Колебания системы Атмосфера - Океан - Земля и природные катаклизмы. Резонансы в Солнечной системе, нарушающие периодичность природных катаклизмов

Колебания системы Атмосфера - Океан - Земля и природные катаклизмы. Резонансы в Солнечной системе, нарушающие периодичность природных катаклизмов

ЯЛТИНСКАЯ МАЛАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ШКОЛЬНИКОВ «ИСКАТЕЛЬ»

Секция физики

Колебания системы « Атмосфера – Океан – Земля» и природные катаклизмы.

Резонансы в Солнечной системе, нарушающие периодичность природных

катаклизмов.

Действительный член МАН Крыма «Искатель»

Ученик 11 класса

Форосской общеобразовательной школы I – III ступени г. Ялты

КОРАБЛЕВ Андрей

Научный руководитель – СЛАСТИХИН Л.П.

Учитель-методист физики

ВВЕДЕНИЕ.

В настоящее время в средствах массовой печати, в научно-популярной

литературе, да и в солидных изданиях все катаклизмы на земле (чрезвычайные

события) стали объясняться воздействием какого-то одного фактора. Многие

провидцы и просто гоняющиеся за сенсациями журналисты из псевдонаучных

изданий выдвигают “теории” о наступающем “конце света”. В мире все

взаимосвязано и нельзя рассматривать одно в отрыве от другого. Я покажу на

примере явления Эль-Ниньо то, как влияют межгодовые колебания системы

Атмосфера-Океан-Земля на протекание различных физических явлений в

атмосфере, в океане, на поверхности земли .

В последние месяцы в средствах массовой информации часто упоминаются

чрезвычайные события (ураганы, наводнения, засухи, небывалые морозы и

т.д.), вызванные возникшим в марте 1997 года явлением Эль-Ниньо –

потеплением поверхностных вод в центральной и восточной частях Тихого

океана. Давайте разберем причины участившихся чрезвычайных событий.

Явление Эль-ниньо неразрывно связано с явлением Южного колебания

(перемещениями масс воздуха над тропическими частями Индийского и Тихого

океанов в южном полушарии), поэтому оба явления изучают как единое явление

Эль-Ниньо - Южное колебание (ЭНЮК), подразумевая под ним механические и

термические колебания тропической атмосферы и океана периодом 2-10 лет.

Будучи геофизическим явлением планетарного масштаба, ЭНЮК, как правило,

приводит к тяжелым экологическим катастрофам, социально-экологические

последствия которых ощушаются во всем мире.

Можно показать, что это явление – лишь одно из проявлений межгодовых

(с периодами 2-10) совместных колебаний системы атмосфера-океан-Земля.Чтобы

понять, как это происходит, рассмотрим колебания каждой из компонент в

отдельности.

В системе Атмосфера – Океан - Земля имеют место автоколебания

периодами 2-10лет. Первопричиной их являются, очевидно, флуктуации

атмосферной циркуляции, которые обусловлены неравномерным разогревом

атмосферы радиацией Солнца. Атмосферная циркуляция является основной

причиной течений в океане. Взаимодействие атмосферной циркуляции с

процессами в океане порождает колебания атмосферы и океана, которые

раскачивают Землю. Поскольку Земля вращается вокруг своей оси, то ее

колебания происходят не в плоскости какого-то меридиана, а по кругу – в

виде нутаций. Географические полюсы Земли при этом совершают круговые

движения. Движения полюсов вызывают полюсной прилив, который в свою очередь

влияет на колебания атмосферы и океана. В итоге в системе атмосфера – океан

Земля наблюдаются нелинейные колебания с характерными для них явлениями

конкуренции, синхронизации и комбинационного резонанса. Вследствие

нелинейности системы и изменений в климатической системе из-за деятельности

человека или внешних факторов колебания носят нерегулярный характер.

Видимыми проявлениями совместных колебаний системы атмосфера - океан

- Земля являются Южное колебание, Эль-Ниньо и Ла-Нинья и движения

географических полюсов Земли. Явление ЭНЮК оказывает существенное влияние

на гидрологический режим Мирового океана и аномалии погоды по всему земному

шару, на жизнь биосферы. Продуктивность биосферы из – за воздействия ЭНЮК

испытывает вынужденные колебания тех же периодов 2 – 10 лет. Во время Эль-

Ниньо складывается крайне неблагоприятная экологическая обстановка для

холоднолюбивых форм планктона, рыб, морских животных и птиц. Биологическая

продуктивность Мирового океана заметно снижается. В период Ла-Нинья

экологические условия становятся благоприятными и продуктивность

восстанавливается. Мировой сбор зерновых и технических культур падает при

Эль-Ниньо и растет при Ла-Нинья. Опасные явления погоды (сильные ливни,

ураганы, морозы, засухи и т.п.) и связанные с ними стихийные бедствия

(наводнения, оползни, пожары, аварии и т.п.) усугубляют негативные

последствия эль-Ниньо.

Дальнейшие эмпирические и теоретические исследования, способствующие

созданию моделей колебаний системы атмосфера – океан – Земля, позволят

предвычислять их фазу, делать успешные прогнозы возникновения Эль-Ниньо и

предупреждать тяжелые экологические и социально – экономические

последствия.

Для исследования должны подвергаться анализу все сенсационные

сообщения всех различных печатных изданий, однако анализ всех предсказаний

нельзя проводить, используя изменения какого – то одного фактора, скажем,

смещения магнитных полюсов. О влиянии на биосферу и цивилизацию надо

анализировать по изменениям в Космосе, Океане, Земле.

КОЛЕБАНИЯ АТМОСФЕРЫ.

В 20-е гг. текущего столетия при анализе аномалий атмосферного

давления в субтропической зоне Южного полушария было замечено, что, когда

атмосферное давление повышено над Тихим океаном, над Индийским оно

понижено, и наоборот. Это явление и было названо Южным колебанием. Позже

выяснилось, что движение гигантских масс воздуха вдоль тропической зоны

океанов, вызывающее чередование знака этих аномалий давления, напоминает

гигантские качели.

Рис. 1 Поле коэффициентов корреляции r между средними годовыми величинами

атмосферного давления станции «Дарвин» (Австралия) и значениями давления в

других пунктах Земли.

На рис. 1 показаны изолинии коэффициентов r ( увеличены в 10 раз). Для

представленного случая в зоне от 300 с.ш. до 350 ю.ш. в Восточном полушарии

коэффициенты корреляции положительные, а в Западном полушарии

отрицательные.

Коэффициент корреляции r в рассматриваемом случае является мерой

линейной статистической связи между многолетними величинами атмосферного

давления в одном пункте (в нашем случае станция «Дарвин» (Австралия)) и

другими пунктами земного шара. Чем ближе его величина к 1 или –1, тем

теснее связь между величинами атмосферного давления в исследуемых пунктах.

Имеются своего рода два центра действия противоположного знака:

австралийско – индонезийский и южнотихоокеанский. Оба расположены в

тропиках Южного полушария ( отсюда и название Южное колебание).

Очаг наиболее тесной отрицательной корреляции (r < - 0,8 )

располагается вблизи станции «Таити» (170 ю.ш. , 1500 з.д.), поэтому в

качестве индекса нужного колебания SOI ( South Oscillation Index)

используют разность нормализованных аномалий давления на метеостанцях

«Таити» и «Дарвин». При SOI ? 0 давление понижено над Тихим океаном и

повышенно над Индийским океаном, при SOI ? 0 картина обратная.

При первом взгляде на многолетние кривые индекса SOI, который

фиксировался непрерывно с 1866 года, создается впечатление, что чередование

его фаз носит случайный характер. Однако спектральный анализ показал

наличие ярко выраженных преимущественных периодов: 6; 3,6; 2,8; 2,4 года (

рис. 2, красная кривая 1). Имеется также небольшой пик около 12 лет.

Важно, что все эти преобладающие периоды ( за исключением периода 2,8 г.)

примерно кратны периоду 1,2 г. ( номера гармоник nk = 5; 3; 2 и 10

соответственно).

70 20 10 7

5

Рис. 2 Спектры мощности двух самых длительных рядов индексов SOI с 1866

г. по 1996 г. ( красная кривая) и сходных с ним индексов DT с 1851 г.

по 1996 г. ( синяя кривая). По оси абсцисс приведены периоды в кварталах,

по оси ординат – спектральная плотность.

КОЛЕБАНИЯ ОКЕАНА.

Явление Южного колебания тесно связано с процессами в океане. При

положительных SOI ( ? 0 ) северо – восточные и юго – восточные пассатные

ветры, дующие в тропиках Тихого океана, нагоняют теплую воду в его западную

часть. Там образуется толстый слой теплого перемешивания. Глубина

термоклина – тонкого слоя воды, отделяющего верхний перемешанный слой от

глубинных слоев океана, в котором температура очень быстро падает с

глубиной, - составляет 200 – 300 м., а температура воды на поверхности

достигает 27 – 300 С. Наоборот, в тропиках восточной части Тихого океана в

результате сгона формируется холодный и тонкий слой перемешивания. Глубина

термоклина не превышает 50 м., а температура воды колеблется от 20 – 250С в

океане до 15 – 190С у побережья Южной Америки.

Когда индекс SOI уменьшается и становится отрицательным, направленный

к западу градиент давления тоже уменьшается, вплоть до обращения знака,

пассатные ветры ослабевают и иногда меняют направление на противоположное:

появляются западные ветры. Теплая вода, накопившаяся в западной части

Тихого океана, не испытывая сопротивления ветра, устремляется на восток в

форме внутренней экваториальной волны, распространяющейся со скоростью 2 –

4 м/с. Когда эта волна достигает берегов Южной Америки, вода накапливается,

повышается уровень моря, углубляется граница термоклина, волна движется

далее, отворачивая к полюсам, и в виде отраженной волны на запад. В

результате этого область теплой воды быстро расширяется. Такие случаи

потепления вод в центральной и восточной частях экваториальной зоны Тихого

океана и получили название явления Эль-Ниньо.

В отличие от термина Эль-Ниньо, которым пользуются рыбаки Перу для

описания локального сезонного теплого течения у берегов Перу и Эквадора,

явление Эль-Ниньо охватывает всю центральную и восточную части

экваториальной зоны Тихого океана и экваториальную зону Индийского океана,

что придает ему глобальное значение.

Эль-Ниньо неразрывно связано с Южным колебанием. Установлено, что чем

больше SOI, тем ниже температура поверхности восточной и центральной частей

Тихого океана. В явлении ЭНЮК поэтому выделяют две крайние фазы: теплую

фазу (Эль-Ниньо) при SOI ? 0 и холодную фазу (Ла-Нинья) при SOI ? 0.

При Эль-Ниньо уровень моря в восточной части Тихого океана примерно на

50 см. выше, чем в западной части, при Ла-Нинья – картина обратная. Это

значит, что в тропической зоне имеются межгодовые колебания уровня моря

между восточной и западной частями Тихого океана амплитудой примерно 50 см.

Спектр этих колебаний аналогичен спектру SOI.

Со времени пионерских работ Дж. Бьеркнеса считается, что ЭНЮК есть

самоподдерживающееся колебание, в котором аномалии температуры поверхности

экваториальной части Тихого океана влияют на интенсивность пассатных

ветров. Последние управляются океаническими течениями, а те в свою очередь

формируют аномалии температуры поверхности океана.

Обычно строятся нелинейные модели взаимодействия океана с пассатными

ветрами и исследуется поведение моделей в зависимости от амплитуды

сезонного цикла температуры воды и скорости течения, параметров,

характеризующих силу трения атмосферы с океаном, вариаций термоклина и т.п.

В частности, показано, что при изменении во времени параметров сцепления и

сезонного воздействия на экваторе возникают совместные колебания аномалий

температуры океана, скорости течения и глубины термоклина с периодом 3 – 4

года и их гармоники. Когда температура воды и скорости течения изменяются в

течение года, предельный цикл становится странным аттрактором – зоной

фазового пространства, к которой притягиваются фазовые траектории и в

которой изображающая точка совершает хаотическое движение, лишенное

свойства повторяемости. Наличие хаоса расширяет и размазывает главные

энергетические пики в спектре и сдвигает их в сторону низких частот.

Годовые вариации основного состояния не только порождают нерегулярности

периода колебаний, но и приводят к синхронизации колебаний с годовым

циклом, в результате чего появляются субгармоники с периодом 3,4 и 5 лет.

Таким образом, все современные модели трактуют ЭНЮК как автоколебания

совместной системы океан – атмосфера, не обращая внимания на то, что в

спектре присутствуют составляющие, кратные не 1 году, а 1,2 года. Период

1,2 года, названный по имени его первооткрывателя периодом Чандлера, - это

период свободного движения географических полюсов Земли. Он определяется

сжатием и упругими свойствами Земли, поэтому естественно было предположить,

что колебания ЭНЮК есть колебания не двойной системы океан – атмосфера, а

тройной: атмосфера – океан – Земля.

ДИНАМИКА ВРАЩАЮЩИХСЯ ТЕЛ.

Прежде чем перейти к рассмотрению значения колебаний Земли в механизме

явления ЭНЮК рассмотрим свойства нашей планеты как вращающегося тела. Нам

необходимо ввести понятия прецессии и нутации.

Рассмотрим быстро вращающийся волчок. Пусть его ось вращения отклонена

от вертикали на угол ? ( см. рис 3)

На волчок действует сила тяжести P = mg, где m – масса волчка, g –

ускорение силы тяжести. Невращающееся тело под действием силы тяжести

падает. В случае волчка падения не наблюдается. Ось его вращения непрерывно

смещается, но не в направлении силы тяжести, а в перпендикулярном ей

направлении, описывая конус вокруг вертикали. Это движение оси волчка

называется прецессией. Чтобы понять, почему так ведет себя волчок,

проанализируем его динамику.

Вектор момента импульса волчка равен H = J?, где J – момент инерции

волчка относительно его оси вращения, ? - вектор угловой скорости. Сила

тяжести Р создает момент силы L относительно точки опора О: L = [ R x P ],

где R – радиус – вектор центра тяжести. Под действием момента силы L момент

импульса волчка

dH

изменяется со скоростью = L. Поскольку вектор L направ-

dt

лен перпендикулярно векторам R и Р, и вектор Н совпадает по направлению с R

, то конец вектора Н и с ним ось вращения волчка смещаются в направлении,

перпендикулярном направлению силы тяжести Р. При отсутствии трения вектор Н

меняется только по направлению, т.е вращается, описывая конус с вершиной в

точке опоры О.

Какова угловая скорость ? прецессии волчка? За промежуток времени dt

вектор Н получает перпендикулярное себе приращение dН = L dt, лежащее в

горизонтальной плоскости. Отношение dН к проекции вектора Н на

горизонтальную плоскость Нsin? дает угол d? поворота этой проекции за

время dt:

L

d? ’ dt

Нsin?

Производная d? / dt является искомой угловой скоростью прецессии:

L mgRsin? mgR

? = = =

Hsin? J? sin? J?

Итак, угловая скорость прецессии прямо пропорциональна величине

момента силы тяжести и обратно пропорциональна моменту импульса волчка.

Направление прецессии определяется правилом: момент силы L заставляет

отрезок Rsin? вращаться около точки О в направлении к вектору L.

Более строгое рассмотрение показывает, что, помимо прецессии, ось

волчка совершает быстрые колебания малой амплитуды. Эти колебания (

дрожание оси ) называются нутацией ( от лат. Nutatio – колебание ).

Удвоенная амплитуда ? - ?0 и период ? нутации волчка приближенно равны:

2АmgRsin?0 2?A

? - ?0 ? ; ? ?

(J?)2 J?

где ? и ?0 - пределы изменения угла ? в результате нутации, А –

момент инерции волчка относительно оси, проходящей через точку О

перпендикулярно оси вращения.

Как известно, Земля вращается вокруг своей оси со скоростью 7,29 . 10-

5 рад /с. Угол наклона этой оси к плоскости земной орбиты – эклиптике –

равен 660 33’ . Момент инерции Земли огромен – 8,04 . 1037 кгм2 . Фигура

Земли близка к фигуре эллипсоида вращения. Когда Луна и Солнце не лежат в

плоскости земного экватора, их силы притяжения стремятся развернуть Землю

так, чтобы экваториальные вздутия располагались по линии, соединяющей центр

масс Земли с Луной и Солнцем. Но так же, как волчок, Земля не

поворачивается в этом направлении, а под действием момента пары сил,

действующих на экваториальные вздутия, прецессирует. Земная ось медленно

описывает конус вокруг перпендикуляра к плоскости эклиптики (рис. 4).

Вершина конуса совпадает с центром Земли. Так как момент импульса

Земли очень велик (59 . 1032 кг . м2 . с-1 ), скорость прецессии очень мала

( период равен примерно 26 тыс. лет). Угол наклона земной оси к эклиптике

при прецессии не меняется, оставаясь равным 660 33’ , и географические

координаты пунктов на Земле остаются без изменений.

Моменты сил притяжения, которые действуют на экваториальные вздутия,

меняются в зависимости от изменения положения Луны и Солнца по отношению к

Земле. Когда Луна и Солнце находятся в плоскости земного экватора, моменты

сил исчезают, а когда склонения Луны и Солнца максимальны, достигают

наибольшей величины. Вследствие таких колебаний моментов сил тяготения

наблюдается нутация земной оси. Нутационное движение складывается из ряда

небольших периодических колебаний. Главнейшее из них имеет период 18,6 года

– период обращения лунных узлов (точек пересечения орбиты Луны с

эклиптикой). Движение с этим периодом происходит по эллипсу. Большая ось

эллипса перпендикулярна направлению прецессионного движения и равна 16,4”

(рис. 4). Малая ось параллельна направлению прецессионного движения и равна

13,7”. Таким образом, ось вращения земли описывает на небесной сфере

волнообразную траекторию, точки которой находятся на угловом расстоянии в

среднем около 230 27’ от полюса эклиптики.

Помимо лунно-солнечной прецессии и нутации, ось вращения Земли

изменяет свое положение также и относительно тела Земли. Это явление

называется движением полюсов. Оно приводит к изменению координат пунктов на

Земле.

КОЛЕБАНИЯ ЗЕМЛИ.

Происходящее в процессе ЭНЮК перераспределение воздушных и водных масс

приводит к тому, что ось наибольшего момента инерции отклоняется по

меридиану Австралии при Эль-Ниньо и по меридиану Таити при Ла-Нинья. Земля,

являясь гироскопом, преобразует качания этой оси в движение оси наибольшего

момента инерции Земли по конусу относительно оси суточного вращения. Из-за

этого точки, в которых ось вращения пересекает земную поверхность –

мгновенные полюсы Земли, - движутся. Они перемещаются по земной поверхности

вокруг своего среднего положения в направлении вращения Земли, т.е. с

запада на восток. Фигура, строение и физические свойства Земли таковы, что

период свободных колебаний полюсов Земли равен 1,2 года. Помимо этого,

чандлерова, движения полюсов имеется еще и вынужденное движение полюсов

периодом 1 год. Сложение этих двух движений порождает биения, в результате

которых радиус траектории полюса меняется от максимального до минимального

с периодом примерно 6 лет ( рис. 5).

Рис. 5 Траектория движения Северного географического полюса Земли в

1990 – 1996

гг. с отметками начала каждого года.

Наибольшее удаление мгновенного полюса от среднего значения не

превышает 15 м. (0,5”).

Движение полюсов порождает прилив в атмосфере и Мировом океане

(полюсной прилив), амплитуда которого зависит от величины смещения полюса.

Волна полюсного прилива движется в атмосфере и океане вслед за полюсами

Земли и, несмотря на свою малость, приводит к синхронизации колебаний

системы атмосфера – океан с циклами движения полюса. В результате в спектре

ЭНЮК появляются гармоники с периодами, кратными чандлерову. Возникает

явление комбинационного резонанса, при котором даже воздействия малой

мощности способны возбудить наблюдаемое движение полюсов. Отсутствие в

спектре ЭНЮК гармоник с периодами 1,2; 4,8; 7,2 года и т.д., вероятно,

связано с явлением конкуренции – подавления одних гармоник другими в

процессе их взаимодействия друг с другом.

Изменения интенсивности явления ЭНЮК во времени приводит к

нестабильности процесса возбуждения чандлеровского движения полюсов, к

изменению его характеристик (амплитуды, фазы, декремента затухания и т.д.).

Например, в 1925 – 1945 гг. наблюдалось значительное затухание этого

движения (в несколько раз уменьшилась его амплитуда, удлинился период и

изменилась фаза). В этот же интервал времени имелись значительные аномалии

в повторяемости теплых фаз ЭНЮК. Фазы с SOI < 0 стали возникать реже, а в

период с 1930 по 1940 гг. длительных интервалов с SOI < 0 вообще не было.

Около 1910 и 1955 гг. наблюдались максимальные амплитуды чандлерова

движения полюсов. За 10 – 15 лет до этих моментов фазы SOI < 0 были

наиболее длительными, интенсивными и, главное, кратными периоду Чандлера.

Эти факты демонстрируют согласованность ЭНЮК с движением географических

полюсов, т.е. с колебаниями оси Земли относительно оси суточного вращения.

Цикличность ЭНЮК тесно связана с цикличностью скорости вращения Земли.

Механизм связи такой. В результате повышения температуры поверхности океана

и выделения скрытого тепла конденсации при явлении Эль-Ниньо экваториальная

Страницы: 1, 2, 3