По программе ПОЛИМОДЕ в Бермудском треугольнике: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Сегодня теория Россби находит свое подтверждение при изучении вихрей в атмосфере и океане. Исследования показывают, что характерное время обратно пропорционально их горизонтальным размерам. Отсюда мы легко сможем привести к определенному масштабу процессы в атмосфере и океане. Так как характерные размеры вихрей в океане в 16 раз меньше размеров атмосферных вихрей, период последних в 16 раз короче, чем у первых. Это означает, что горизонтальный масштаб для океана — 100 км будет соответствовать атмосферному масштабу 1600 км, т. е. океаническому периоду в тридцать дней будут соответствовать два атмосферных дня.

Чтобы лучше понять аналогию и различия между океаническими и атмосферными вихрями, нужно изучить карты их эволюции. Временные периоды между двумя состояниями океана должны быть в шестнадцать раз больше таких же периодов атмосферы, а линейные размеры рассматриваемой области океана должны быть в 16 раз меньше. Невольно напрашивается вывод, что количество вихрей в рассматриваемых океанских и атмосферных областях приблизительно одинаково. Эти вихри перемещаются в пространстве и изменяются во времени. Но самый важный вывод — следующий: океан заполнен вихрями намного плотнее, нежели атмосфера, ибо океанические вихри меньше атмосферных.

Карты погоды в — атмосфере и в океане. На них отмечены около четырех вихрей (циклоны и антициклоны). Отличия атмосферных вихрей от океанских налицо: атмосферный район занимает площадь 80° по параллели и 40° по меридиану, в то время как океанский имеет размеры 4x4 географических градуса. Карты атмосферного давления вычерчены через два дня, а соответствующий интервал для океана — один месяц. На каждом рисунке три цифры означают месяц, день, год. Н — циклоны, низкое давление, В — антициклоны, высокое давление.

Океанические циклоны и антициклоны есть почти везде, но особенно часто они встречаются в непосредственной близости от крупных течений, а также в Арктике, Средиземном и Черном морях. Размеры и время жизни вихрей зависят от температуры и солености водных масс, но они существуют повсюду и подчиняются одним и тем же законам. Не случайно говорят, что океан представляет собой «мозаику» вихревых образований.

Течения и их кольца

Кроме вихревого движения в океане, о котором мы уже рассказывали, существует и иной вид вихрей — так называемые «ринги», или кольца (по — английски кольцо — ring), которые отрываются от крупных океанических течений.

Чтобы понять механизм образования колец, необходимо провести аналогию между течениями в океане и рекой. Как известно, протекая по равнине, реки петляют (или меандрируют), образуя при этом нечто подобное островам. Конечно, большие океанические течения отличаются от движения водных масс в реках. Но наблюдения показывают, что Гольфстрим меандрирует, что объясняется неустойчивостью его струи. Иными словами, малое возмущение струи, возникшее в силу какой‑то причины, постепенно начинает возрастать, как будто по струе проходит волна.

Меандрирование Гольфстрима было известно океанографам еще сорок лет назад. Ученые знают также множество примеров кольцевидных образований в океане. Однако около десяти лет назад ученые все еще не могли ответить на вопрос, что вызывает эти явления.

Течение Гольфстрим. Мощное атлантическое течение, которое питают водные массы из тропических и экваториальных областей океана (на рисунке они обозначены пунктиром). Между двумя линиями объем воды, переносимой течением, одинаков, т. е. вблизи берега оно усиливается (линии сближаются). После отрыва от континентального шельфа Гольфстрим начинает меандрировать.

После отрыва от береговой зоны Североамериканского континента Гольфстрим, подобно огромной петляющей реке, распространяется во внутренние области океана. Из‑за неустойчивости его струи некоторые петли (меандры) отрываются и образуют кольца. Эти кольца самостоятельно движутся на запад и юго — запад.

Ныне огромное количество накопленных данных о полярных фронтах в океане позволяет нам дать ответ, хотя, может быть, и не исчерпывающий, на вопрос о том, как образуются кольца. Северо — Атлантическое течение можно рассматривать как фронтальную поверхность, разделяющую два разных типа водных масс. К северу от него лежат холодные тяжелые воды северной части Атлантического океана, а к югу — теплые воды Саргассова моря. Интересно отметить, что ширина течения всего несколько сот километров. Основные силы, приводящие в движение воды данного течения (сила, возникшая в результате разницы в давлении между северной и южной периферией фронта, и отклоняющая сила вращения Земли), четко сбалансированы. И тем не менее на океан оказывают воздействие множество меняющихся со временем факторов, которые очень часто могут возбудить возмущение в струе течения. А это значит, что более холодные и тяжелые воды могут проникать на юг. В свою очередь воды Саргассова моря проникают на север, и течение начинает петлять.

После того, как огромная масса холодной воды проникнет на юг, течение уже не в состоянии «удержать» ее. Так от струи течения отрывается меандр и движется в океане как самостоятельное образование. При этом сохраняется вращательное движение водных масс, из которых он состоит. Скорость вращательного движения порой очень велика, достигая двух — трех метров в секунду.

К югу от Гольфстрима кольца образованы холодными водными массами и движение осуществляется против часовой стрелки. Они распространяются на юг и юго — запад, причем в процессе исследований было установлено, что время их жизни — от года до четырех лет. Обычно к югу от течения существуют 8—14 колец одновременно. Часть этих колец «растворяется» в Саргассовом море, иные же достигают Флоридского пролива и берегов Америки и сливаются с основным течением — Гольфстримом.

Почему океанические кольца столь долговременные образования? Ответ на этот вопрос может дать подробный анализ их структуры. Измерения показали, что кольца — исключительно высокоэнергетические элементы циркуляции океана. Во время образования 95 % их энергии — энергия потенциальная, образующаяся в результате специфического распределения температур. Например, на глубине 400–800 метров, на которой в Саргассовом море существуют наиболее значительные изменения температуры по вертикали, разница в температуре ядра и периферийных областей циклона Гольфстрима достигает 10–12 на расстоянии около 100 км. Это означает, что холодные водные массы в ядре кольца подняты на 600–700 метров выше их нормального для окружающей воды горизонта залегания!

Внутри колец Гольфстрима глубинные воды, поднимаясь к морской поверхности, образуют огромные куполы холодной воды.

Расчеты показали, что потенциальная энергия вихрей, оторвавшихся от Гольфстрима, исчисляется 10²⁴ эрг. Специалисты обычно называют ее доступной потенциальной энергией. Чем старее циклон, тем ниже опускаются изотермы, при этом освобождающаяся энергия превращается в кинетическую энергию вращательного движения. Так как силы трения не в состоянии быстро превратить кинетическую энергию в тепло и так как водный обмен между вихрем и окружающей ее жидкостью не очень большой, то вихрь надолго сохраняет свою «индивидуальность». Обычно он исчезает тогда, когда ядро начинает заполняться более теплыми водами, поступающими с периферии. В результате этого изотермы «тонут», уменьшается потенциальная энергия вихря и он растворяется в окружающей водной массе.

Турбулентность и отрицательная вязкость

Быстрое развитие океанографии в последние двадцать лет привело к коренным изменениям в этой области. Ранее считалось, что существующие теории достаточно доступно и правильно объясняют явления, обусловливающие специфический характер движения в океане. С расширением и углублением исследований положение существенно изменилось. Сегодья в океанографической теории и практике главный упор делается на изучение внутренней структуры течений. Отсюда и главная трудность. Оказывается, что течения меняются во времени и пространстве, поэтому кажется, что невозможно раз и навсегда определить динамический облик океана.

Взять хотя бы кольца Гольфстрима. Как уже известно, они образуются после того, как течение выйдет за пределы континентального шельфа. Но одни из них образуются западнее, другие — восточнее. Одни кольца распространяются севернее течения, другие — на юг от него. Пути колец в океане различны, как и различно время их существования. Кроме того, кольца отличаются друг от друга размерами и т. д. Означает ли это, что все океанические течения хаотичны и абсолютно не поддаются описанию? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны хотя бы вкратце рассмотреть некоторые общие свойства движущейся жидкости.

Движение жидкости можно разделить на два вида — ламинарное и турбулентное. У ламинарных течений (обычно медленных) струя представляет собой единое целое и обмен между разными слоями течения происходит на молекулярном уровне. Это означает, что из одного слоя молекулы — носители определенных свойств переходят в соседний слой, тем самым передавая молекулам этого слоя свои свойства. При возрастании скорости силы молекулярного трения не могут «погасить» возмущения, возникающие в струе, вследствие чего ее устойчивость уменьшается. Таким образом создаются условия для проникновения целых объемов из одного слоя теченйя в другой, с сохранением специфических характеристик (температура, соленость, содержание газов и др.). Этот вид движений называется турбулентным. В отличие от ламинарных, которым присуща упорядоченность движущихся частиц, турбулентное движение отличается хаотичностью.

При изучении некоторых сложных явлений в науке очень часто используется метод сравнения их с более простыми. Случай с турбулентным движением аналогичен. При этом считается, что «перескакивающие» из слоя в слой частицы подобны молекулам в ламинарном потоке. Разница, однако, в том, что при турбулентном движении диффундирующие объемы несоизмеримо крупнее молекул. Иными словами, переносимая субстанция гораздо больше, чем в ламинарном потоке. Существуют и другие принципиальные различия. В то время как за молекулой можно наблюдать длительное время (примером тому — движение макромолекул), турбулентные порции, или как их еще называют — турбулентные вихри, спустя некоторое время растворяются в окружающей их жидкости.

Принято считать, что роль турбулентных вихрей аналогична роли молекул в медленно движущихся средах. Как движение молекул приводит к выравниванию в пространстве всех характеристик, так и турбулентный обмен ведет к полному смешиванию жидкостей. Подобно молекулярному трению, существует и турбулентное, только оно намного сильнее первого.

По мнению советского ученого А. Н. Колмогорова, турбулизация в жидкой среде происходит следующим образом. После того, как струя теряет свою устойчивость, от нее начинают отрываться большие турбулентные вихри. Они также являются неустойчивыми образованиями (у них свое время существования или пути смешивания). Дробление вихрей идет до тех пор, пока вся энергия вихря не диссипирует, т. е. превратится в теплоту. Этот каскадный процесс лежит в основе превращения энергии струи в энергию вихря, а затем в теплоту.

В настоящее емя одновременное изучение всех видов океаническ. э и атмосферного движений — от мельчайших до соизмеримых с размерами нашей планеты — невозможно. Но тем не менее было бы неправильным не учитывать при описании общей циркуляции океана мелкие процессы. В таком случае они должны быть включены, или, выражаясь научным языком, параметризированы, т. е. необходимо найти какое‑то количественное выражение их влияния на макромасштабные процессы.

Так каково же отношение турбулентности к океаническим вихрям и кольцам? В отличие от атмосферных циклонов и антициклонов, вихри в океане отличаются небольшими размерами. Поэтому необходимо при численном моделировании циркуляции океана или при измерении океанических полей использовать небольшие пространственные интервалы. Так, при размерах вихря 200 км измерения или расчеты следует проводить примерно через каждые 20 км. Легко подсчитать, что если мы захотим покрыть Мировой океан сеткой, узлы которой будут расположены через каждые двадцать километров, таких точек будет почти миллион. Уровень современных технических возможностей и несовершенство электронно — вычислительных машин в настоящее время исключают это. Значит, нужно параметризировать влияние циклонов и антициклонов в океане на крупномасштабные движения. А чем синоптические возмущения отличаются от турбулентных вихрей?