, и несколько суток понаблюдать за ним, то мы в этом шланге должны обнаружить маятниковые волны, вызванные притяжением Луны и вращением Земли, как говорят вызванные приливными силами. Что это так, убедимся, рассмотрев схему (Рис2).
На схеме показан шланг с водой и направление действия силы притяжения Луны во время восхода из-за горизонта. Если пренебречь длинной самого шланга, которая бесконечно мала по сравнению с расстоянием до Луны, сила притяжения Луны действует на все молекулы воды одинаково. Вода под действием силы притяжения сдвинется навстречу к Луне, уровень в близлежащей к Луне ветви шланга поднимется, а в отдаленной опустится. Мы получили прилив в одной ветви шланга, и отлив в другой. Обратите внимание прилив и отлив происходят одновременно, объем жидкости меняться не может, жидкость несжимаемая. По мере того как Луна поднимается над горизонтом, проекция горизонтальной составляющей силы притяжения уменьшается, а вертикальная растет. Но вертикальная составляющая даже в верхней точке гораздо меньше силы притяжения Земли, поднять воду она не может. И если считать удаленность концов шланга от Луны практически одинаковой, то вертикальная составляющая на движение воды в шланге существенно не влияет. В момент захода Луны за горизонт, горизонтальная составляющая силы притяжения Луны опять достигает максимального значения, но в обратном направлении. Под действием этой силы вода в шланге качнется в обратную сторону, прилив и отлив поменяются местами. Чтобы более точно определить движение воды в шланге мы должны будем еще высчитать частоту собственных колебаний водяного маятника. Теоретически может возникнуть три ситуации:
Далее отметим, чем длиннее шланг, тем частота собственных колебаний водяного маятника меньше, а размах колебаний больше, это связано с увеличением массы воды, а следовательно ее кинетической энергии, при той же скорости. Эта энергия переходит в потенциальную энергию, которая будет определяться разностью уровней воды в ветвях шланга. Трением пока пренебрегаем.
Рассмотрим процесс колебания маятниковой волны, приняв условие, что в момент восхода Луны вода в шланге находилась в состоянии покоя. Далее под действием силы притяжения Луны уровень в восточной ветви шланга начнет расти, а в западной падать. В какой момент времени рост уровня в восточной шланга части прекратиться, сказать точно нельзя, все зависит от параметров шланга. Можно точно сказать, что при нахождении Луны в зените, суммарная энергия волны-маятника будет больше нуля, следовательно, при переходе в западную ветвь волна увеличит размах уровней, иначе говоря, западная приливная волна мощнее восточной. Далее Луна уходит за горизонт, и когда снова восходит, маятник повторит колебания, но уже не с нуля. Но у нас есть все основания утверждать, что западная приливная волна так и останется мощнее восточной, хотя бы потому, что, двигаясь с запада на восток за горизонтом, Луна на целый земной диаметр дальше от волны-маятника. Следовательно, сила ее притяжения в эти пол оборота будет слабее, чем в пол оборота от восхода до заката. Еще нужно учитывать, что вертикальная составляющая лунного притяжения восточную часть прилива приподнимает после максимума горизонтальной силы, а западную вдавливает, способствуя ее растеканию.
На Рис.4 шланг вообще преобразован в открытую емкость или океан и мы утверждаем, что приливные колебания в океане под действием силы притяжения Луны, если отбросить эффекты второго порядка малости, походят на колебания воды в ведре под действием периодической горизонтальной силы. Сделать такое утверждение нам позволяют законы гидродинамики, которые от размеров емкости не зависят.
На рисунке видно, как маятниковая волна в какой-то точке пересекает линию горизонта. Т.е. при маятниковых колебаниях волны, должна быть точка, где уровень ее не меняется. Такие точки в реальном океане давно известны и называются они амфидромическими. Но до нас никто не объяснил их причину появления. Сделаем оговорку, кроме маятниковых колебаний в реальных приливах в той или иной степени присутствует и поперечная волна, но присутствие маятниковых колебаний значительно весомей.
Рассмотрим случай, если маятниковой волне встречается препятствие, расположенное под углом к вектору скорости (см. Рис.4.). Имеется в виду, что наблюдатель находится сверху над волной, т.е. поверхность океана лежит в плоскости листа. Наклонный берег отразит маятниковую волну в сторону. Преобразование кинетической энергии в потенциальную энергию не произойдет, или произойдет в очень малой степени. Представьте себе, что мы струю воды направили в стену, не перпендикулярно поверхности стены, а под углом. Нечто подобное произойдет и с маятниковой волной, потому что маятниковая волна – это и есть струя воды. Можно сказать, что маятниковая волна превратилась в течение.
Если быть более точным, то какая-то часть маятниковой волны превратится в поперечную волну, но эта часть относительно небольшая. Таким образом, мы с вами пришли к заключению, что океанические течения – это результат деятельности приливных сил, которые через маятниковые волны течения создают.
Подведем краткий итог всему выше изложенному. В природе помимо продольных и поперечных жидкостных волн существуют маятниковые волны. Эти волны легко превращаются в течения. На поверхности водоема (и океана в том числе) всегда есть точка или область где при колебании маятниковых волн уровень не меняется.
Приливные течения
Если маятниковая волна приходит не перпендикулярно берегу, а под острым углом, она создаст течение ( как теннисная ракетка, в какую сторону ее повернешь, в ту и полетит шарик). Вот почему приливы создают течения вдоль побережья океанов, берег отражает набежавшую волну в ту же сторону, куда имеет наклон и сам. Очень большой и продолжительный наклон имеет восточное побережье Южной Америки по обе стороны от экватора, наклон повернут к Северному полушарию, туда и текут теплые воды, которые, в конечном счете, обогревают Западную Европу. Приливные волны Атлантического океана у берегов Канады создают Лабрадорское течение, направленное на юг. Приливы Индийского океана у берегов Сомали создает южное течение, но летом, когда дуют сильные пассаты и муссон, они пересиливает приливное течение и поворачивает его на север. Этот список можно продолжить, но мы дальше подробно остановимся только на течении у берегов Перу.
Зарождение Эль-Ниньо
Перуанский берег повернут на юг, следовательно, маятниковая волна будет создавать южное прибрежное течение, которое направлено против течения Гумбольдта. Наибольшую силу оно должно иметь, когда траектория орбиты Солнца проходит у линии берега максимально повернутого на юг. Это поздней осенью и ранней весной. За счет инертности океана, как показывает статистика, маятниковое течение набирает силу к концу декабря. Маятниковое течение отжимает течение Гумбольдта от Перуанского побережья. Что, в конечном счете, отжимает холодное течение Гумбольдта и от экватора. На экваторе зона затишья расширяется, Южное и Северное пассатные течения удаляются друг от друга. Тропическое солнце нагревает зону застоя, что часто приводит к явлению Эль-Ниньо. Эль-Ниньо – это когда по ряду совокупных факторов нагрев экваториальных вод превышает среднюю многолетнюю температуру поверхности океана а этом районе на несколько градусов. Подробнее механизм нагрева экваториальных вод рассмотрен доктором географических наук Бондаренко А.Л. в работе [6]. Можно ли прогнозировать Эль-Ниньо? Да можно. Одно Солнце сильного маятникового течения создать не может, ему в этом деле помогает Луна. Как проходит траектория Луны в том или ином месяце, особенно в октябре ноябре, в какой период года перигей совпадает с новолунием или полнолунием, это все отражается на величине маятникового течения. Как показала статистика, на Эль-Ниньо сильно влияет также биение полюсов Земли. Биение полюсов создает раскачивание вод океана, когда раскачка и маятниковое течение совпадают по фазе и направлению течение Гумбольдта сильнее отжимается от Перуанского побережья, а следовательно вероятность возникновения Эль-Ниньо повышается. На возникновение Эль-Ниньо влияет также разность уровней западной и восточной части Тихого океана. Чем выше уровень в западной части океана и ниже в восточной части, тем выше вероятность зарождения Эль-Ниньо. Казалось бы невероятный факт, на фазу Эль-Ниньо влияет Индийский океан. Но если присмотреться, то ничего в этом невероятного нет, все дело в том, что на востоке у широты экватора Индийский океан имеет форму раструба. Маятниковые волны восточного направления концентрируются этим раструбом на узком участке, в том месте где Индийский океан соединяется с Тихим океаном. Получается огромный гидродинамический насос, Который нагнетает теплые поверхностные воды Индийского океана в Тихий океан. Причем есть два основных варианта событий.
Какой из вариантов преобладает в какой-то момент времени, зависит в основном от приливообразующих сил. Если уровень Тихого океана ниже у берегов Австралии воды направляются туда, если уровень Тихого океана ниже на севере от Австралии, у острова Калимантан, воды устремляются на север. Не вдаваясь в глубокие тонкости, отметим только, когда воды Индийского океана устремляются в Тихий океан по первому варианту, они подпирают Южное пассатное течение, а то в свою очередь поджимает течение Гумбольдта к экватору и способствует развитию фазы Эль-Нинья. Вот этим и объясняется наличие связи между атмосферным давлением у порта Дарвин и у побережья Перу (Южные атмосферные качели). Если воды Индийского океана устремляются в Тихий океан по второму варианту, то это способствует развитию фазы Эль-Ниньо.
Вот такое оно сложное это явление Эль-Ниньо – Ла-Нинья, почему долго и не удавалось ученым его расшифровать. И только после открытия маятниковых волн картина значительно прояснилась. Теперь это явление больше не будет считаться непредсказуемым.
30.01.2011г.
Литература. (Выписка из книги)
2. Проблемы окружающей среды и природных ресурсов: Обзорная информация. - М., 2005. - № 5. - С. 57-76,
3. А.Гордон, Р.Форд. Спутник химика. Издательство “Мир”, М, 1976.
4. К.Э.Циолковский Второе начало термодинамики. Калуга типография С.А.Семенова, 1914.
5. К.Э.Циолковский. Второе начало термодинамики. || ЖРФМ. 1991 №1, с.23-39.
6. А.Л.Бондаренко. Эль-Ниньо – Ла-Нинья: механизмы формирования// Природа. №5. 2006. С. 39 – 47. Сайт
randewy.ru7. В.М.Ерашов. Закон петербургских наводнений. Кингисепп, 2007. Сайт
randewy.ru8. В.М.Ерашов. Без оглядки на авторитеты. Кингисепп, 1996.
9. В.Г.Демин. Судьба Солнечной системы. “Наука”, М, 1969.
10. А.Н.Матвеев. Механика и теория относительности. “Высшая школа”, М, 1976.