| | |
Описание волн Россби Мирового океана и показана их важная роль в формировании термогидродинамики океана и атмосферы, погоды и климата Земли.
В Мировом океане существуют мощнейшие гидродинамические образования, получившие название волн Россби. В основном они формируют движения вод океана в горизонтальном и вертикальном направлениях. Горизонтальные движения создают океанские течения, среди которых Гольфстрим, Куросио, мощные экваториальные течения. Вертикальные движения перемешивают глубинные воды с поверхностными, создавая тем самым такие явления, как апвеллинг - даунвеллинг, Эль-Ниньо – Ла-Нинья, тайфуны и т.д. Если нам известны эти явления, то, что мы знаем о волнах Россби? Уверен, что не океанологу, вряд ли даже знакомо такое понятие, как волны Россби океана. Океанолог - не специалист по волнам, ответит, что ему известны эти волны, но конкретно, ничего о них не скажет. Специалист по волнам может что-то рассказать “теоретическое” об их кинематике, но что они представляют собой в реальности, знают немногие. Если им скажешь, что океанские течения создаются в основном волнами Россби, то вряд ли они этому поверят, хотя в научной литературе есть много теоретических и экспериментальных работ, в которых рассматривается возможность генерации течений волнами.
Мы давно изучаем волны Россби, и можем сформулировать их значимость в термодинамике вод океана и атмосферы. Термодинамикой вод океана “руководят” в основном волны Россби и многое определяют в термодинамике атмосферы, погоде и климате Земли. Далее изложим нашу концепцию, взгляд на волны, расскажем как они формируют термодинамику океана и атмосферы и на примере явления Эль-Ниньо – Ла-Нинья сделаем это строго доказательно. Указанная проблема по частям рассматривалась в наших прежних работах [1-6].
Волны Россби Мирового океана. Океан можно рассматривать как сложную механическую систему, всегда стремящуюся тем или иным способом сохранить равновесное состояние. Если какая-либо сила выводит эту систему из равновесия, то процесс возвращения к исходному состоянию и в основном реализуется в виде волн. Как всякая механическая колебательная система океан обладает набором собственных колебаний. Одним из наиболее эффективных механизмов энергоснабжения океана от внешних источников является резонансный, когда собственные колебания океана совпадают с колебаниями внешних сил, возбуждающих его волновое движение. Потери энергии волнами крайне малы, что обусловлено их свойством суперпозиции, поэтому волны являются своего рода накопителями большой энергии. Обладая большой массой при малых потерях энергии, они способны сохранять неизменными во времени свои свойства, характерные для свободных волн. Мировой океан аккумулирует энергию, поступающую из атмосферы, которая реализуется в виде движений волн, в основном, Россби. В дальнейшем мы увидим, что это основной, доминирующий вид движений вод океана.
Мы часто вспоминаем высказывания известного отечественного океанолога – теоретика, специалиста по океанским течениям П.С.Линейкина. Он отмечал, что волновые движения вод океана являются наиболее устойчивым из всех видов движений. Это говорилось в конце 50-х годов, когда о волнах Россби в океане было известно очень мало.
Сравнительно недавно, в начале 60-х годов, в океанах доказательно были зарегистрированы гидродинамические образования, получившие название планетарных волн Россби. Те же самые волны в близкой берегу зоне или в замкнутых морях получили название континентальных шельфовых. Поэтому в дальнейшем для упрощения изложения содержания статьи их также будем называть волнами Россби. Что они собой представляют подробно рассмотрим немного позже, а сейчас приведём только некоторые сведения. Эти волны
имеют периоды от недели до пяти, фазовые скорости распространения - от нескольких см/c до метра, длину от 100 до 1500 км, а скорости орбитальных движений частиц воды в волне, фактически течений, от десятка см/с до 2,5 м/с. Понятно, что речь идет о волнах, существенно отличных от ветровых волн, которые мы обычно наблюдаем в море или океане. Для сравнения: ветровые волны имеют периоды порядка 10 сек, длину около - 100м, скорость распространения около 10 м/с. Они создают видимые глазом колебания поверхности воды. Волн Россби мы не видим, поскольку изменения положения поверхности воды, обусловленные волнами, меняются очень медленно и не существенно. Об их присутствии в море исследователи обычно судят по измерениям течений, вектор которых изменяется с периодом волны.
Рис. 1. Среднесуточные векторы скорости течений, измеренных в 1975-76 гг. на различных горизонтах Атлантического океана недалеко от Бермудских островов [7].
Если регистрировать течения в любой точке Мирового океана, то обязательно будут регистрироваться и течения волн Россби. Океан буквально “забит” этими волнами. На рис. 1 представлены векторные диаграммы течений, преимущественно создаваемых волнами Россби, зарегистрированными в 1975–76 гг на различных горизонтах Атлантического океана недалеко от Бермудских островов [7]. Заметны вращательные движения вектора течений с периодом, равным периоду волн Россби, приблизительно - 40 суткам. Из анализа этих измерений следует, что буквально вся огромная масса океана от поверхности до дна находится в режиме квазисинхронных движений вод волн Россби. В течениях доминируют течения волн Россби.
В настоящее время выполнено много математических и экспериментальных исследований, измерений этих волн в океанах и морях, что позволяет дать относительно полное их описание. С точки зрения математических исследований - это свободные, прогрессивные волны, их относят к градиентно–вихревым, которые обязаны своим существованием гироскопическим силам и определяются законом сохранения потенциального вихря:
 – параметр Кориолиса;  – завихренность поля скорости течения;  - глубина океана.
Однако реальные волны, получившие название волн Россби, отличны от их математической модели, предложенной С. Россби ещё в 1939 г для описания волн в атмосфере. В настоящее время многие исследователи эти реальные волны рассматривают с позиции “смешанных”, гравитационных и волн Россби, - Rossbe–gravity waves. Тем не менее, реальные волны исследователи зачастую называют просто волнами Россби. Этого принципа будем придерживаться и мы, но всегда помнить, что это не те волны, которые математически описал С. Россби. Эти реальные волны Россби имеют как сходства, так и различия с волнами, описанными математически С. Россби. Оба вида волн обладают свойством распространяться в открытом океане в западном направлении.
Наблюдаемые в определённой части океана реальные волны следует рассматривать как составную часть сплошного поля взаимосвязанных волн всего Мирового океана. Их амплитуды колебания скорости течений меняются во времени и пространстве. Где-то они большие, где-то маленькие. Установлено [2], что амплитуда колебания скорости течений волны равна скорости течения. Там, где скорости течений большие, там и волны большие. Так, например, в зоне экваториальных, западных пограничных течений их амплитуда колебаний скорости течений достигает 2,5 м/с, а в районе 300с.ш. и ю. ш. они небольшие, их средние скорости равны всего 3-5 см/с. Это зона слабых течений и ветра, в Северном полушарии она получила название конских широт.
Последовательность волн во времени и в пространстве представляет собой непрерывный ряд сформированных в модуляции (группы) малых - больших - малых и т.д. волн. Энергия от источника передаётся волновому полю всего Мирового океана малыми дозами, в течение длительного времени, в режиме “накачки”, резонансного возбуждения и теми же волнами она перераспределяется по океану. Предположительно источником возбуждения волн является атмосферная активность, флуктуации атмосферного давления или/и ветра. Некоторые исследователи предполагают, что источником поступления энергии могут быть приливные волны или приливообразующая сила. В силу того, что потери энергии в волнах крайне малы, она накапливается в них, и поэтому волны обладают большой энергией. Это тот случай, который мы рассматривали ранее, когда малыми усилиями за счёт резонансного возбуждения в течение длительного времени приводятся в волновое движение огромные массы воды океана.
Изменение амплитуд колебаний скорости течений в волнах и построение их в модуляции происходит за счёт работы некоего неизученного механизма перестройки волн, названного нами модуляционным, но не за счёт отдельных поступлений энергии от источника, которые никак не отражаются на поведении волн, ибо они малы по сравнению с энергией волнового поля Мирового океана, волны “живут” по своим законам в режиме свободных прогрессивных волн. Параметры волн и источника корреляционно независимы.
Об инерционных свойствах этих волн можно судить по величине времени их жизни, приблизительно равного десяти годам. Такое большое время жизни объясняется огромной массой воды, вовлечённой в движение и крайне малыми потерями энергии волн. Для сравнения, время жизни ветровых течений равно всего нескольким суткам. Они быстро возбуждаются и в силу больших потерь энергии также быстро прекращают своё существование.
В средних широтах открытой части Атлантического океана волны Россби имеют приблизительно такие параметры: фазовую скорость распространения ~ 5 см/с, длину волны ~ 400 км, амплитуду колебаний скорости течений ~ 10 – 15 cм/c. Характерным для этих волн является свойство всегда и везде в открытой части океана распространяться преимущественно в западном направлении. Они пересекают Атлантический океан от восточных до западных его окраин у Гольфстрима приблизительно за 2 года. Такое же самое расстояние волна цунами пробегает всего за 3-4 часа, распространяясь со скоростью приблизительно 600 км/ч.
Амплитуды колебания скорости течений волн Россби в Гольфстриме достигают 2,5 м/с. В этом течении и его окружении волны со скоростью ~ 5 см/c распространяются вдоль берега на юг, таким образом он находится справа по отношению к направлению распространения волн. Волны проходят Гольфстрим от северной его границы около Ньюфаундлендской банки до южной, у полуострова Флорида, приблизительно за 250 суток. Это расстояние равно ~ 1000 км.
Об энергетическом вкладе волн Россби в динамику течений океанов и морей частично можно судить по энергетическим спектрам их течений, представленных на рис. 2а, б. В океанах заметно выделяются максимумы энергии приливных, инерционных и волн Россби, средний период которых в данном случае равен 40 суткам. Кинетическую энергию волновых течений можно оценить по площади их спектра. Мы видим, что основная доля энергии в океанах и морях принадлежит волнам Россби. Заметно выделяются максимумы энергии инерционных волн (период 17,5 ч), волн Россби (период 5,5 суток) и максимум энергии, связанный с модуляционным строением волн с периодом приблизительно 40 суток. Подобный максимум энергии также присутствовал бы в спектре энергии океана при условии что были использованы ряды измерений течений большей продолжительности. Приливные волны в морях небольшие и поэтому в спектре течений не заметны.
Рис. 2а, б. Функции спектральной плотности течений типичные для океанов (а) и внутренних морей (б). а – построены по измерениям течений в западной Атлантике в точке “D” [Thompson, 1971], б – в Каспийском море в пункте “Нефтяные Камни”, недалеко от Апшеронского п-ва [Бондаренко, 2001].
Исследования, выполненные [6], позволили волновое поле, в частности, Гольфстрима и его окружения, представить в виде цепочки волн – солитонов, течения (движения частиц воды волн), в которых происходят по замкнутому контуру в горизонтальной и вертикальной плоскостях (рис. 3 а, б). Такое расположение линий токов течений волн Россби похоже на линии токов диполя, проводящей средой которого является вода.
Напомним, что линии токов указывают на мгновенное направление векторов течений, или, что одно и тоже, направление силы, создающей течения. Скорость течения пропорциональна плотности линий токов. Мы видим, что в Гольфстриме плотность линий токов гораздо больше, чем за его пределами, а отсюда и скорости течений больше, чем за его пределами. Область с большой плотностью линий токов, а отсюда и большими скоростями течений, и есть Гольфстрим. При скорости движения волн, равной нулю, траектории движения частиц воды волн совпадают с линиями токов.
Рис. 3а, б. Линии токов течений волн Россби Гольфстрима и его окружения. Линии токов обозначены тонкими линиями в виде эллипсов со стрелками. Вид сверху (а) и по вертикальному сечению через Гольфстрим (б).
Если волны распространяются, то радиус траекторий будет меньше радиуса линий токов. Так, анализ дрифтерных измерений течений в районе Гольфстрима показал, что при длине в нём волн ~ 200-300 км радиус движения частиц волны составляет приблизительно ~ 50 км. Движения частиц воды в волнах Россби происходят, как отмечалось, в режиме суперпозиции, т.е. частицы различных волн не взаимодействуют. Это характерно для всех видов океанических долгопериодных волн. Поэтому движения частиц воды одной волны не сказываются на движениях частиц других. Подобное происходит в световых потоках, когда луч света одного источника без всяких искажений (в режиме суперпозиции) проходит через луч света другого источника.
Движения частиц воды волн в горизонтальном направлении формируют течения, в том числе и крупномасштабные, а движения в вертикальном направлении – подъём и опускание вод, соответственно и формирование таких явлений, как апвеллинг-даунвеллинг, Эль-Ниньо – Ла-Нинья, пассаты, циклоны, тайфуны, торнадо и т.д. Рассмотрим на отдельных примерах, как это происходит.
Продолжение следует здесь...
Сведения об авторе.
Альберт Леонидович Бондаренко, океанолог, доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Института водных проблем РАН. Область научных интересов: динамика вод Мирового океана, взаимодействие океана и атмосферы. Достижения: доказательство существенного влияния океанических волн Россби на формирование термодинамики океана и атмосферы, погоды и климата Земли.
Контакты с автором статьи
|
