Реакция мирового океана на суточное вращение и нутацию Земли

12).Данный факт с учётом вышесказанного объясняется наиболее просто. Стационарность общей картины океанических течений обеспечивается стационарностью суточного вращения Земли.

3.2 Придонные океанические течения

Выше мы высказали и попытались обосновать связь поверхностных течений в океанах с суточным вращением Земли. Но, что бы быть последовательными, необходимо объяснить и по возможности предсказать, локализацию и глубинных циркуляций океанов под воздействием указанного механизма.

Первым рассмотрел задачу абиссальной циркуляции Стоммел, он попытался оценить баланс расхода воды в океане ниже 2000 метров. “В северное полушарие из южного приносится часть вод Южного пассатного течения. Стоммел, подсчитав расход вод через различные широты, пришёл к выводу, что дополнительное количество воды, приносимое в Северную Атлантику поверхностными течениями, может уходить в южное полушарие только на глубинах. И действительно, далеко к югу от экватора у дна (выделено автором)

обнаруживается вода, по температуре и солёности близкая к воде в районе опускания вблизи Гренландии. В других же океанах происхождение придонных вод (выделено автором) не оставляет сомнений: они образовались в Антарктике.” “Схема глубоководной циркуляции Стоммела, перенесённая на карту Мирового океана, изображена на рис.34. Глубинные северо-атлантические воды переходят в южное полушарие, отдавая центральным районам Атлантики лишь часть своего объёма. Эти воды на широте мыса Доброй Надежды сливаются с антарктическими водами из моря Уэдделла в один поток и устремляются на восток в южную часть Индийского и Тихого океанов”. [24]. Зоны конвергенции (опускания вод) связываются с термохалинными эффектами. Зоны дивергенции глубинных вод связывают с тем, что глубинные потоки наталкиваются на возвышенности дна или прибрежные участки. Приведём ещё один абзац из замечательной книги Толмазина Д.М. “В 1967 году Д. Сваллоу и Л. Уортингтон для исследования глубинного противотечения тщательно выбрали район, вычислив место, где максимум глубинного градиента давления находится в стороне от Гольфстрима. Все девять буёв, спущенных на глубины от 1500 до 3000 метров (выделено автором), дрейфовали на юг и юго-запад со скоростью от 1 до 18 см/сек. Сомнений быть не могло: противотечение под Гольфстримом существует! Оно оказалось таким же узким, как и поверхностный поток. Гипотеза Стоммела блестяще подтвердилась.”

У автора данной статьи возникают большие сомнения относительно возможности возникновения поверхностных океанических течений под воздействием климатических факторов. Ну а распространение энергии этих эффектов ещё и на глубинные течения выглядит совсем уж не правдоподобно. Трудно представить узкое струйное течение с указанной выше скоростью, протяжённостью в половину экватора, в условиях усиленной диссипации окружающих вод. Трансконтинентальные газопроводы, газовая среда которых имеет гораздо меньшую диссипацию, требуют через несколько сотен километров, работы дожимных компрессорных станций. Нужна какая-то сверх отрицательная вязкость, если не вечный двигатель, чтобы климатические фактора порождали глубинные придонные течения.

Рассмотрим абиссальные течения с позиций гипотезы связывающей океанические течения с суточным вращением Земли, с энергией вращения Земли.

Глубина океана на три порядка меньше диаметра Земли. В связи с этим гидравлический подпор, создаваемый набегающей береговой линией, с глубиной можно принять величиной постоянной. На поверхности у западного берега в районе экватора, как установлено экспериментально, подпор составляет 30 сантиметров (). В первом приближении таковым будет подпор на всём западном береговом склоне у экватора до самого дна. Тем не менее, существует физическая разница между напором на поверхности океана и на глубине океана. На поверхности океана потенциальная энергия подпора это гравитационная энергия и складывается она из гидростатического веса столба жидкости плюс атмосферное давление. На глубине огромное гидростатическое давление не позволяет создавать гравитационный подпор и кинетическая энергия, получаемая от вращающейся твёрдой земной составляющей, превращается в потенциальную энергию межмолекулярного сжатия. Градиенты потенциальной энергии и на поверхности и в глубине океана есть сила. Сила при определённых условиях, порождает течения водных масс. Рассмотрим рисунок-4, что бы выяснить, как формируется градиент потенциальной энергии, а соответственно и сила в меридиональном направлении. В верхней части рисунка изображен меридиан северного полушария, идущий вдоль западного берега Атлантического океана.

Линейная скорость точек меридиана при вращении Земли определяется формулой: ; (3). Где: - угловая скорость вращения Земли. Остальные величины - радиус Земли и угол наклона радиуса к оси вращения. Гидравлический напор создаётся относительной скоростью между набегающей сушей и инертной водной массой. Выше мы вычислили величину относительной скорости в 2,4 м/сек. Эта величина получена исходя из экспериментально установленной разности уровней океана в 60 сантиметров между западным и восточным берегами океана по экватору. Для получения относительной линейной скорости в (3) нужно ввести коэффициент понижения k=2,4/460. 460м/сек - это линейная скорость вращения поверхности суши на линии экватора. Следовательно ; (4).

Скоростной гидравлический напор вдоль западного берега океана с учётом (4) определяется формулой:

; (5).

В (5): - плотность воды, R-радиус Земли, , а угол .

Из (5) видно, что гидравлический напор по меридиану изменяется от экватора к полюсу, следовательно, существует меридиональная сила, равная градиенту напора из (5). Градиент напора вызывает гидравлический поток массы. Относительная скорость берега по отношению к водной массе снижается от максимальной у экватора до нуля у полюсов согласно (5). Если вычислить градиент напора из (5) вдоль меридиана или по оси вращения, то получим тригонометрическую зависимость. Эта зависимость показывает, что максимальный градиент напора будет в средних широтах (севернее мыса Хаттерас), где как раз Гольфстрим имеет максимальную скорость и полноводность. Это вытекает из рисунков 4 а и б, а также из формулы (5) и связано со свойствами шаровой поверхности. Вначале, начиная от экватора расстояние до оси вращения, а, следовательно, и напор в (5) меняются медленно. В средней полосе расстояние до оси вращения начинает резко уменьшаться, вызывая заметное увеличение градиента напора. В северных широтах градиент снова снижается. Несмотря на то, что расстояние до оси вращения продолжает резко снижаться, абсолютные величины напора малы (стремятся к нулю), что снижает градиент напора.

На рисунке-4б качественно (без соблюдения масштаба) изображён график изменения напоров по набегающим и убегающим, по отношению к водным массам, твёрдых частей Земли. Причём не зависимо от того находится это на поверхности или в глубине океана. Пунктирными стрелками изображены силы, равные градиентам напора и порождаемые ими течения.

Теперь, исходя из эпюры гидравлических напоров (Рис.4), попытаемся изобразить картину течений Атлантического океана. На Рис.5а изображены поверхностные течения, на Рис.5б глубинные течения Атлантического океана. Физика возникновения глубинных течений не отличается от поверхностных. Но на картину глубинных течений решающее влияние оказывает Срединно-Атлантический хребет. Срединно-Атлантический хребет [29], имеет высоту от одного до двух километров со дна океана. С точки зрения придонной гидродинамики он делит придонные области Атлантического океана на две симметричные части (западную и восточную), в которых возникают симметричные картины придонных течений. Этим картина придонных течений отличается от картины поверхностных течений. Ещё одной особенностью является наличие градиента давления между, убегающим западным и набегающим восточным, склонами Срединно-Атлантического хребта. Это должно порождать достаточно интенсивные течения с востока на запад в седловинах хребта. На Рис.5б эти течения условно обозначены жирными стрелками в районе экватора. Хотя возможность этих течений видимо пресекается высотой Срединно-Атлантического хребета.

В Тихом океане нет четко выраженной с точки зрения гидродинамики хребтового поднятия в областях спрединга. По этой причине картина глубинных течений Тихого океана мало отличается от картины поверхностных течений. Можно видимо с достаточной

уверенностью, говорить о наличии струйных течений в областях субдукции, где формируются глубоководные меридиональные желоба, например, Марианский желоб.

В Индийском океане сформировалась сложная система океанических хребтов, что не позволяет говорить даже о качественной картине.

А вот глубинное течение вокруг Антарктиды видимо совершенно совпадает с течением Западных ветров, что наряду с наложением южных океанических циркуляций, в совокупности с огромными водными просторами, и делает течение Западных ветров столь мощным.

Наличием глубинных циркуляций объясняется факт переноса вод Северного Ледовитого океана к берегам Антарктиды. Когда холодное Лабродорское течение при встрече со вторичным Гольфстримом оттесняется на глубину, то здесь захватывается глубинными циркуляциями. Часть вод Лабродорского течения выносится ими к Антарктиде.

Попробуем ответить на вопрос, почему между поверхностными и придонными струйными течениями существует обширная зона нулевых горизонтальных скоростей как изображено на Рис.6. Такая схема мною выбрана на основании выделенных выше фактов из [24].

 Попытаемся объяснить, почему формируются только поверхностные и придонные струйные потоки. Как мы видели для возникновения струйного потока необходимо вокруг потока формирование хотя бы одного межслоя, то есть поверхности разрыва молекулярных связей в среде жидкости. Разрыв связей происходит при растяжении.

а) Поверхностные струйные течения.

Рассмотрим два сечения по параллелям вдоль западного побережья. На Рис.4 (верхняя часть рисунка) условно изображён поверхностный поток. Между этими сечениями имеется перепад уровней. Под действием силы гравитации вода между сечениями растягивается в сторону понижения уровня. Когда сила растяжения превосходит силы сцепления по определённому охватывающему сечению (условно обозначены как полуокружности), то, как было рассмотрено выше, в среде жидкости формируется межслой и возникает струйный поток воды. Выше мы указывали на физическую разницу между поверхностным и глубинными напорами, возникающими при вращении Земли. Из-за гидростатического столба подъём воды, обеспечивающий перепад уровня, наблюдается в узком приповерхностном слое. Именно в этом слое возникает растяжение воды под действием гравитации.

б) Придонные струйные течения.

Ситуация на глубине иная. Рассмотрим также два сечения по параллелям вдоль западного побережья (нижняя часть Рис.4). Здесь напор между сечениями не растягивает, а сжимает массы воды. Область растяжения формируется только у самого дна, в зоне сцепления молекул воды с поверхностью дна. С этой зоны и начинается разрыв сил сцепления молекул воды, формируется межслой, который, сформировавшись, цилиндрической оболочкой охватывает придонный поток. Причём величина потока, диаметр межслоя и перепад давлений между сечениями, связаны законом Пуазейля-Гагена. На основании закона Пуазейля-Гагена и рисунка - 6 можно заключить, что поверхностные течения где-то в двое интенсивнее глубинных.

в) Ситуация в области между поверхностными и придонными течениями.

В этой области нет условий для формирования межслоя, нет зоны растяжения. Берег набегает на массу воды и сдавливает её. Давление распространяется на огромные массы воды и не способно вызвать поток. Речь идёт о струйных течениях.

Хотелось бы обратить внимание на такой момент. Из различных источников касающихся геофизики рост температуры в земной коре с глубиной составляет 20-30 градусов по Цельсию на километр. Это вызвано конвекцией тепла из внутренних областей Земли. Так как поток конвективного тепла из недр Земли одинаков и в областях континентов и в областях океанов, то температура поверхности дна океана на глубине 2-х километров будет порядка 40-60 градусов по Цельсию, а на глубине 5-ти километров соответственно 100-150 градусов по Цельсию. С одной стороны этот факт вызывает конвективные океанические потоки, порождаемые внутренним теплом Земли. С другой, факт отсутствия чёткого температурного градиента в глубину и наоборот наличие холодных вод на глубине указывает на наличие интенсивных глубинных течений.

4. Нутация земной оси как вынуждающая сила долгопериодных океанических волн

Теперь рассмотрим природу и механизмы формирования долгопериодных океанических волн. Мы связываем возникновение долгопериодных волн с другим явлением, относящимся к движению Земли как целого, с явлением нутации Земной оси, периодическим отклонением оси вращения от оси симметрии.

4.1 Характеристики долгопериодных волн

Долгопериодные океанические волны были открыты в конце шестидесятых годов. С тех пор океанологами была проделана большая работа по экспериментальному выявлению их характеристик, теоретическому описанию их свойств и выявлению причин возникновения этого явления планетарного масштаба.

Выпишем наиболее характерные свойства долгопериодных волн, установленных к настоящему времени.

Длина волн Россби в океане 200-1000км. Так, например, вдоль экватора Тихого океана укладывается приблизительно 10 волн. Высота волн в среднем по океану равна 10см. Но были зафиксированы случаи, когда она достигала 60 см (альтиметрические измерения). Высота это положение гребня волны относительно среднего уровня. Скорость распространения волн на экваторе имеет порядок 1м/с, а во всём остальном океане порядок 5-10 см/с. Особенность экватора заметна. Поэтому эти волны на экваторе выделяются в особый класс волн, экваториальных волн Россби. По существующим представлениям наиболее вероятным источником генерации волн являются флуктуации атмосферного давления. Наиболее благоприятными условиями возбуждения волн являются условия, когда параметры источника флуктуаций и волн совпадают: величина, периоды, длина, скорость распространения, направление распространения. Но они не очень-то совпадают. Так, величина флуктуаций (эквивалент высоты) достигает 30 см водяного столба, что соответствует 30 см уровня воды, период флуктуаций давления, синоптический период равен приблизительно недели, длина флуктуаций (расстояние между максимумами или минимумами, циклонами или антициклонами), несколько тысяч км, скорость распространения приблизительно 300 км/сутки. И, наконец, направление распространения: волны Россби в океане движутся на запад, а система циклонов, т.е. флуктуаций атмосферного давления - на восток. Условия резонанса не благоприятные.

Периоды волн увеличиваются от экватора к северу. На экваторе Тихого океана они имеют период 20 суток, в средних широтах - 40 суток, а на Севере, в Северном Ледовитом около 70 суток.

В средних широтах открытой части Атлантического океана волны имеют приблизительно такие параметры: фазовую скорость распространения 5 см/с, длину волны 400 км, амплитуды колебаний скорости течений 10 - 15 cм/c. Характерным свойством 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.

Выше изложенные сведения о характеристиках и свойствах долгопериодных океанических волн почерпнуты мною главным образом из [1, 2] и других работ автора.

4.2 Нутация земной оси как вынуждающая сила долгопериодных волн

В настоящее время наиболее распространёнными являются представления об источниках возбуждения долгопериодных волн связанными с ветровыми и барометрическими флуктуациями. Некоторые авторы связывают возникновение долгопериодных волн с приливными волнами. Приведём доводы автора [1] которыми он обосновывает свои представления:

“Энергия от источника передаётся волновому полю всего Мирового океана малыми дозами, в течение длительного времени, в режиме “накачки” и теми же волнами она перераспределяется по океану. Предположительно источником возбуждения волн является атмосферная активность, флуктуации атмосферного давления или/и ветра. В силу того, что потери энергии в волнах малы, она накапливается в них, и поэтому волны обладают большой энергией. Это тот случай, когда малыми усилиями за счёт резонансного возбуждения приводятся в движение огромные массы воды океана.

Иногда их называют планетарными волнами Россби, подчёркивая, тем самым, их большие размеры. Это свободные, прогрессивные волны, их относят к градиентно-вихревым волнам, динамика которых определяется свойством сохранения потенциального вихря. Наблюдаемые в определённой части океана волны следует рассматривать, как составную часть поля взаимосвязанных волн всего Мирового океана. Последовательность волн во времени и в пространстве представляет собой непрерывный ряд, сформированных в модуляции (группы) малых - больших - малых и т.д. волн.

Изменение амплитуд колебаний скорости течений в волнах и построение их в модуляции происходит за счёт работы некоего неизвестного науке механизма перестройки волн, названного нами модуляционным, но не за счёт отдельных поступлений энергии от источника. Эти поступления энергии от источника никак не отражаются в поведении волн, волны “живут” по своим волновым законам в режиме свободных прогрессивных волн”.

В [10] и [11] предложены механизмы образования океанических течений и долгопериодных волн, связанные с движением Земли как целого. Океанические течения связываются автором с суточным вращением Земли. Вращающаяся Земля, представляет собой циркуляционный насос, а меридиональные береговые линии западных берегов океанов играют роль рабочих лопаток. Образование долгопериодных волн связывается с нутацией земной оси. Оба явления вызваны появлением перепада уровней воды, который возникает из-за относительного запаздывания перемещения воды по сравнению с перемещением земной коры при суточном вращении Земли и нутации земной оси. Это запаздывание вызвано инертностью водных масс. Береговая линия набегает с относительной скоростью на толщу воды и создаёт градиентный подпор по высоте. Как показано ранее относительной скорости в 2,4 м/сек достаточно, что бы создать перепад уровней в 60 см., который экспериментально замерен между западным и восточным берегами океана по линии экватора.

Наиболее характерными свойствами воды, определяющими виды движений водных масс, являются инертность, упругость и текучесть. Ещё одним важным свойством воды является сплошность. Однако сплошность воды имеет достаточно низкий силовой и энергетический барьер на разрыв сплошности, что обеспечивает, к примеру, достаточно лёгкое скольжение слоёв воды относительно друг друга при ламинарном движении. Низкий силовой и энергетический барьер на разрыв сплошности водной среды связан со слабыми водородными связями полярных молекул воды между собой. Перечисленные свойства воды являются идеальными для формирования двух основных видов движения водных масс в океанах: струйные течения, которые носят характер массовых потоков и долгопериодные волновые движения поверхности океанов и морей.

Причём во избежание путаницы чётко разграничим течения и долгопериодные колебания поверхности океана, вызванные бегущими волнами. Струйные течения в потоках без берегов переносят через поперечное сечение потока массу воды (кг/сек через единицу поверхности сечения). Бегущие волны переносят через поперечное сечение по фронту волны только энергию, потоки энергии Умова (дж/сек через единицу поверхности). Речь идёт лишь о колебании возле положения равновесия. Фундаментальные движения формируют в океанах и морях два вида стационарных диссипативных структур, которые порождены совершенно различными силами и живут самостоятельной жизнью. При определённых условиях эти две диссипативных структуры могут взаимодействовать друг с другом, на чём остановимся ниже. На эти два базовых, стационарных во времени и пространстве, движения случайным образом или периодически накладываются другие движения. Это, например, ветровые волны, приливные волны или волны цунами, порождённые мощным локальным выбросом энергии при тектонических событиях (землетрясения) или импактных событиях (падение астероида).

Ось Земли и соответственно весь Земной шар покачивается относительно своего центра масс. Эти покачивания и являются той вынуждающей силой, которая вызывает долгопериодные океанические волны. В [5] отмечается, что “кроме медленного прецессионного движения ось вращения Земли испытывает и периодические колебания, нутацию с гармониками, основные из которых имеют периоды 13,7 суток, 27,6 суток, 6 месяцев, 1 год, 18,6 лет. Гармоника с периодом 18,6 лет имеет максимальную амплитуду 9". Остальные нутационные гармоники имеют меньшие амплитуды. В результате нутационного движения ось вращения описывает сложные петли в пространстве”. В [16] приводится такая информация: “… период нутации равен примерно 440 дням, что обусловлено, по-видимому, неабсолютной жёсткостью Земли. Максимальное расстояние точки земной поверхности, через которую проходит ось вращения, от точки через которую проходит ось симметрии, на северном полюсе не превышает 5 метров”.

Периодические колебания Земной оси вызывают раскачку воды в морях и океанах, которая проявляется в виде бегущих долгопериодных волн. Во время покачивания оси, широтные береговые линии океанов, то надвигаются на водные массы океана, то при обратном движении движутся от водных масс. За счёт периодичности покачивания оси формируются бегущие по поверхности океана волны от берега в открытый океан.

Нутационные колебания Земли с выше отмеченными частотами - это колебания вынуждающей силы по отношению к водной подсистеме, имеющей собственный спектр колебаний. Спектр собственных колебаний водных масс океана носит непрерывный характер и длина волн собственных колебаний изменяется в этом спектре от величины условно сопоставимой с расстоянием между молекулами воды до длин волн условно сопоставимых с длиной экватора. Этот собственный спектр зависит от многих причин: глубины и протяжённости водного пространства, рельефа дна и береговых линий, плотности, температуры и т.п. Так вот на собственных частотах, резонирующих с колебаниями Земной оси, происходит накачка нутационной энергии в колебательную энергию долгопериодных нутационных волн.

Масса Земного шара в 4600 раз больше массы воды в океанах, поэтому для раскачки воды в океане здесь энергии в избытке. К тому же нутация - это стабильный мало переменный процесс, что в свою очередь и порождает стабильные долгопериодные волны в океане. В статье Жарова В.Е. “Нутация неупругой Земли” [5], говорится о более 100 нутационных гармониках. Сейчас разрабатывается теория нутации Земли, учитывающая более 1500 гармоник. Это гармоники вынуждающей силы, которые, резонируя с соответствующими полосами непрерывного спектра собственных колебаний водных масс океана, производят накачку энергии нутации в энергию долгопериодных волн. Причём резонируют не только полосы собственных частот близких к частотам нутации, но и кратные частоты. В результате их суперпозиции формируется сложная картина колебаний. А вот масса атмосферы Земли в 260 раз меньше массы воды в океанах. Поэтому трудно представить, чтобы колебания барометрического давления, к тому же носящие локальный характер, могли породить такое грандиозное явление как долгопериодные волны. Даже в режиме накачки. К тому же барометрические колебания в атмосфере носят достаточно случайный характер и по времени и по географии, а долгопериодные волны носят напротив стабильный характер. Выше отмечено, что долгопериодные волны распространяются преимущественно в западном направлении. Согласно же второго закона термодинамики только порядок может самопроизвольно переходить в хаос, а не наоборот. Разделяю мнение автора [1, 2] о том, что долгопериодные волны очень медленно затухают. Амплитуда колебаний обычно затухает по экспоненте. Свойство этой кривой таково, что чем меньше амплитуда, тем слабее её затухание со временем. Долгопериодные волны как раз имеют ничтожную амплитуду в сравнении со своей длиной. И всё же мощность энергетической накачки за счёт барометрических колебаний не сопоставима с мощностью нутационной накачки. Из нутационной накачки можно понять, почему долгопериодные волны движутся преимущественно на запад. Зарождаясь в северных и южных широтах береговыми линиями, протянувшимися по параллелям, волны движутся в сторону экватора. Здесь возникает вопрос с направлением распространения фронта волны. По нашим представлениям фронт распространяется с севера на юг, а наблюдения показывают движение фронта с востока на запад. Здесь нужно учитывать вращение Земли и связанное с этим относительное движение береговой линии и массы океана. Относительная скорость изменяется от 2,4 м/сек у экватора до нуля у полюсов. Истинная скорость фронта волны геометрически складывается из скорости нутационной волны, направленной с севера на юг и относительной скорости направленной на запад. По этой причине фронт нутационной волны при перемещении на юг с постепенно нарастающей скоростью разворачивается на запад. Точно также ведёт себя и фронт нутационной волны от побережья Южной Америки при движении на север. Увеличение амплитуды долгопериодных волн в областях экватора по сравнению с полярными областями можно объяснить сжатостью земного шара по оси вращения. Радиус на экваторе больше, поэтому при покачивании массы воды на экваторе обладают большей линейной скоростью, а, следовательно, и кинетической энергией, что приводит к увеличению амплитуды.

Долгопериодные волны существуют по всей толще океана от поверхности до дна. На поверхности это поперечные волны, т.к. энергия сжатия преобразуется в гравитационный горб. В толще воды долгопериодные волны являются продольными, т.к. энергия сжатия мала, что бы преодолеть гидро столб.

Что касается механизма обеспечивающего увеличение частоты (уменьшение периода) долгопериодных волн от полюса к экватору, то у автора пока нет чёткого понимания. Ведь сам собой в однородной среде без постороннего воздействия период бегущей волны не меняется.

Механизм формирования долгопериодных бегущих волн по своему принципу схож с механизмом возникновения струйных течений при вращении Земли, т.е. это тоже градиентный механизм, но с периодическим воздействием. И воздействие это осуществляется в направлении по меридиану. Рассмотрим процесс на примере Атлантического океана. Покачивание земной оси при нутации происходит в плоскости проходящей через меридиан и центр Земли. Когда ось Земли при нутационном качании движется в Атлантике сторону экватора, то береговые линии севера Атлантики (берега Гренландии, Исландии, Англии, да и линия ледяного панциря Северного ледовитого океана) создают подпор воды, формируют положительную амплитуду бегущей волны. При обратном движении оси формируется отрицательная амплитуда волны. Затем всё периодически повторяется, мы получаем систему бегущих волн, движущихся с севера на юг и имеющих период равный периоду нутации. Северная береговая оконечность Южной Америки при этом формирует бегущие в северном направлении волны той же периодичности, но в противофазе.

Выше уже отмечалось, что ось вращения Земли испытывает и периодические колебания, нутацию с гармониками, основные из которых имеют периоды 13,7 суток, 27,6 суток, 6 месяцев, 1 год, 18,6 лет. В [20] представлены такие цифры. Период обращения Луны вокруг Земли составляет 27,3 суток. В связи с тем, что плоскость вращения Луны вокруг Земли и плоскость вращения Земли вокруг Солнца не совпадают, а имеют определённый угол, то каждые примерно 13,6 суток Луна переходит через плоскость орбиты Земли. Плоскость вращения Луны постоянно изменяет своё положение, но через 18,61 года плоскость лунной орбиты опять занимает прежнее положение. Налицо совпадение лунных периодов и периодов нутации Земной оси. Из этого можно сделать вывод, что Луна оказывает решающее влияние на нутацию Земной оси. Период колебания океанических долгопериодных волн по разным оценкам колеблется от 20-ти до 40-ка суток, что вполне вписывается в согласование с периодичностью нутации на частоте 13.7 и 27,3 суток. Волны с большими периодами (6 месяцев, 1 год, 18,6 лет) не наблюдаются по причине большой текучести воды. Волна с такими периодами растекается по плоскости океана, не успев сформироваться.

Диссипация в струйных потоках связана с трением между слоями. Долгопериодные бегущие волны всю энергию гасят от трения с атмосферой и при достижении противоположного берега. Возможно отражение от береговой линии и встречное движение бегущих волн. Тогда возможно при суперпозиции формирование областей стоячих волн. [14]. Формирование области стоячих волн в области Гольфстрима возможно и при взаимодействии бегущих навстречу друг другу волн с севера и с юга.

Несколько слов о невозможности формирования струйных адвективных течений энергией долгопериодных волн. Стабильность стационарных состояний обеспечивается при равенстве подводимого из вне в диссипативную структуру потока энергии для поддержания неравновесности и отводимой во внешнюю среду диссипированной энергии и энтропии, полученной в результате диссипации кооперативного движения при функционировании структуры.[6, 7]. При этом структура может существовать сколь угодно долго.

где: - кооперативная кинетическая энергия подводимая в структуру извне; - кооперативная энергия диссипированная в структуре при её функционировании.

Если подводимая к диссипативной структуре энергия не будет адекватно диссипировать, то будет идти процесс усиления движения: увеличение скорости струйных течений, увеличение амплитуды колебательных движений. Для стационарных структур необходимо выполнение условия стабильности, в противных условиях структура или затухнет или разрушится. Отметим, что наблюдаемое замедление скорости вращения Земли связано не только с лунными приливными волнами, но и с диссипацией энергии струйных океанических течений, т.к. энергия этих течений черпается из энергии вращения Земли. Причём доля замедления скорости вращения Земли, связанная с океаническими течениями во столько же раз больше доли замедления связанной с лунными приливными волнами, во сколько раз мощность океанических течений больше мощности лунных приливных волн.

Энергия нутационного покачивания Земли не сопоставимо меньше энергии вращательного движения вокруг оси. Уже по этой причине суммарная энергия долгопериодных волн меньше энергии адвективного течения водных масс океана. Нутационные волны не способны породить структуру океанических течений (струйных и циркуляционных).

Я заостряю внимание на стационарности и динамике диссипативных структур с целью показать жёсткую увязанность процессов подвода энергии и её расхода (диссипации). Можно малыми порциями в резонансных условиях накачать большую энергию в систему. Но для этого необходимо чтобы диссипация была ещё меньше и необходимо выполнить условия резонанса. Да, среда океана имеет непрерывный спектр собственных частот, и будет воспринимать энергию практически на любой частоте. Но ведь частота долгопериодных волн вполне определённа, а это значит и источник вынуждающей силы должен иметь определённую частоту.

5. Причина и механизм меандрирования струйных течений

В [10] высказано предположение о влиянии долгопериодных волн на меандрирование струйных потоков и, в конечном счёте, на интенсивность переноса к полюсам экваториального тепла.

По представлениям автора меандрирование Гольфстрима вызвано океаническими бегущими нутационными волнами, которые в средних широтах Атлантического океана, принимают характер стоячих волн, превращающих поверхность океана в своеобразную “холмистую” область.

На основе стоячей природы нутационных долгопериодных волн легко объясняется меандрирование струйного потока и квазипериодическая пульсация его скорости. Когда на пути струйного потока возникает холм (полуволна) долгопериодной волны, то поток замедляется и скатывается влево или вправо от своей оси, огибая полуволну - холм. При огибании и возникает меандрирование. В дальнейшем, когда струйный поток попадает во впадину волны Россби он ускоряется. Учитывая, что скорость струйного потока и характеристики стоячей волны (длина волны, амплитуда, положение волны по отношению к направлению скорости потока) носят случайный характер и приводит к квазипериодической пульсации скорости потока и непредсказуемости характера меандр.

6. Склоновые течения и апвеллинг

“Вблизи берегов, например Чили и юго-западной Африки, наблюдается интересное явление, названное апвеллингом. Встречается оно там, где холодные течения (Перуанское, Калифорнийское, Бенгельское и др.) проходят вдоль берега. Суть явления в следующем. В поверхностных слоях помимо вдольберегового потока постоянно существует перенос в открытое море. Частые ветры усиливают сгон верхних слоёв прочь от берега. При этом глубинные воды, насыщенные кислородом и питательными солями, поднимаются кверху, …”. [24]. Во-первых, отметим, что речь идёт об восточных береговых линиях океанов. Считается, что частые ветры сгоняют воду от восточного берега океанов и тем самым понижают уровень воды вдоль береговой линии. Гидростатическое давление в этой полосе понижается, и вода по законам сообщающихся сосудов затекает из западных глубинных областей океана в полосу апвеллинга. Мы высказали предположение, что понижение уровня воды вдоль восточных побережий океанов на 30 сантиметров, так же как и повышение уровня воды, вдоль западных побережий океанов на ту же величину по линии экватора, связано с суточным вращением Земли. То есть апвеллинг должен существовать независимо от ветра. Причём интенсивность апвеллинга должна снижаться от экватора к полюсам. Ту же гидростатическую природу, связанную с суточным вращением Земли, имеют и склоновые течения западных берегов океанов.

7. Океан и климат

Климат - сложное много факторное явление, со множеством зависимостей. Мы рассмотрим влияние на климат только океанических течений и долгопериодных волн.

Океан - мощный терморегулятор планеты. Благодаря большой массе воды и её высокой теплоёмкости он аккумулирует солнечное тепло, гораздо больше чем суша. Воды океана находятся в беспрерывном движении. Морские течения переносят с собой огромные количества тепла и холода и тем самым выравнивают межсезонную и межширотную изменчивость климата. Известный климатолог и океанолог А.И. Войеков, называя морские течения регуляторами температуры, трубами водяного отопления земного шара, считал, что воздушные течения далеко не в такой степени содействуют выравниванию температур между экватором и полюсами, как морские течения. [4].

Известно, что тёплый климат Европы обеспечивается океаническим течением Гольфстрим, несущим тепло экваториальных вод Атлантического океана в Северный Ледовитый океан, вплоть до Баренцева моря. Меандрирование Гольфстрима, когда в средних широтах Атлантического океана относительно прямолинейная струя течения принимает извилистый зигзагообразный характер, приводит к значительному удлинению пути переноса тепла экваториальной зоны к Европе. На этом участке происходит с одной стороны рассеяние направленной энергии потока воды и стало быть уменьшается массовый расход Гольфстрима, с другой из-за удлинения пути и соответственно времени переноса тепла единицей массы воды происходит значительное охлаждение потока воды в средних широтах Атлантического океана. По этим двум причинам перенос тепла от экватора к Европе снижается.

Исходя из связи меандрирования Гольфстрима (и других струйных течений океанов) с интенсивностью долгопериодных волн, можно высказать такое предположение о причине периодических похолоданий на Земле. Земля периодически проходит через такие нутационные полосы частот своего вращательного движения, при которых создаются условия для формирования особо интенсивных долгопериодных волн. Это приводит к формированию большого количества меандр на пути потока Гольфстрима и тем самым удлиняется его путь и снижается интенсивность поступления экваториального тепла в северные широты. Наступает похолодание. После прохождения определённой полосы частот, климат теплеет.

Приведём такой численный пример. Рассмотрим один килограмм воды, который перемещается от экватора к Европе со скоростью 2,5 м/сек., (максимальная скорость Гольфстрима). При этом он имеет на экваторе температуру в 30 градусов по Цельсию, а у берегов Европы охлаждается до 10-ти градусов, передавая тепло атмосфере. Внутренняя тепловая энергия, переданная за счёт охлаждения, составит величину: . Кинетическая энергия 1-го килограммы воды, при движении как единое целое составит:

;

Мы видим, что кинетическая энергия общего переноса почти в 10000 раз меньше тепловой энергии, которая переносится за счёт переноса массы воды. Основное поступление энергии, связанное с течением Гольфстрима и определяющее климат Европы, обеспечивается массовым перебросом тепловой энергии от экваториальной области к Европе. Если за счёт увеличения меандрирования Гольфстрима протяжённость течения увеличится, скажем, в два раза, то в два раза уменьшится и массовый перенос тепловой энергии во времени. Это приведёт к похолоданию.

Сейчас выявлена тенденция, что оледенения с течением геологического времени наступают всё чаще и чаще, но по длительности короче и всё менее жёсткие по температуре. Это объяснимо на основе нутационной гипотезы. Известно, что скорость вращения Земли вокруг своей оси постоянно снижается. Принято считать, что это происходит под воздействием гравитационного воздействия Луны, но видимо вносит свой вклад и энергия диссипации океанических течений, получающих энергию от энергии вращения Земли. За миллиарды лет скорость вращения снизилась очень сильно. Считается, что три миллиарда лет назад сутки длились примерно 13 часов, а сейчас 24 часа. Известно, что гидродинамический напор циркуляционного насоса имеет квадратичную зависимость от скорости вращения. Следовательно, гидродинамический напор Гольфстрима сейчас гораздо ниже, чем миллиарды лет назад. Отсюда требуются нутационные волны меньшей интенсивности, чтобы приостановить Гольфстрим и переключить Землю на похолодание. Достаточна меньшая интенсивность нутации, а для этого необходимо меньшее по силе гравитационное воздействие планет, которое встречается чаще. Увеличение нутации земной оси и как следствие меандрирования Гольфстрима приводит к длительному похолоданию и оледенению. Раз начавшись, оледенение усиливает само себя за счёт роста площади ледников, которые отражают солнечные лучи. Процесс продолжается до тех пор, пока не установится равновесие с экваториальной зоной. Это равновесие держится, пока энергия нутации земной оси не израсходуется на формирование нутационных волн в океане и тогда ослабевшие нутационные волны не будут способны разрушить Гольфстрим. Наступает потепление. Но так как диссипация нутационной энергии Земли за счёт формирования долгопеодных волн в океане процесс очень медленный, ледниковый период и длится десятки тысяч лет.

Выскажемся ещё более кардинально о взаимодействии атмосферных течений (ветров) и океанических течений. Ветры не только не способны, как показано выше, вызывать течения, а напротив ветры порождаются океаническими течениями. Не пассатные ветры формируют океанические циркуляции, а океанические циркуляции порождают пассатные ветры. “Важной закономерностью течений в открытом океане является то, что их направление не совпадает с направлением ветра. Оно отклоняется вправо в Северном полушарии и влево в Южном полушарии от направления ветра на угол до 45°. Наблюдения показывают, что в реальных условиях величина отклонения на всех широтах несколько меньше 45°. Каждый нижележащий слой продолжает отклоняться вправо (влево) от направления движения вышележащего слоя”. [11]. Это объясняется тем, что нижние слои атмосферы устремляются за течением воды. Но не за счёт дрейфа, связанного с трением, а, видимо, дрейф связан с температурными и барическими эффектами. Более высокие слои атмосферы, двигаясь по инерции, отклоняются от циркуляционных течений.

Обратим внимание на две циркуляции вокруг полюсов: циркуляцию в Северном Ледовитом океане и течение Западных ветров вокруг Антарктиды. Несмотря на не сопоставимость этих циркуляций по мощности они имеют схожие черты. Обе эти циркуляции движутся по ходу вращения Земли. Выше мы объяснили течение Западных ветров воздействием меридианальных береговых линий Антарктического полуострова и моря Росса. А западные ветры вокруг Антарктиды следуют за течением Западных ветров. Видимо та же картина и в Ледовитом океане, где остров Новая земля и другие островные группы, полуостров Таймыр и др. создают гидравлический подпор, порождающий циркуляцию в Северном Ледовитом океане. То есть оби циркуляции можно объяснить с единых позиций. Причём эта модель позволяет понять, почему тёплые воды Гольфстрима затекают далеко на север в Баренцево море. В восточной части Баренцева моря от острова Новая земля создаётся пониженный уровень, куда и устремляются тёплые воды. Количество втекающих тёплых вод Гольфстрима равно мощности вытекающего холодного Восточно-Гренландского течения. Причём циркуляцию в Северном ледовитом океане нельзя объяснить ветровым механизмом. Северная циркуляция защищена ледяным покровом. Это ещё один вопрос к пассатным теориям. Здесь перепутана причина со следствием. Ветры следуют за течениями. Тогда легко объясняется экваториальная штилевая зона. Северные и Южные Пассаты порождаются северными и южными циркуляциями, которые в области экватора имеют одинаковое направление скорости течения. А вот экваториальное противотечение порождает ветры противоположные Пассатам. В результате возникает штилевая зона. На рингах Гольфстрима (и других струйных течений) формируются атмосферные вихри. При соответствующих атмосферных условиях эти малые вихри, суммируясь, видимо и образуют грозные торнадо.

8. Возможная экспериментальная проверка изложенных представлений

Рассмотрим возможности экспериментальной проверки высказанных гипотез.

8.1 Проверка гипотезы возникновения струйных адвективных океанических течений под воздействием суточного вращения земли

Для экспериментальной проверки данной гипотезы можно предложить следующую установку. Принципиальная конструктивная схема установки изображена на Рис.7.

Установка представляет собой цилиндрическую ёмкость, способную вращаться по и против часовой стрелки вокруг оси проходящей через центр ёмкости. Вертикальными перегородками ёмкость разделена на четыре секции. Секции представляют собой “океаны”, перегородки их береговые линии. Секции заполнены водой. Толщина слоя по отношению к диаметру ёмкости имеет то же соотношение, что и средняя глубина океана в области струйных течений (в среднем порядка 500 метров) к радиусу по экватору или расстоянию между берегами океана по экватору. При вращении ёмкости против часовой стрелки это будет соответствовать картине, при наблюдении за вращением Земли со стороны северного полюса (картинка слева). При вращении по часовой стрелке, это соответствует наблюдению со стороны южного полюса (картинка справа). В каждой из четырёх секций картины должны быть одинаковы. Если картины адвективного движения жидкости в секциях ёмкости будут соответствовать изображённым на рисунке, то это подтвердит предположение автора, если нет, то гипотеза автора займёт не совсем почётное место большинства не сбывшихся. На рисунке слева стрелка -1 соответствует Гольфстриму и Куросио, справа - Бразильскому течению и Игольному. Стрелка -2 слева соответствует Калифорнийскому и Канарскому течениям, справа - Перуанскому и Бенеуэльскому течениям. Стрелка -3 соответствует экваториальным противотечениям. Сплошные круговые стрелки - 4 соответствуют циркуляционным течениям северного и южного полушарий. Тонкими стрелками на рисунках обозначены течения, которых требует гидродинамика в соответствии с законом сплошности. Для наблюдения картины можно использовать малые поплавки (дрифтеры) из лёгкого материала, например пенопласта. Если над ёмкостью закрепить видеокамеру, вращающуюся вместе с ёмкостью, то она зафиксирует картину течений в динамике.

Автор [27] указал мне на то, что гипотеза, связывающая течения с суточным вращением Земли, ранее бала высказана Кеплером. “В. Щевьев: Гипотеза автора была озвучена Кеплером. Он считал, что, поскольку вода слабо связана с Землей, она не успевает за суточным вращением планеты и, следовательно, отстает, что и обуславливает дрейф экваториального течения на запад (Kohl.1868, p. 87).”

Я не разделяю представление о дрейфе экваториального течения на запад. Такое имело бы место, если бы не было материков и их береговых линий. Если бы океан полностью покрывал Землю, то по указанному Кеплером эффекту существовало бы круговое течение вокруг Земли по экватору в направлении с востока на запад, против вращения Земли. Картина течений в океанах была бы предельно простой. Наличие береговых линий сильно изменяет картину. Мы имеем три препятствия на пути дрейфового течения: материки Америка и Африка, да и островная система между Азией и Австралией не способствует дрейфовому течению. В реальных условиях наблюдается стационарный наклон поверхности океанов с запада на восток, возникает неравновесное состояние по градиенту, которое и порождает силы, а последние течения. В реальности имеем течения к полюсам и течение с запада на восток (противотечения), в сторону обратную предсказаниям Кеплера. Хотя идея подпора воды береговой линией из-за инертности воды у Кеплера явно присутствует. На предлагаемой установке, при достаточно больших диаметре и скорости вращения, тоже возможно замерить перепад уровней между западной и восточной перегородкой секции по “экватору”.

8.2 Проверка гипотезы возникновения океанических долгопериодных волн под воздействием нутации земной оси

Что касается представлений о возникновении долгопериодных волн под воздействием приливных волн, которые в свою очередь порождают струйные течения, в том числе Гольфстрим, то критика этих представлений изложена в [11].

Если исходить из того, что периодичность долгопериодных волн совпадает с периодичностью нутации земной оси, то колебания уровня воды у беговой линии должно происходить в фазе с нутационными колебаниями земной оси и соответственно с фазами Луны. Только необходимо исключить влияние ветровых волн, или шум как говорится в теории колебаний. У южного побережья суши, на береговой линии тянущейся по параллели, нужно отгородить стеной область размером скажем 10x10 метров (желательно побольше). Эта стена должна ограждать внутреннюю область от ветровых волн. Вблизи дна стенка должна иметь отверстия для втекания и вытекания воды. Внутри огороженной области необходимо разместить соразмерный области достаточно массивный поплавок, который может вместе с уровнем воды подниматься и опускаться. Если фазы колебаний поплавка по вертикали будут совпадать с фазами нутации земной оси на данном меридиане и кореллировать с фазами Луны, то это подтвердит гипотезу о нутационном происхождении долгопериодных волн. Данная установка позволит оценить и амплитуду нутационных долгопериодных волн.

Можно воспользоваться данными замеров уровней воды на водомерных постах в морских портах. По данным замеров необходимо построить функцию зависимости уровня от времени. Очистить зависимость от высокочастотных ветровых волн. Полученную в результате зависимость разложить методами гармонического анализа на гармоники и сравнить эти гармоники с нутационными гармониками.

Ещё один экспериментальный факт будет говорить в пользу нутационной природы долгопериодных волн. Долгопериодные волны на противоположных сторонах Земли по долготе, в случае нутационной природы, будут в противофазе. Долгопериодные волны Атлантического и Тихого океанов, если брать первую от берега (береговые линии на одной параллели) волну, будут в противофазе.

Заключение

Анализ, принятых в настоящее время механизмов формирования океанических течений, показывает их энергетическую несостоятельность. Мощность этих механизмов на порядки меньше мощности океанических потоков. В отличие от принятых, предлагаемый механизм, связанный с энергией вращения Земли, напротив показывает, что энергия вращения Земли на много порядков превышает энергию океанических течений. Новый механизм достаточно непротиворечиво объясняет всю совокупность фактов, относящихся к океаническим течениям, опираясь на твёрдо установленные экспериментальные данные. При этом не привлекаются неустановленные физические закономерности и связи.

Идея о связи океанических течений с энергией вращательного движения Земли, позволяет с единых позиций объяснить поверхностные и глубинные течения, нарисовать их принципиальную картину. Причём все механизмы возникновения океанических течений вытекают из базовой для данных явлений науки - гидродинамики.

Нутационный механизм формирования долгопериодных океанических волн обладает огромной мощностью и относительно стабилен во времени, что не идёт ни в какое сравнение с механизмами ветровой накачки, приливных волн или флуктуациями атмосферного давления.

Литература

1. Бондаренко А.Л. Гольфстрим: мифы и реальность. http://www.randewy.ru/gml/golf.html

2. Бондаренко А.Л. Крупномасштабные течения и долгопериодные волны Мирового океана. Монография. Издание 2-е, дополненное, 2011г. http://www.randewy.ru/gml/monogr.html

3. Бондаренко А.Л., Жмур В.В. Настоящее и будущее Гольфстрима. // Природа, №7, 2007г.

http://vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/NATURE/07_07/GULFSTREAM.HTM

4. Борисов П.М. Может ли человек изменить климат. - М.: “Наука”, 1970г., 192с.

5. Жаров В.Е. Нутация неупругой Земли. http://www.astronet.ru/db/msg/1196055

6. Косарев А.В. Динамика эволюции неравновесных диссипативных сред. - г. Оренбург, ИПК ”Оренбурггазпромпечать”, 2001г. - 144 стр.

http://www.trinitas.ru/rus/doc/0016/001c/00161990.htm

7. Косарев А.В. Закон роста энтропии как следствие эффекта вырождения результирующего импульса и двойная природа второго закона термодинамики. // Вестник Оренбургского гос. ун-та №7(25), Оренбург, РИК ГОУ ОГУ, 2003г., с. 177-181.