Не пассатные ветры формируют океанические циркуляции, а течения порождают пассатные ветры

Ветер и океанические течения

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрен отличный от описанного в литературе механизм взаимодействия атмосферных и океанических течений. Обосновывается прямо противоположный механизм, обеспечивающий влекущее действие океанических течений на атмосферный воздух и приводящий к возникновению ветра. В основе механизма и его обоснования положены первый и второй законы термодинамики.

Ключевые слова: океанические течения, ветер, Гольфстрим, Эль-Ниньо, штилевая зона, пассатные течения, мировой океан, океанология.

https://ic.pics.livejournal.com/ss69100/44650003/1611612/1611612_600.jpg

Рассмотрим проблему взаимодействия океанических и атмосферных течений, которая занимает одно из главных мест в океанологии и метеорологии.

1. Наблюдаемые факты и существующие представления о причинах и механизмах возникновения движений океана.

Приведём общеизвестные факты из океанологии:

“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 1300 км. 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”. [http://geography.kz/slovar/okeanicheskie-techenija].

В 1863 году Мори 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.

https://ic.pics.livejournal.com/ss69100/44650003/1610603/1610603_800.png

Рис. 1


Большинство океанологов при объяснении выше перечисленных фактов опираются на дрейфовые и градиентные представления. Меньшая часть, в том числе и автор [1] на эти вопросы отвечает, c позиций длинноволновой природы течений.

Проанализируем возможности этих причин по формированию океанических течений.

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.

а) Наиболее значимой в образовании течений называется роль ветра.

Самым убедительным доказательством для придерживающихся этих представлений является сравнение глобальных картин океанических и атмосферных течений, составленных по многочисленным экспериментальным наблюдениям. Для сравнения эти картины изображены на рисунке1.

В верней части рисунка изображены схема течений Мирового океана. Рисунок взят из [2]. В нижней части рисунка изображена глобальная схема атмосферных течений. Карта ветров, изображение с сайта clas. ufl. edu.

Сравнение картин действительно выглядит очень убедительным. Однако 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.

https://ic.pics.livejournal.com/ss69100/44650003/1611107/1611107_800.png

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 слабыевоздушные потоки могут вызвать стационарные, на порядки более мощные водные течения?

Налицо противоречие не только с первым, но и со вторым законом термодинамики. 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. [3, 4].

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

Потоки массы отсутствуют. С позиций термодинамики совпадение картин океанических и атмосферных течений (Рис. 1) логичнее и правдоподобнее объяснить увлечением атмосферных масс океаническими течениями. На этом остановимся ниже.

Напрашивается вывод о том, что видимо причиной, увязывающей течения с ветром, стал укоренившийся за века страх перед стихией штормов, разыгрывающихся под действием ветров.

Погодные условия в значительной степени определяются атмосферными течениями.

Причиной ветров являются перепады температур и порождаемые ими перепады давлений на различных участках планеты. Длительные приборные наблюдения метеорологов и океанологов позволили составить карты океанических и атмосферных течений.

Рассмотрим схемы этих течений, изображённых на рисунке1. Схемы показывают убедительное совпадение картин океанических и атмосферных течений над просторами океанов. Картины эти усреднены во времени.

В реальности движения очень переменчивы и флуктуируют в рамках этих стационарных картин. Достаточно вспомнить о меандрировании струйных течений и образовании рингов. Ещё большей флуктуации подвержены атмосферные течения.

И тем не менее из рассмотрения картин напрашивается очевидная связь между атмосферными и океаническими течениями. Это и привело в середине прошлого века большинство океанологов к теории ветрового воздействия как причину океанических течений.

Влекущее действие ветра (его называют касательным или тангенциальным напряжением) приводит в движение верхний слой океана. Как водится было выдвинуто много гипотез, построены математические модели, которые объясняли и с математической “точностью” подтверждали эту точку зрения. Однако уже тогда раздавались голоса против одностороннего ветрового подхода.

Так “П.С. Линейкин (1955 г.) первым отказался от одностороннего «ветрового» подхода к океанической циркуляции и построил принципиально новую теорию, в которой взаимодействуют поля течений и плотности и поновому вырисовывается роль климатических факторов в динамике вод океана”. [5].

Как показано нами выше, исходя из первого закона термодинамики, климатические факторы, включая ветер, не обладают энергетичским потенциалом для формирования океанических течений. К тому же этот механизм противоречит и второму закону термодинамики.

Поэтому нами была высказана идея формирования океанических течений за счёт кинетической энергии вращения Земли, на многие порядки превосходящую энергию океанических течений.

Но остаётся открытым вопрос об установленной очевидной связи между картинами атмосферных и океанических течений. Если ветер не способен вызвать океаническое течение, то связь можно объяснить только тем, что океанические течения создают физические условия для возникновения ветра по течению воды. Попытаемся выяснить механизм этого явления.

Подсказку можно поискать в известном механизме образования дневного и ночного бриза. Дневной (или морской) бриз дует с моря на разогретое дневными лучами солнца побережье. Ночной (или береговой) бриз имеет обратное направление.

Днём на берегу воздух прогревается сильнее чем над морем и по законам конвекции поднимается вверх. Его место замещает более холодный воздух над морем. Возникает движение воздуха с моря на побережье, дневной бриз. В верхних слоях наблюдается обратное движение воздуха, формируется дневная циркуляция.

Ночью происходит всё наоборот. Воздух над берегом охлаждается быстрее чем над морем и это приводит к возникновению конвективных потоков над морской поверхностью. Возникает обратная циркуляция. Однако применение этого механизма к струйному океаническому потоку не объясняет природу движения воздушных масс вслед за водным потоком.

Если воздух прогревается над струйным потоком и устремляется по законам конвекции вверх, то его место замещается воздушными массами расположенными по бокам водного потока. Возникают две циркуляции воздуха. Справа по потоку циркуляция воздуха по часовой стрелке, слева – против часовой стрелки. Но как при этом понять механизм влечения воздушных масс за водным потоком?

В метеорологии установлено, что солнечная энергия, поступающая на землю практически полностью поглощается поверхностью суши и океана. Атмосфера и особенно нижние слои воздуха прогреваются теплом исходящим от поверхности суши и океана.

Исходя из этого попытаемся объяснить механизм влекущего действия водного потока на воздушные массы над ним. Рассмотрим рисунок 2. На рисунке изображён струйный поток и атмосфера над 5 ним. Струйный поток и атмосфера над ним условно разбиты на участки. У нас их три.

Участок атмосферы получает тепло и разогревается от соответствующего ему участка водного потока. Участок-1 получает тепло Q1, участок 2 получает тепло Q2, участок 3 получает тепло Q3. Поступающим от водного потока теплом, воздух на участке 1 прогревается до температуры Татм-1, при этом давление в воздуха в локальной области участка 1 поднимается до Ратм1. Аналогичная ситуация складывается и на участках 2 и 3.

Для того чтобы воздух над водным потоком двигался вслед за потоком необходимо выполнение условия для возникновения перепада давлений между атмосферными участками.

Ратм-1 > Ратм-2 > Ратм-3 (2).

https://ic.pics.livejournal.com/ss69100/44650003/1611465/1611465_600.png

Рис. 2


Для выполнения условия (2) необходимо, чтобы Татм-1 > Татм-2 > Татм-3. (3).

А выполнение условия (3) возможно только при условии, что Q1 > Q2 > Q3. (4). Речь идёт о прогреве единицы массы воздуха во всех трёх зонах при относительно равных условиях.

Обоснуем выполнение указанных условий (2, 3, 4) для системы водного потока и воздушных масс над ним.

Отвод тепла от водного потока к прилегающему к нему слою атмосферы осуществляется главным образом за счёт процесса испарения. При этом вода охлаждается, а воздух прогревается.

Так как водный поток из первого участка во второй поступает несколько охлаждённым, то интенсивность испарения и следовательно отвод тепла на втором участке меньше чем на первом. И так далее по направлению потока. Это и приводит к последовательному выполнению условий (4 → 3 → 2) и следовательно к влекущему действию водного потока на воздушные массы над ним.

Мы уже указывали на усреднённый характер картин океанических и атмосферных течений. Особенно характерны флуктуационные отклонения для атмосферы. По этой причине зависимость (2) носит не каждомоментный характер, а справедлива в среднем по времени, что и обеспечивает в конечном счёте корелляцию океанических и атмосферных течений.

Обратим внимание на циркуляцию в Северном Ледовитом океане. Её нельзя объяснить ветровым механизмом. Северная циркуляция защищена от ветров ледяным покровом. Это ещё один вопрос к пассатным теориям.

Просто объясняется наличие штилевой зоны на экваторе. Пассатные ветры вызываются северным и южным пассатными океаническими течениями и направлены с востока на запад.

Экваториальное противотечение направлено с запада на восток и вызывает параллельное ему атмосферное течение, движущееся против пассатных ветров. Эти два противоположных атмосферных течения нивелируют друг друга и образуется штилевая зона. 6 На вихрях Гольфстрима (и других струйных течений) формируются атмосферные вихри.

При соответствующих атмосферных условиях эти малые вихри, суммируясь, видимо и образуют грозные торнадо.

Исходя из рассмотренного механизма становится понятной причина резкого изменения климата на тихоокеанском побережье южной Америки при изменении направления течения Эль-Ниньо. Когда Эль-Ниньо движется от побережья Перу в сторону Индонезии, то преимущественно в том же направлении дуют ветры и переносится атмосферная влага.

На тихоокеанском побережье южной Америки устанавливается засушливый климат. Когда раз в 2-9 лет тихоокеанское экваториальное противотечение сильно прогревается, то поднимается и движется по поверхности экваториальной зоны Тихого океана. Вслед за водным потоком устремляются атмосферные потоки, приносящие на побережье Южной Америки обильные осадки.

Из вышеизложенного приходим к выводу, что ветры не только не способны вызывать течения, а напротив ветры порождаются океаническими течениями.

Не пассатные ветры формируют океанические циркуляции, а океанические циркуляции порождают пассатные ветры. Здесь перепутана причина со следствием. Ветры следуют за течениями.

А.В. Косарев, И.А. Косарев

ЛИТЕРАТУРА

1. Бондаренко А.Л. Гольфстрим: мифы и реальность. (Материал с сайта “Морской Интернетклуб”).

http://www.randewy.ru/gml/golf.html 2. Борисов П.М. Может ли человек изменить климат. – М.: “Наука”, 1970г., 192с.

3. Косарев А.В. Динамика эволюции неравновесных диссипативных сред. Издание второе, переработанное и дополненное. – Из-во: LAP LAMBERT Academic Publishing, г.

Саарбрюккен, Германия, 2013г., 354с.

4. Косарев А.В. Океанические течения – следствие суточного вращения Земли.

http://www.biodat.ru/doc/lib/kosarev.doc 5. Толмазин Д.В. Океан в движении. – Л.: “Гидрометиздат”, 1976г., 176с.

***

Источник.