Реакция мирового океана на суточное вращение и нутацию Земли

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 556

Реакция мирового океана на суточное вращение и нутацию земли

Косарев А.В., инженер, д.т.н. МАН ВЭ (общественная организация)

Аннотация

океанический течение вращение земля

В статье рассматривается механизм формирования океанических течений. Показано, что эффект центробежного насоса, создающего океанические течения, возникает при суточном вращении Земли. В результате вращения Земли создаётся перепад уровней вод между западным и восточным берегами океанов по линии экватора в 60 сантиметров. Это твёрдо установленный факт. К полюсам в меридиональном направлении этот перепад уменьшается до нуля. Перепад уровней и формирует течения.

В качестве вынуждающей силы, формирующей бегущие долгопериодные волны на поверхности океана, рассматривается нутация оси суточного вращения Земли.

Ключевые слова: океанические течения, Гольфстрим, противотечения, климат, пассатные ветры, волны Россби, нутация, меандрирование, циркуляции.

1. Наблюдаемые факты и существующие представления о механизме возникновения океанических течений

Сложная картина движения водных масс океана формируется как суммирование совокупности различных движений, порождённых не связанными между собой физическими силами и явлениями. Наиболее фундаментальными, базовыми движениями в океане являются океанические круговороты, струйные адвективные течения, как поверхностные, так и придонные, и долгопериодные волны на поверхности океана. К движениям второй величины (по мощности) относятся ветровые волны, приливные волны, формируемые притяжением Луны и Солнца, движения водных масс, связанные с градиентами температуры и концентрации солей. В современной океанологии нет общепринятых представлений о природе струйных адвективных течений и долгопериодных волн. Рассматривается множество механизмов, большинство из которых не обеспечивают энергетику реальных мощностей океанических движений.

Приведём выдержки из [31]:

“В океанах и морях в определенных направлениях на расстояния в тысячи километров перемещаются огромные потоки воды шириной в десятки и сотни километров, глубиной в несколько сотен метров. Такие потоки -- “реки в океанах”-- называются морскими течениями. Движутся они со скоростью 1-3 км/ч, иногда до 9 км/ч. Причин, вызывающих течения, несколько: например, нагревание и охлаждение поверхности воды, осадки и испарение, различия в плотности вод, однако наиболее значимой в образовании течений является роль ветра. Течения по преобладающему в них направлению делятся на зональные, идущие на запад и на восток, и меридиональные - несущие свои воды на север или юг. В отдельную группу выделяют течения, идущие навстречу соседним, более мощным и протяженным. Такие потоки называют противотечениями.

Среди меридиональных течений наиболее известен Гольфстрим. Он переносит в среднем каждую секунду около 75 млн. тонн воды. Для сравнения можно указать, что самая полноводная река мира Амазонка переносит каждую секунду лишь 220 тысяч тонн воды. Гольфстрим переносит тропические воды к умеренным широтам, во многом определяя климат, а значит, и жизнь Европы. Именно благодаря этому течению Европа получила мягкий, теплый климат. Из зональных течений наиболее мощным является течение Западных ветров. На огромном пространстве Южного полушария у побережья Антарктиды нет сколько-нибудь значительных массивов суши. Над всем этим пространством преобладают сильные и устойчивые западные ветры. Они интенсивно переносят воды океанов в восточном направлении, создавая самое мощное во всем Мировом океане течение Западных ветров. Оно соединяет в своем круговом потоке воды трех океанов и переносит каждую секунду около 200 млн. тонн воды (почти в 3 раза больше, чем Гольфстрим). Скорость этого течения невелика: чтобы обойти Антарктиду, его водам необходимо 16 лет. Ширина течения Западных ветров около 1300км. В зависимости от температуры воды течения могут быть тёплыми, холодными и нейтральными. Вода первых теплее, чем вода в том районе океана, по которому они проходят; вторые, наоборот, холоднее окружающей их воды; третьи не отличаются от температуры вод, среди которых протекают. … Многочисленные измерения показали, что течения оканчиваются на глубинах, не превышающих 300 метров”. [31].

Приведём выдержки из [1]:

“Течения имеют различные пространственно - временные масштабы, механизмы и вызваны различными причинами. По пространственно - временным масштабам течения океанов и морей принято разделять на переменные по скорости и направлению, вектор которых меняется неким квазициклическим образом с периодичностью приблизительно до сорока суток и устойчивые или квазиустойчивые по направлению, соизмеримые с масштабами океана или моря. Течения, которые образованы такими движениями воды, получили название крупномасштабных течений, крупномасштабной циркуляции.

В крупномасштабную циркуляцию океанов вовлечены практически все его воды от поверхности до дна. Приповерхностные воды в Северном полушарии совершают антициклоническое движение (по движению часовой стрелки) и циклоническое - в Южном. В целом по океану скорости движения воды небольшие, ~ 10 см/c. Но в западных и экваториальных областях океанов, небольших по площади, они проявляются в виде мощных струйных течений, движений воды со скоростями до 2,5 м/с, как, например, в Гольфстриме, Куросио, Сомалийском и Экваториальных течениях и т. д.

С учётом кинематики течения, движения воды можно разделить на такие виды: дрейфовые, градиентные и длинноволновые. Считается, что основными причинами, вызывающими течения является ветер и колебания атмосферного давления, а также неравномерное положение уровенной поверхности воды, обусловленное такими процессами, как осадки, испарение с поверхности океана, соединение вод различной плотности и т. д. и тот же самый ветер. При этом одна и та же причина может создать течения, имеющие различные механизмы и пространственно-временные масштабы.

Так, движение воздушных масс - ветер в атмосфере создаёт так называемые дрейфовые течения, вызванные ”влекущим действием ветра”. Перемещение масс воды в пространстве осуществляется неравномерно, что создаёт наклон уровенной поверхности океана и, соответственно, градиентные течения. Ветер и колебания атмосферного давления могут создать волны, в том числе и долгопериодные, в частности волны Россби с периодом до 40 суток.

Система Западных пограничных течений от п-ва Флорида до Большой Ньюфаундлендской банки получила название течения Гольфстрим. Считается, что Гольфстрим - это струйное течение, расположенное у восточного побережья Северной Америки, в том месте, где зона материкового шельфа, окаймляющего побережье континента, переходит в прибрежный склон. Гольфстрим - тёплое поверхностное течение, температура воды в котором в отдельных местах иногда достигает 30^o C. Но от берега его отделяют, так называемые, склоновые воды, распреснённые и прохладные. Холодными они становятся севернее, ближе к Ньюфаундленду, где чувствуется влияние по настоящему холодного Лабрадорского течения. Начинается Гольфстрим в проливе между Флоридой и Карибскими островами и сначала не удивляет наблюдателя чрезмерными скоростями течений. Но к северу он набирает силу, расход его увеличивается, и скорости течения иногда достигают 2,5 м/с. Это уже скорости, характерные для горных рек и очень редко имеющие место в океанах, но в Гольфстриме они наблюдаются часто. Относительно большие скорости течений Гольфстрима наблюдаются вплоть до района большой Ньюфаундлендской банки.

Многие исследователи Гольфстрима сравнивают его с течением реки в океане. Они считают, что Гольфстрим часто меняет свое положение (меандрирует) и настолько неустойчив, что определить его границы просто невозможно. Считается, что положение струи Гольфстрима может существенно измениться за 2 - 3 недели. В южной части Гольфстрима он имеет ширину 70 -100 км, а в северной, около Ньюфаундленда около 500 км. Глубина Гольфстрима от поверхности приблизительно равна 500м.

Считается, что меандрирование струи Гольфстрима приводит к образованию вихрей за её пределами с диаметром до 400 км, скорость течения в которых достигает 1,5 м/с. Слева от струи Гольфстрима (т. е. северо-западнее струи) образуются аномалии тёплой воды, которые принимаются за тёплые вихри - антициклоны, а справа (юго-восточнее) - аномалии холодной воды, которые принимаются за холодные вихри - циклоны. Все эти представления о динамике вод Гольфстрима были получены преимущественно путем анализа термохалинных (температуры и солёности) параметров воды, но не прямых измерений течений.

В поведении Гольфстрима и в целом струйных течений океанов много неясного, необоснованного и противоречивого, если рассматривать их с позиции популярных, устоявшихся, хорошо известных научной общественности и практически общепринятых объяснений их природы. Вот некоторые из них. Почему по всему океану течения имеют небольшие скорости, а в западных и экваториальных областях океанов их скорости очень большие? Не объяснено, почему массы воды за пределами Гольфстрима с двух сторон и с глубиной движутся в обратную сторону. Фактически ложе, по которому течёт Гольфстрим, движется в противоположную сторону его движения. Не понятно, почему Гольфстрим пульсирует: останавливается, затем набирает скорость и через некоторое время снова останавливается и далее всё повторяется с некоторой квазирегулярной периодичностью. Такое сложно объяснить ещё и потому, что смена ситуаций повторяется через очень короткие промежутки времени, порядка 10 - 20 суток. Многочисленные попытки воспроизвести на моделях Гольфстрим с этими его особенностями не увенчались успехом. Непонятно, почему так быстро Гольфстрим меандрирует, меняет своё положение с периодичностью до двух - трёх недель. Какие силы заставляют его так быстро менять своё положение?

Мори (1863 г) предложил свою гипотезу формирования Гольфстрима. Восточные пассатные ветры вызывают медленный дрейф вод Атлантического океана к западу в виде Пассатного течения. Большая часть вод Пассатного течения попадает в Карибское море, а затем в Мексиканский залив. Нагон вод в Мексиканский залив приводит к повышению уровня воды в нём по сравнению с уровнем вод Атлантического океана. В результате перепада уровней воды вода из Мексиканского залива через Флоридский пролив поступает в Атлантический океан. Так образуется Гольфстрим. Это гипотетическое объяснение формирования Гольфстрима хотя и популярно, и в настоящее время, никогда не было обосновано экспериментальными наблюдениями уровня океана и течений. Такой информации ранее просто не существовало. В настоящее время ведутся наблюдения уровня океана из космоса и установлено, что уровень воды западной части Атлантического океана у берегов Америки превышает уровень восточной части, около берегов Европы, всего лишь на 0,2 м. Многие исследователи выражают сомнение в возможности создания таких мощных течений такими незначительными перепадами уровня океана. Вообще-то разность уровней океана всё время меняется. Так, в районе экватора Тихого океана течения меняются сезонно в направлениях восток - запад.

Первые репрезентативные измерения течений в районе Гольфстрима начали производится с семидесятых годов прошлого столетия. Было установлено, что однонаправленное движение вод прослеживается до горизонта ~ 500 м, а ниже существует противотечение, скорости которого увеличиваются с глубиной и у дна они максимальны. Скорости этих противотечений существенны, так во Флоридском проливе они достигают ~ 50 см/с. Вдоль Гольфстрима, справа и слева от него существуют поверхностные противотечения со скоростями порядка 5 - 10 см/c.

Последние двадцать лет в воды Мирового океана было запущено более 12 тысяч дрифтеров, каждый из которых в среднем проработал 1,5 года. С их помощью измерялись поверхностные течения и температура морской воды. В результате получена огромная репрезентативная информация о течениях, в том числе Северного полушария Атлантического океана, здесь очень много было запущено дрифтеров. В результате анализа дрифтерных измерений течений и температуры вод океана была получена информация о течениях, изменившая наши представления о их природе, свойствах и параметрах.

Скорость дрифтера всё время меняется, пульсационно. В какой-то момент она равна нулю (или почти нулю), затем дрифтер набирает скорость и очень быстро, за одну - две недели она достигает максимума, затем скорость уменьшается за такое же время и достигает минимальных значений, близких нулю, а затем все квазициклично повторяется. Но как объяснить другой парадокс: течение вроде бы выходит из Мексиканского залива, мы это видим, а вода из залива не поступает”. [1].

Автор [1] на эти вопросы отвечает, c позиций длинноволновой природы течений. Но об этом немного позже в разделе критики принятых воззрений.

Перечислим наиболее важные факты, относящиеся к океаническим течениям.

1). Перепад по широте уровней вод между западным и восточным берегами океанов:

- “Например, в зоне Панамского канала разность уровней Тихого и Атлантического океанов составляет 62 см.” [19].

- “Обычно пассатные ветры гонят слой теплой воды от Американского побережья в сторону Азии, Примерно в районе Индонезии течение останавливается. Уровень поверхности океана там в это время превышает отметку у перуанского побережья на 60 сантиметров. Над нагретым океаном образуются облака, которые обычно проливаются как муссонные дожди над югом Азии. Но когда Эль-Ниньо «проявляет характер», пассаты ослабевают либо совсем не дуют. Нагретая вода растекается в стороны, идет обратно к американскому берегу. Теперь исследователи поняли этот феномен и назвали его «южными колебаниями». Они, словно в ванне, раскачивают океанские нагретые воды с запада на восток и обратно. Только в океане все это протекает гораздо медленнее, чем в ванне. За раскачиваемой водой, как бы сопровождая ее, тянутся и дождевые облака, которые обычно проливались в сентябре-октябре над Индонезией и Австралией.” [18].

- “В настоящее время ведутся наблюдения уровня океана из космоса и установлено, что уровень воды западной части Атлантического океана у берегов Америки превышает уровень восточной части, около берегов Европы, всего лишь на 0,2 м.” [1].

2). Океанические течения вдоль западных берегов океанов движутся от экватора к полюсам, на север и на юг. Вдоль восточных берегов, наоборот, от полюсов к экватору.

3). Наличие экваториального противотечения.

4). Во всех океанах пересекаемых экватором (Атлантическом, Индийском и Тихом) наблюдаются по два больших обще океанических течения, имеющих форму вихря. Причём во всех океанах вихри севернее экватора циркулируют по часовой стрелке, а южнее экватора - против часовой стрелки.

5). Океанические течения вдоль береговых линий носят ярко выраженный струйный характер, со скоростью течения до 2,5 метров в секунду. Причём течения вдоль западного побережья океанов более интенсивные (имеют большую скорость) чем течения вдоль восточных побережий. Но поперечные размеры восточных потоков напротив больше чем западных.

6). Струйные течения (Гольфстрим, Куросио) интенсивно меандрируют (меняют “русло”).

7). Скорость струйных течений в зоне формирования меандр носит пульсирующий характер, то, набирая максимальную скорость, то, снижаясь практически до нуля, а затем все квазициклично повторяется.

8). Отрыв и другие парадоксы Гольфстрима.

9). Формирование по обеим сторонам струйных течений вихрей, которые отшнуровываются от основного потока и образуют ринги. Причём характерно, что по правую сторону от струйного течения вихри закручиваются против часовой стрелки, а с левой стороны - по часовой стрелке.

10). Периодическое изменение направления тихоокеанского течения Эль-Ниньо с преимущественного направления от Перу к Индонезии вдоль экватора, на обратное.

11). Течение Западных ветров, огибающее Антарктиду и течение в Северном Ледовитом океане, совпадающих с направлением вращения Земли.

12). Стационарность общей картины океанических течений.

13). Факт переноса вод Северного Ледовитого океана к берегам Антарктиды.

2. Критика существующих представлений о механизме возникновения океанических течений

Из изложенного выше следует, что к настоящему времени сложились две альтернативные точки зрения на причины, порождающие океанические движения. Это дрейфовый и градиентный механизм и механизм движения, порождаемый волнами Россби.

Сторонники дрейфового и градиентного механизма считают, что основными причинами, вызывающими течения является ветер и колебания атмосферного давления, а также нагревание и охлаждение поверхности воды, неравномерное положение уровенной поверхности воды, обусловленное такими процессами, как осадки, испарение с поверхности океана, соединение вод различной плотности.

Проанализируем возможности этих причин по формированию океанических течений.

Наиболее значимой в образовании течений называется роль ветра.

Возникновение океанических течений под воздействием ветра вызывает сомнение в первую очередь на основании закона сохранения и превращения энергии. Рассмотрим процесс передачи энергии от 1-го метра кубического атмосферы 1-му метру кубическому воды на поверхности океана. Передача должна быть именно такой. Не могут 100 метров кубических атмосферы по физическим условиям передавать одновременно энергию только одному кубометру воды. Будем в первом приближении считать, что вся кинетическая энергия кубометра атмосферы передаётся кубометру воды. Составим баланс энергии. При оценках учтём, что плотность воды на три порядка выше плотности атмосферного воздуха.

; (1)

В (1) - плотность 1-го кубометра, - скорость 1-го кубометра потоков воздуха и воды. Из (1) с учётом соотношения плотностей воды и воздуха получаем: ; Таким образом в зоне Гольфстрима ветер должен постоянно дуть со скоростями более 30-ти метров в секунду. Это в первом приближении. Но воздух не может передать всю свою энергию вплоть до остановки. Он увлекает за собой поток воды, передавая ему часть своей энергии. Получается, что речь идёт о таких ветрах, которые в своём постоянстве просто не наблюдаются.

Приведём ещё такой довод против ветровой причины возникновения океанических течений. Общая масса воды в морях и океанах составляет тонн. Общая масса воздуха в атмосфере Земли - тонн. Причём на нижний слой толщиной 5 км. приходится 50 % массы атмосферы. В нижнем приземном слое толщиной 5 км. масса воздуха в тысячу раз (на три порядка) меньше массы воды в океанах, которую необходимо привести в движение. Так как воздушные массы на высоте нескольких километров не могут непосредственно передать свою ветровую энергию океаническим течениям, то реальная масса воздушных потоков, контактирующая с водной поверхностью, минимум на 4-е порядка меньше массы океанических вод. С учётом сказанного выше о скоростях ветровых потоков, кинетическая энергия ветров слишком мала для обеспечения мощных и стационарных океанических течений. Словосочетание стационарных океанических течений является ключевым. Как, гораздо более хаотичные и слабые воздушные потоки могут вызвать стационарные, на порядки более мощные водные течения? Никакие резонансные подкачки здесь не помогут. Энергию откуда - то нужно брать. Причём брать непрерывно, т.к. мощная стационарная структура океанических течений постоянно теряет направленную кинетическую энергию в процессе диссипации. [6, 7].

К тому же известно и это описывается волновой динамикой, что в открытом океане ветры вызывают только бегущие волны, которые переносят лишь потоки энергии, а масса водной среды колеблется возле положения равновесия. Потоки массы отсутствуют.

Теперь о других причинах возникновения течений:

Осадки и испарение. Последние напрямую связаны с атмосферными явлениями и с присущим воздушным течениям значительным хаосом. Отсюда непонятно, как осадки и испарения могут создавать стационарный перепад уровней вод между западным и восточным берегами океанов, а также между экватором и полюсами? И тем самым обеспечить мощную стационарную структуру океанических течений?

Нагревание и охлаждение поверхности воды. Да, подогревая снизу тонкий слой вязкой жидкости можно получить движение жидкости в форме ячеек Бенара. Но, во-первых, поверхность океанов подогревается сверху. Во-вторых, получение конвективных ячеек планетарного масштаба при тех удельных энергиях, которые подводятся к поверхности океана с лучами Солнца, столь же запредельно гипотетично, что и возникновение конвективных ячеек в кристаллической мантии Земли, вызывающих, по мнению некоторых геофизиков, подвижку литосферных плит.

Различия в плотности вод. Различие в плотности вод объясняют осадками и испарением. О них мы уже говорили. Но даже если мы имеем стационарный градиент распределения в плотности, связанный с распределением солевой концентрации, то, как это вызовет динамические потоки воды? Диффузия не вызывает потоков энергии, а для перепада давлений за счёт явления осмоса в океанах нет соответствующих пористых перегородок. Да, более тяжёлые холодные и солёные массы воды под действием сил тяжести медленно опускаются на нижние горизонты. Но при чём здесь мощные горизонтальные потоки воды?

Проанализируем теперь на основании доводов автора [1] механизм движения, порождаемый волнами Россби. Отметим, что автор неоднократно пишет: “Однако механизм связи волн и течений объяснён не был”.

Приведём доводы автора [1] которыми он обосновывает свои представления:

“Анализ параметров волн Россби или континентальных шельфовых волн и крупномасштабных течений подсказал учёным что, эти два явления, волны и течения, как-то должны быть взаимосвязаны. Обычно в местах с более крупными волнами наблюдались крупномасштабные течения с большими скоростями. Наличие связи многие исследователи объясняли так: крупномасштабные течения сформированы волнами Россби за счёт передачи их энергии течениям. Преимущественно рассматривались два механизма образования крупномасштабных течений путём передачи энергии волн течениям: отрицательной вязкости в волнах и нелинейного взаимодействия волн.

Однако объяснения формирования течений волнами не получили должного развития в океанологии. Как нам кажется, этому две причины: они не были обоснованы экспериментально, впрочем, как и все другие объяснения, и свойство учёных придерживаться прежних представлений о явлениях и не верить новым. Впрочем, это свойство присуще не только учёным, но и всем людям.

Волны и течения следует рассматривать как единый процесс: волны - течения. Общий сигнал течений можно разделить на собственно волновое течение и волновой перенос, т.е. то, что принимается за крупномасштабное течение. Однако механизм связи волн и течений объяснён не был.

Мы уже отмечали, что волны градиентно-вихревые. Движения частиц воды в них имеют вихреобразную форму. Согласно нашим исследованиям, такие вихреобразные движения воды существуют не в Гольфстриме, а с его боков.

Как и во всяких волнах, в волнах Россби масса воды в пространстве не переносится, она перемещается по замкнутому контуру внутри волны. Создаётся только некая иллюзия переноса масс, поскольку прибор не фиксирует движение частиц воды по орбите, которые и переносят массу воды, а только некую горизонтальную составляющую действия на дрифтер движущихся по различным орбитам частиц воды, или на прибор неподвижно установленный в потоке. Они однонаправлены. Рассматривая пульсирующее течение, исследователь считает, что движения частиц воды происходят в горизонтальной плоскости и возвратно - поступательно по одной линии, а поэтому он разделяет исходное измерение на некоторую квазипостоянную, характеризующую однонаправленное движение воды и переменную, квазигармоническую по форме части “течений”. Первую он ошибочно относит к крупномасштабным течениям, в частности Гольфстрима, а вторую к волнам Россби. Таким образом, и создаётся иллюзия однонаправленного движения вод Гольфстрима.

Такое пульсирующее течение свидетельствует о том, что движения воды происходят в вертикальной плоскости. Помните, мы задавали вопрос, что заставляет Гольфстрим останавливаться, затем набирать скорость и снова останавливаться? Ответ: волны Россби, они формируют такой поток в вертикальной плоскости. Таким образом, пульсирующий характер течений Гольфстрима указывает на их волновое происхождение. Вертикальные скорости невелики, при горизонтальных скоростях течений Гольфстрима приблизительно равных 1 м/c, они составляют всего 1 мм/c.

Таким образом, мы объяснили, почему Гольфстрим не переносит одно направленно массы воды, почему вода из Мексиканского залива не поступает, каким образом возникают противотечения, глубинные и с двух сторон Гольфстрима, каким образом возникают температурные аномалии.

Гольфстрим не переносит однонаправлено массы воды, как это нам представляется. Возможно, и существуют однонаправленные перемещения воды в сторону направления течений, но можно однозначно утверждать, что они невелики, на уровне величин второго порядка малости по сравнению со скоростями измеренных течений. Возможно, механизмом таких течений является Лагранжевым или Стоксовым переносом. Это требует дальнейшего изучения. Течения Гольфстрима это преимущественно однонаправленные пульсирующие движения частиц воды волн Россби. В волнах, как и положено, массы воды одно направленно практически не переносятся, а только циркулируют внутри волны. К зоне Гольфстрима волны приходят из открытого океана.” [1].

Выдержки из доводов автора [1] подчёркнуты автором данной статьи.

Прежде чем высказать критические замечания по поводу воззрений автора [1], отметим, что нами ни в коем случае не отрицается факт существования волн Россби и их влияния на океанические течения, о чём изложено ниже. Но мы уже отмечали энергетическую несостоятельность ветрового источника океанических течений. Если конечно не стоять на позиции, что струйные океанические течения, в том числе и Гольфстрим, есть только иллюзия водного потока. Этому вопросу автор [1] уделяет основное внимание в своих исследованиях. При этом, совершенно правильно указывая на тот физический факт, что волны не переносят массу. Но если Гольфстрим иллюзия, то, как тогда объяснить тёплый климат в Западной Европе? Если нет однонаправленного струйного потока от экватора к Европе, то нет и переноса экваториального тепла к Европе. Согласно [1], за скорость направленного перемещения вод Гольфстрима, воспринимается скорость волнового циркуляционного движения, при котором масса воды не переносится, а переносится только энергия. Из такой постановки вопроса вытекает, что кинетическая энергия волнового переноса энергии того же порядка, что и энергия однонаправленного струйного течения.

И второй трудный вопрос. Если однонаправленного потока нет, а происходит круговое движение частиц по сторонам потока, создающее иллюзию однонаправленного потока, то почему горизонтальная скорость в вихре в 1000 раз больше вертикальной скорости? Ведь в таком случае согласно закону сплошности вихревой поток на вертикальных участках должен иметь сечения в 1000 раз большее, чем на горизонтальных участках. Как это объяснить?

Другие замечания к волновой природе течений изложены в разделе 4.

3. Механизм возникновения океанических течений, связанный с суточным вращением земли

3.1 Поверхностные океанические течения

На первый взгляд океанические течения представляют собой очень сложную и запутанную картину. Достаточно взглянуть на Рис.1. Рисунок взят из [4]. Аналогичные схемы можно во множестве найти в Интернете по запросу “океанические течения”. Когда в сложном явлении удаётся разглядеть главное звено, картина резко упрощается и поддаётся общему, универсальному для данного явления, анализу. Исходя из механики вращательного движения и законов гидродинамики [8, 16, 17, 22] можно понять все основные факты, связанные с океаническими течениями. Как видится автору, главным звеном, создающим океанические течения, является суточное вращение Земли, при котором возникает эффект центробежного насоса. Рабочими лопатками этого грандиозного насоса являются береговые линии континентов. Данный насос и создаёт перепад высот уровней воды между западным и восточным берегами океана, по линии экватора, порядка 60-ти сантиметров. Этот, первый из выше перечисленных фактов, свойственных океаническим течениям, является основным для обоснования, предлагаемого механизма. Поэтому необходимо понять, а почему в результате вращения Земли возникает перепад уровней между западным и восточным берегами океана? Может показаться, что воды океанов должны вращаться с той же угловой и линейной скоростью, что и земная кора, включая континенты и их береговые линии. А для того, чтобы возник гидростатический напор необходимо, чтобы западная береговая линия вращалась с большей линейной скоростью, чем примыкающая к ней вода. Оценим относительную линейную скорость вращения береговой линии по отношению к линейной скорости вращения воды, исходя из экспериментально установленного факта перепада уровней.

,; (2). [17].

В (2): - статический напор. Мы приняли статический напор западного берега в 30 см., из представления, что общий перепад воды в океане между западным и восточным берегами в 60 см. складывается из двух составляющих: плюс 30 см. даёт набегающий западный берег и минус 30 см. даёт, двигающийся с большей относительной скоростью (убегающий), восточный берег; - плотность воды; - относительная скорость движения между берегом и водой.

Из (2) находим:

;

Таким образом, чтобы обеспечить статический напор воды у западного берега в 30 см., западный берег должен вращаться с большей линейной скоростью, чем вода на 2,4 м/сек. Чем это можно объяснить? Как представляется автору, причина этого явления кроется в большой текучести воды. Это свойство воды обеспечивается относительно большой плотностью, а значит и инертностью воды и слабыми связями между молекулами воды. Большая текучесть и позволяет силам инерции притормаживать воду по отношению к земной коре при вращении Земли. Об определённой автономности водной среды по отношению к земной коре говорит факт приливных волн, вызываемых притяжением Луны. Именно текучесть позволяет воде активно реагировать на лунное притяжение, хотя земная кора в силу большей плотности, испытывает большее притяжение. Конечно, приливные волны от воздействия Луны существуют и в земной коре, в том числе и под толщей воды в океанах, но этот эффект столь незначителен из-за прочных связей частиц коры, что мы его не замечаем. Возникающая, по причине текучести воды, относительная скорость и вызывает появление статического напора между западным и восточным берегами океана, а также между экватором и полюсами. Линейная скорость вращения Земли изменяется от максимальной на экваторе (~ 460 м/сек) до нуля на полюсах. Соответственно и статический напор меняется от максимального в области экватора до нуля в области полюсов. По этой причине перепад уровней воды между берегами Америки и Европы составляет 20 сантиметров, вместо 60 - ти сантиметров по экватору. Согласно гидродинамике (закон Пуазейля) неуравновешенный сторонней силой гидростатический напор вызывает поток жидкости. Рассмотрим рисунок-2, на котором изображены эпюры статических напоров океанов по линии экватора и в меридиональном направлении и порождаемые ими течения. На рисунке: 1 - 3 - линия экватора; 5 и 6 - Северный и Южный полюса; 1 - 2 - гидростатический напор вдоль западного побережья океана, равный +30 сантиметров в области экватора и снижающийся по линиям 2 - 5 и 2 - 6 до нуля у полюсов; 3 - 4 - гидростатический напор вдоль восточного побережья океана, равный -30 сантиметров в области экватора и повышающийся до нуля у полюсов; площадка 6 - 1 - 5 - 3 - зеркало поверхности океана нулевого уровня, в случае отсутствия суточного вращения Земли; площадка 6 - 2 - 5 - 4 - зеркало поверхности океана, сформированное в результате суточного вращения; 2 - 4 - эпюра гидростатического напора по линии экватора между западным и восточным берегами океана.

Гидростатический напор формируется в узкой (по океаническим меркам) полосе у береговой линии и из этой полосы преобразуется в струйные течения океанов, в прибрежные или экваториальные. В связи со сказанным, реальная эпюра гидростатического напора по линии экватора будет соответствовать не сплошной линии 2 - 4, а пунктирной. То есть зеркало океана будет совпадать на большей части с зеркалом нулевого уровня, поднимаясь в узкой полосе западного побережья и опускаясь в узкой полосе восточного побережья.

Таким образом, автор придерживается градиентного механизма возникновения океанических течений. Однако уровневый градиент поверхности океана связывается с суточным вращением Земли. Если принять эту точку зрения, то сложная картина океанических течений, изображённая на Рис.1 становится объяснимой и взаимоувязанной.

Обратимся опять к цифрам. Масса Земли равна тонн. Масса воды в океанах равна тонн. Линейная скорость вращения Земли у экватора - 460 м/сек. Максимальная скорость океанических течений - 2,5 м/сек., в целом по океану скорости движения воды небольшие, ~ 10 см/cек. Отсюда видно, что кинетическая энергия вращения Земли на порядков, как минимум, больше кинетической энергии океанических течений. Ясно, что такой энергии по силам закрутить океан.

Объясним исходя из принятого механизма и рисунка-2 все те тринадцать фактов, относящихся к океаническим течениям, что перечислены выше в конце раздела 1:

1). Экспериментально установленный факт разности уровней океанов между западным и восточным берегами и снижение этого перепада от экватора к полюсам объяснён выше и связан с направлением суточного вращения Земли и снижением линейных скоростей вращения поверхности Земли от максимальных на экваторе до нуля на полюсах.

2) и 3). Течение жидкости происходит в направлении от более высокого уровня к более низкому. Из эпюры напоров (Рис.2) следует, что вдоль западного побережья океанов течения идут от экватора к полюсам, а вдоль восточного побережья, наоборот, от полюсов к экватору (пунктирные стрелки). По экватору течение (экваториальное противотечение) направлено от западного побережья океана к восточному.

4). Прибрежные течения в северном полушарии на западном и восточном побережьях движутся в противоположных направлениях. Увлекая за собой послойно воды океана расположенные к центру, прибрежные течения формируют крупномасштабную циркуляцию. В северном полушарии, как видно из Рис.2, вихрь будет закручиваться по часовой стрелке. В южном полушарии из-за обратного направления прибрежных течений вихрь закручивается против часовой стрелки.

5). Струйные течения жидкости возникают, согласно закону Пуазейля, под воздействием перепада давлений или уровней. Обратим внимание на такой факт. Максимальная скорость струйных течений, составляет 2,5 м/сек. По нашим оценкам относительная скорость береговой линии и кромки водной поверхности составляет где то 2,4 м/сек. Цифры сопоставимы в пределах точности измерений. И это объяснимо. Относительная скорость формирует гидростатический напор, а последний преобразуется в динамический напор с той же скоростью струи. Меньшую скорость у восточных прибрежных течений можно объяснить видимо тем, что восточный берег, двигаясь также с относительно большей скоростью, чем прилегающая к нему вода, тянет её за собой за счёт сил сцепления. Это приводит к тому, что глубина впадины уменьшается, а ширина увеличивается. То есть эпюра перепада уровней по экватору будет не плюс 30 см. на минус 30 см. как мы приняли ранее в расчёте, а при общем перепаде в 60 см. перепад будет в пользу западного берега в сравнении с нулевым уровнем. Но здесь последнее слово за экспериментальной проверкой. По указанной причине перепад уровней между экватором и полюсами по западному берегу будет круче аналогичных перепадов по восточному берегу. Это и приводит к большим скоростям течений вдоль западных побережий океанов. Согласно закону сплошности (для несжимаемой жидкости постоянству массового расхода) при меньшей скорости жидкости, возрастают поперечные размеры потока. Должно быть обеспечено условие стационарности: сколько жидкости истекает из данной области, столько же должно и притекать.

6) и 7). Что касается причины меандрирования струйных течений и квазипериодической пульсации скорости струйных течений, автор разделяет точку зрения, высказанную в [1] на то, что эти явления вызываются долгопериодными волнами Россби. Но автор данной статьи имеет иную точку зрения на природу формирования волн Россби и несколько отличное представление о взаимодействии волн Россби и струйных потоков. О природе долгопериодных волн и причине меандрирования струйных течений остановимся ниже в разделах 4 и 5. Там же там же выскажемся по пунктам 6) и 7).

8). Рассмотрим парадоксы Гольфстрима.

а) “Но что заставляет Гольфстрим течь узкой струёй, которая сохраняется в океане на расстоянии многих сотен километров? Каждый, кто знаком с гидромеханикой либо просто обладает достаточной наблюдательностью, знает, что поток, вырывающийся из узости (трубы, канала, реки) в большой бассейн, быстро расширяется и теряет скорость. Устойчивость струи Гольфстрима является одним из парадоксов циркуляции в Северной Атлантике”. [24]. Когда поток из трубы вырывается в большой бассейн, то из-за сил вязкого трения в поток вовлекается масса окружающих вод. Масса результирующего импульса потока растёт, соответственно уменьшается скорость результирующего импульса и соответственно потока. При этом из-за сил трения уменьшается кооперативная кинетическая энергия потока. При увеличении массы потока в два раза скорость потока упадёт в два раза. Импульс, оставаясь постоянным, несёт уже вдвое меньшую кооперативную энергию, так как в кинетическую энергию скорость входит в квадрате. Уменьшение кооперативной энергии по причине диссипации, вызванной трением, переходит в тепло. Если этому процессу не противодействовать, то скорость затухнет до нуля. Ситуация с потоком Гольфстрима другая. Энергия Гольфстрима постоянно подпитывается гидродинамическим напором, создаваемым при вращении Земли. Причём, когда подводимая энергия превышает её диссипацию, то наблюдается увеличение скорости Гольфстрима. Когда подпитка становится меньше диссипации, как в зоне Северо-Атлантического течения, то наблюдается уменьшение скорости и увеличение ширины потока. Вообще стационарность диссипативной структуры обеспечивается усреднённым во времени равенством между энергетической мощностью подводимой в структуру извне и мощностью диссипации энергии внутри структуры при её функционировании. Более подробно вопросы динамики кооперативных потоков энергии в диссипативных средах описаны автором статьи, например в [6, 7, 8].

б) “Далее было неясно, почему Гольфстрим устремляется на север и упрямо прижимается к западному береговому склону”. [24]. Линейная скорость вращения береговой линии, от максимальной на экваторе, снижается по меридиану до нуля у полюсов. Следовательно, и гидравлический напор по меридиану снижается соответственно. Сила, порождающая Гольфстрим направлена по меридиану на север. Прижимается поток к западному склону до тех пор пока эффект от набегающей береговой линии превосходит эффект Кориолиса.

в) “И, наконец, ещё одна загадка. Миновав мыс Хаттерас Гольфстрим довольно круто, без видимой причины, поворачивает в открытый океан. Это явление океанологи назвали “отрывом Гольфстрима” от берега”. [24]. В [24] имеется такое объяснение данного явления. “Ученик П.С. Линейкина А. Кутало (1972г.) показал, что, когда расход Гольфстрима достигает некоторой критической величины, сила Кориолиса заставляет его свернуть вправо, в открытый океан”. Представления автора полностью соответствуют А. Кутало.

Причём после отрыва у мыса Хаттерас и поворота Гольфстрима на восток, вдоль западного побережья Атлантического океана, севернее мыса Хаттерас, вновь образуется струйный поток, текущий на север. При достижении критической скорости, при которой силы инерции прижимающие поток к берегу становятся меньше сил Кориолиса, он под действием сил Кориолиса вновь отрывается на восток и так до встречи с Лабрадорским течением. А если струйные течения не массовые течения, а своеобразная перегруппировка долгопериодных волн (по А.Л. Бондаренко), то, как объяснить отклонение Гольфстрима на восток под действием сил Кориолиса?

г) Теперь о температурных особенностях Гольфстрима. Как быстрое западное течение Гольфстрим должен быть холодным течением, а мы наблюдаем обратную картину. Это связано с большой протяжённостью Гольфстрима. Во-первых, Гольфстрим начинается не из Мексиканского залива, как принято думать, а от экватора, т.е. от устья Амазонки, как и все западные струйные течения, что следует из Рис.2. Во-вторых, на его протяжённость и разогрев особое влияние оказывает конфигурация северной части материка Южная Америка. Северная часть материка идёт не перпендикулярно экватору, а почти параллельно. На этом протяжённом экваториальном участке Гольфстрим сильно прогревается. Затем он идёт по пути, который именуется как Антильское течение (некоторая часть вод проходит через Мексиканский залив) и далее по принятому пути.

9). Выясним природу возникновения рингов (вихрей) по сторонам струйного потока и ту их характерную особенность, что вихри слева от потока закручиваются по часовой стрелке, а справой стороны потока - против часовой стрелки. В принципе ринги могут образоваться и в результате меандрирования. Допустим струйный поток встречает на своём пути положительную амплитуду волны (холм) и обходит его, изгибаясь в правую сторону, т.е. получает закрутку против часовой стрелки. В последующем поток попадает в зону отрицательной амплитуды волны Россби (во впадину) и продолжает закручиваться в ту же сторону, описывая полный круг. Возникает момент количества движения, который на основании закона сохранения момента количества движения, заставляет возникший ринг отшнуроваться от струйного потока. Ринг начинает жить самостоятельной жизнью. Вся проблема данного механизма в том, что ринг с данной конкретной закруткой (по или против часовой стрелки) может отшнуроваться как с левой так и с правой стороны потока. Может возникнуть и в центре потока, а не только по краям. Процесс носит случайный характер. Непонятно также как может возникнуть закрутка (ринг) под потоком, исходя из механизма образования меандр. И самое главное, ринги образуются и в областях, где отсутствует меандрирование струйного потока. Объяснение данного явления видится в проявлении другого механизма. Рассмотрим его.

Сегодня принято считать, что жидкость при ламинарном движении потока перемещается отдельными слоями не перемешивающимися между собой. При этом скорость ламинарного потока в поперечном сечении изменяется от нуля у стенки до максимальной по оси трубы и имеет форму параболы (пунктирная линия на рисунке-3). Причем по мере увеличения перепада давления и числа Рейнольдса парабола все более вытягивается. Но жидкость не может двигаться со скоростью меняющейся в поперечном сечении монотонно строго по закону параболы. В таком случае все частицы жидкости, двигаясь с различными скоростями, должны будут с течением времени разлететься на большие расстояния друг от друга и разорвать все связи между ними как в парообразном состоянии, когда частицы практически свободны. На это требуется большое количество энергии сопоставимое со скрытой теплотой парообразования, чего нет в низко температурном и относительно медленном ламинарном потоке. Да и о слоистости в макроскопическом смысле при строго параболическом законе

скорости говорить не приходится, так как толщина слоя в этом случае будет порядка размеров молекул жидкости. А это уже противоречит наблюдаемым фактам о макроскопических размерах слоёв. Поэтому логично предположить, что ламинарный поток имеет также и слоистую структуру скорости как на Рис.3. Центральный слой имеет максимальную скорость, затем по мере удаления слоя от центра к стенке скорость слоев снижается и скорость слоя непосредственно контактирующего со стенкой равна нулю. Скорость ламинарного потока, имея усредненную скорость, изменяющуюся по закону параболы (пунктирная линия), изменяется ступенчато. Парабола - это огибающая реальных скоростей в слоях. В самом же слое частицы движутся с одинаковой макроскопической скоростью (скоростью общего переноса), а в межслое она резко меняется от скорости одного слоя до скорости другого на малой толщине межслоя, порядка размеров частиц жидкости. Так как силы сцепления в межслое разрываются не полностью, то не полностью снимается и растяжение в слое. До момента разрыва связи данная связь служит для передачи кинетической энергии через межслой от быстрого слоя к медленному. Тем самым в ламинарном потоке идёт процесс передачи кооперативной энергии от центра к периферии. Если неравновесность, т.е. перепад давления продолжает нарастать, то вновь нарастает растяжение в массе жидкости до критической величины, при которой начинается формирование нового межслоя ближе к центру и так далее вплоть до начала турбулизации потока, до формирования качественно новой динамической структуры.

Структура ламинарного потока напоминает телескопическую конструкцию, в которой элементы движутся с различными скоростями, от покоящегося внешнего элемента (пристенный слой), до, наиболее быстро движущегося, центрального слоя. Между слоями находится межслой, в котором связи между молекулами жидкости постоянно разрываются и вновь восстанавливаются, возникает определённое динамическое равновесие. В этом природа вязкого трения в жидкости. В межслое слои жидкости скользят относительно друг друга.

По мере возрастания перепада давления на концах канала и увеличения числа Рейнольдса, ламинарный поток испытывает серию бифуркаций, когда число слоёв жидкости возрастает, а их толщина уменьшается. Этот процесс продолжается до достижения критического значения числа Рейнольдса. Телескопическая структура ламинарного потока позволяет построить динамическую модель возникновения вихрей турбулентности. По мере увеличения перепада давления и скорости ламинарного потока с некоторого момента динамическое равновесие в межслое не успевает восстанавливаться, и связи между слоями начинают разрушаться полностью. Так как процессы очень динамичны, то полный разрыв связей в межслое происходит не по всей площади межслоя, а в локальных зонах, ослабленных по каким-либо причинам (флуктуации, вибрации, изменение геометрии потока и т.д.). Вот почему в начальный период возникновения турбулентного движения вихри возникают и исчезают. Так называемая перемежаемость. В силу параболического закона скорости ламинарного потока, указывающего на то, что относительная скорость в межслое расположенном со стороны стенки больше чем в межслое расположенном со стороны центра, то быстрее преодолевается потенциальный барьер молекулярных связей с внешней стороны слоя, т.е. ближе к стенке. Чем больше относительная скорость, тем больше кооперативной энергии для преодоления сил сцепления. Так как с внутренней стороны слоя из-за меньшей относительной скорости потенциальный барьер не преодолен и остается напряженное связанное состояние, то возникают силы перпендикулярные скорости движения потока данного слоя и направленные во внутрь потока. Это приводит к возникновению вихрей, закручивающихся во внутрь потока, которые в свою очередь подчиняются закону сохранения момента импульса, с учётом диссипации. Возникает, в результате бифуркации, турбулентное движение, новая диссипативная структура. Таким образом, слоистая структура ламинарного потока позволяет объяснить механизм образования вихрей турбулентного движения при , то есть при таких числах Рейнольдса при которых кооперативная энергия потока достаточно велика, чтобы в локальных зонах межслоя полностью разрывать силы сцепления. Этот механизм позволяет понять закрутки не только по сторонам потока, но и снизу. При этом закрутка снизу происходит также против скорости потока.

Более подробно механизм образования телескопической структуры ламинарного потока и вихрей турбулентности рассмотрен в [8 и 9].

10). Рассмотрим причины возвратного движения течения Эль-Ниньо в Тихом океане. Огромная масса воды, нагретой в экваториальной зоне океана, обычно перемещается от берегов Южной Америки вдоль экватора в сторону Азии. Время от времени -- период от 2 до 9 лет -- поворачивает обратно и течет от Азии к Америке.

Прибрежные струйные течения вдоль восточного берега более медленные и широкие, чем струйные течения вдоль западного берега. По этой причине вода у восточных побережий прогревается сильнее, чем у западных. Исключение составляет лишь Гольфстрим. Выше мы объяснили этот феномен. Мы уже отмечали, что струйные течения вызывают крупномасштабные циркуляции. Вдоль экватора северная и южная циркуляции имеют линейные скорости, направленные в одну сторону - от Перу к Индонезии. Это вызвано тем, что вихри закручены в разные стороны. (См. Рис.2). Эти вихри в районе экватора в Тихом океане образуют Северное экваториальное и Южное экваториальное течения. Сливаясь вместе, они и дают течение Эль-Ниньо, текущее от Перу к Индонезии. Между Северным и Южным экваториальными течениями, строго по экватору, движется с запада на восток более холодное экваториальное противотечение. Будучи обычно более холодным, а значит и более тяжёлым, это течение опускается под Северное и Южное экваториальные течения, под Эль-Ниньо, текущие в противоположную сторону. Когда время от времени - период от 2 до 9 лет - воды струйного экваториального течения в районе Индонезии сильно прогреваются, они поднимаются вверх. Двигаясь по поверхности океана, струйное экваториальное течение расталкивает в стороны более слабые циркуляционные течения и создаётся впечатление о повороте Эль-Ниньо в обратную сторону. При этом мощный тепловой заряд переносится уже с запада на восток со всеми последствиями для атмосферы.

11). Течение Западных ветров или антарктическое циркумполярное течение движется в сторону вращения Земли, т.е. также как и экваториальные противотечения. Это медленное течение. Оно огибает материк Антарктида за 16 лет. Его скорость по данным [26] лежит в пределах 0,3 - 0,5 м/сек. При этом оно имеет самый большой массовый расход и огромное поперечное сечение, порядка 1300 километров. Если бы это течение было циркуляционным, т.е. вызывалось бы силами сцепления вращающегося материка, то эта скорость была бы в обратную (относительно) сторону и течение не обгоняло, а отставало бы от береговой линии. О невозможности ветровой природы океанических течений мы достаточно подробно говорили выше. Автору представляется, что данное течение вызвано конфигурацией береговой линии Антарктиды. Если мы посмотрим на материк Антарктида, то увидим, что имеются два больших меридиональных выступа. Это западный берег моря Росса, длиной порядка 800 км. и западный берег Антарктического полуострова, длиной порядка 1500 км. Эти размеры сопоставимы с поперечными размерами течения Западных ветров. Именно этими двумя лопатками Антарктида и создаёт гидравлический подпор, который преобразуется в скоростной напор струйного течения. Находясь вблизи полюса и имея невысокие линейные скорости, названные береговые линии создают небольшой подпор. Это и является причиной не высокой скорости течения Западных ветров. Такова же природа и циркуляции в Северном Ледовитом океане.