Атмосферная тепловая машина
Откуда ветер дует – такая и погода. А откуда он дует? Ну, например, морской бриз днем дует на сушу, а ночью наоборот. Еще есть общая циркуляция атмосферы, пассаты дуют с востока на запад, в средних широтах преобладает западный перенос, в высоких широтах откуда-то берется снова восточный перенос. Даже такие общеизвестные вещи ученые объясняют по-разному, дальше и того хуже, все остальное скрыто в тумане. Как работает двигатель внутреннего сгорания, вам объяснит почти любой школьник, а вот как работает атмосферная тепловая машина Земли, не сможет объяснить даже академик. Сомневаетесь? Тогда элементарная информация:
Момент импульса ветров всей атмосферы с декабря по май меняется мало, в мае начинает резко убывать, минимум проходит в начале августа, а затем снова до декабря возрастает [1].
Почему? Никто вам на этот вопрос не ответит, переройте весь Интернет, всю научную литературу, ответа нет. Наша человеческая наука открыла черные дыры в далеком космосе, заглянула в глубины атома, а вот на такие казалось бы элементарные вопросы, ответить не может. Разве это порядок? Такое дальше продолжаться не может, кто-то же должен, в конце концов, рассказать, как работает атмосферная тепловая машина. Эта статья берет на себя смелость ответить на поставленный вопрос, хватит с погодой играть в темную, мы должны наконец-то научиться прогнозировать, какой будет предстоящая зима, каким будет лето, и многое чего другого.
Начнем изучение работы атмосферной тепловой машины с элементарного примера. Кто из нас не мылся в деревенской русской бане, где стоит простейшая печь – каменка. Плеснул духу, аж дверь в предбанник открывает. А кто ее открывает? Здесь ученые ответят – открывает избыточное давление. Значит тепло и вода при соединении дают избыточное давление, потому что образуется пар, он занимает определенный объем, окружающий воздух должен сжаться, чтобы обеспечить место пару. Пока все элементарно. Так вообразим себе Земной шар, весь покрытый водой (океаном), над океаном встает солнце, начинает нагревать в дневном полушарии океан, образуется пар, давление под солнцем начинает расти (как в бане). Там, где солнце в зените, испарений больше всего, там самое высокое давление. В любую сторону от этой точки пару образуется меньше, угол падения лучей уменьшается, значит и давление ниже, чем в точке зенита. Теперь повернем Земной шар на какой-то угол, как, в общем-то, и происходит в натуре, точка зенита сместится с востока на запад, и максимальное давление сместится с востока на запад, вслед за солнцем. На западе, по мере продвижения, солнце подключает все свежие и свежие области (остывшие за ночь), на востоке, еще ранее нагретые не успели остыть. За счет этого градиент давления от точки зенита круче падает на запад, чем на восток, на запад устремится более мощный поток воздуха (чем круче градиент давления, тем сильнее поток воздуха). Таким образом мы установили, что над океаном ежедневно солнечная тепловая машина создает восточный перенос воздуха (с востока на запад), и это изо дня в день. В тропической зоне восточный перенос сильнее, чем в средних широтах, там пару образуется больше. Высоких широт коснемся позже. Помимо того, что создается восточный перенос, воздух, вместе с образованными порциями пара поднимается в верхние слои атмосферы, опять же в зените, где пару образуется больше и подъем воздуха мощнее, он достигает более значимых высот. При этом поднимающийся воздух тоже испытывает и восточный перенос, картина давления, что у поверхности, что на высоте, одна и та же, отличается только по величине. Воздух не может подниматься до бесконечности, достиг определенной высоты, на восток еще перемещается, а выше подняться уже не может. Сила Кориолиса, движущийся на восток воздух начинает закручивать в Северном полушарии по часовой стрелке, в Южном против. Воздух, содержащий влагу, тяжелее сухого, он с зенита съезжает, как санки с горы, Кориолисово ускорение, будет закручивать воздух до тех пор, пока он опускается, как правило за это время воздушный поток разворачивается с запада на восток. Так в средних широтах образуется западный перенос, потому что, опустившийся с горы воздух имеет большие скорости, чем, создаваемый в средних широтах восточный перенос. Когда солнце движется по экватору, это весной или осенью, атмосферная тепловая машина работает хуже (по этому фактору), чем на тропике, на тропике крутизна Земного шара больше чем на экваторе, а значит и Кориолисово ускорение больше. Этим объясняется существование на экваторе зоны затишья, там восточный перенос слабее, чем на тропиках. Пока мы разбирались с работой атмосферной тепловой машины на Земле, сплошь покрытой океаном. Но ведь на Земном шаре, помимо океана, есть еще и суша. Тогда другая крайность, как поведет себя атмосферная тепловая машина на сухом Земном шаре (океан мысленно отсутствует). Суша будет нагреваться быстрее, у нее теплоемкость ниже, чем у воды. Но зато у суши в противовес отражающая способность выше, одно другое примерно уравновесит, но над сушей почти нет испарений, мизерные не в счет, дополнительные молекулы не образуются, это резко ослабляет работу тепловой машины. Вспомните пример с баней и попробуйте открыть дверь одним только нагреванием (не поддавайте пару), у вас ничего не получится. Кто еще в чем-то сомневается, вспомните, что дневной бриз дует с океана на сушу, значит, над океаном атмосферная тепловая машина работает лучше, там давление выше. И так над сушей атмосферная тепловая машина, при отсутствии интенсивных испарений, работает значительно слабее, чем над океаном.
Вспомним теперь годовой ход момента импульса ветров всей атмосферы [1], который как раз и характеризуется эффективностью работы воздушной тепловой машины. Чем лучше работает машина, тем сильнее восточный перенос в тропической зоне, но и западный перенос при этом резко возрастает, тепловая машина производит работу, поднимает влажный воздух против земных сил притяжения на высоту, этот воздух затем съезжает с «горы», разгоняя западный перенос, при чем западный перенос во много раз мощнее восточного. Поэтому работу атмосферной тепловой машины характеризует по большому счету именно западный перенос, растет западный перенос, растет положительный импульс ветров всей атмосферы. Теперь стало ясно, почему момент импульса атмосферы имеет максимум в декабре. Тогда солнце ходит над южным тропиком, где океаническая поверхность преобладает над сушей, да еще и Кориолисово ускорение максимально. Хотя с сушей не все однозначно, на южном тропике солнце движется через Австралию, помимо прочих континентов, и получает дополнительное сопротивление, ухудшающее работу машины. Но это маленькое ухудшение компенсирует хорошее Кориолисово ускорение. По мере продвижения на север, протяженность Австралийской траектории уменьшается, но и кривизна Земного шара падает, это почти уравновешивает друг друга, момент импульса атмосферы чуть-чуть снижается. Достигает маленького минимума в феврале. Казалось бы минимум должен быть в марте, когда солнце на экваторе, и кривизна Земного шара минимальная, но, скорее всего в феврале пассаты сильно с параллели отклоняет Австралия (бриз дует на сушу, в данном случае на юг), это и слабо снижает весь момент импульса атмосферы. Пока речь шла о еле заметных колебаниях импульса атмосферы, но вот солнце переходит в Северное полушарие, на его пути все значимей и значимей встает ширина Африканского континента. Это вначале с океана на сушу бриз гонит сильно воздушный поток, по мере углубления на континент, атмосферная тепловая машина «начинает буксовать», нет испарений, момент импульса ветров начинает сильно падать. Но почему это заметно становится в мае, а не в марте или апреле? Во-первых, именно в мае траектория солнца начинает преодолевать резко возросшую ширину Африканского континента. Во-вторых, был определенный запас инерции, пока он не истратился, тепловая машина Африку худо-бедно преодолевала, потом сникла. Добавьте сюда еще то, что почти вся северная половина тепловой машины побежала по суше через всю Евразию. Пусть в Юго-Восточной Азии не так засушливо, как в Африке, там определенные испарения работу машины поддерживают, но все равно, это уже не океан, да и не везде там влага. Вот и падает момент импульса ветров, круто падает, с мая по август. Но ведь солнце разворачивается на северном тропике не в августе, а в конце июня. Почему машина моментально на этот разворот не реагирует? А вы паровоз моментально разгоните! А атмосфера всея Земли, это не паровоз, это махина покруче будет, вот и «катится» она по инерции все медленнее и медленнее, вплоть до начала августа. Среднемесячные осадки тоже максимальны в августе на ЕТР, по той же причине, инертности процессов. С августа по декабрь момент импульса ветров возрастает, как и должно быть по нашей теории. Теперь мы можем грамотно ответить и на вопрос, почему момент импульса ветров в Северном полушарии меньше, чем в Южном, все опять же связано с соотношением суша-океан. И почему этот момент импульса в Северном полушарии колеблется в более широких пределах, чем в Южном. И вообще, теперь мы можем грамотно строить долгосрочные прогнозы погоды, все видно как на ладони.
Читатель скажет, здесь описана постоянная часть работы атмосферной тепловой машины, все это происходит из года в год без существенных изменений, а по погоде ведь год на год не приходится. Почему? Когда описана условно постоянная часть, можно поговорить и о переменной. Обратите внимание, в литературе приводятся данные, что КПД атмосферной тепловой машины находится на уровне 0,1%, то есть рекордно низкий. При таких условиях, любые изменения, даже самые маленькие, приводят к сильному колебанию КПД, следовательно, и к существенным изменениям в работе самой тепловой машины. Таких изменений можно назвать достаточно много, мы же пока выделим только главные – это гравитационные приливы. Известно, что Луна тормозит вращение Земли, в первую очередь тормозится атмосфера, а это хоть в какой-то степени усиливает восточный перенос в атмосфере. И здесь не столько важно, какую это дает добавку к восточному переносу, создаваемому самой тепловой машиной, а важно, как это влияет на КПД тепловой машины. То есть, влияя на КПД, приливные силы многократно усиливают или ослабляют свое влияние на саму работу машины. В настоящее время уже собран достаточно серьезный статистический материал, который подтверждает значимое влияние приливных сил на погоду, а следовательно и на работу атмосферной тепловой машины. Такая статистика приводится в работе «Периодическая таблица Эль-Ниньо», «Ураганы Североамериканского континента», в книгах «Эль-Ниньо – ключ к климату», «Закон петербургских наводнений», «Тучи над Петербургом», а также в работах доктора физико-математических наук Н.С.Сидоренкова. Дальнейшее развитие этой темы будет дано в последующих работах. В этой же изложена только основная суть работы атмосферной тепловой машины, построен эдакий теоретический «цикл Карно». Но этот теоретический цикл прошел уже самопроверку, тем что он один к одному наложился на практический цикл, на годовой график момента импульса атмосферы.
Первоисточники
1. Сидоренков Н.С., К.Бизуар, Л.В.Зотов, Д.Салстейн «Момент импульса атмосферы», журнал «Природа» №4
2. Владимир Ерашов «Эль-Ниньо – ключ к климату», Кингисепп, 2007г.
3. Владимир Ерашов «Закон петербургских наводнений», Кингисепп, 2006г.
4. Владимир Ерашов «Тучи над Петербургом», Кингисепп, 2008г.
18.10.2014г.