Характерные параметры волн россби
Россби-гравитационные волны являются экваториально захваченными волнами (очень похожими на Волны Кельвина), а это означает, что они быстро распадаются по мере удаления от экватора (пока Частота Бранта – Вайсала не остается постоянным). Эти волны имеют тот же масштаб захвата, что и волны Кельвина, более известные как экваториальные. Радиус деформации Россби. [1] Они всегда переносят энергию на восток, но их «гребни» и «впадины» могут распространяться на запад, если их периоды достаточно продолжительны.
Содержание
Вывод
Эти три уравнения можно разделить и решить, используя решения в виде зонально распространяющихся волн, которые аналогичны экспоненциальным решениям с зависимостью от Икс и т и включение структурных функций, которые меняются в зависимости от у-направление:
Однажды частотное отношение формулируется в терминах ω, угловой частоты, задача может быть решена с помощью трех различных решений. Эти три решения соответствуют экваториально захваченная гравитационная волна, экваториально захваченная волна Россби и смешанная гравитационная волна Россби (которая имеет некоторые характеристики первых двух). [3] Экваториальные гравитационные волны могут распространяться либо на запад, либо на восток и соответствовать n = 1 (так же, как для экваториально захваченной волны Россби) на диаграмме дисперсионного соотношения (диаграмма «w-k»). В п = 0 на диаграмме дисперсионного соотношения смешанные гравитационные волны Россби могут быть найдены там, где для больших положительных зональных волновых чисел (+k) решение ведет себя как гравитационная волна; но для больших отрицательных зональных волновых чисел (-k), решение, по-видимому, представляет собой волну Россби (отсюда и термин гравитационные волны Россби). [1] Как упоминалось ранее, групповая скорость (или энергетический пакет / дисперсия) всегда направлена на восток с максимумом для коротких волн (гравитационных волн). [1]
Вертикально распространяющиеся гравитационные волны Россби
Как указывалось ранее, смешанные гравитационные волны Россби являются волнами, захваченными экваториально, если частота плавучести не остается постоянной, вводя дополнительное вертикальное волновое число в дополнение к зональному волновому числу и угловой частоте. Если эта частота Бранта – Вайсала не изменится, эти волны станут вертикально распространяющимися решениями. [1] О типовой «м,k«диаграмма дисперсии, групповая скорость (энергия) была бы направлена под прямым углом к п = 0 (смешанные гравитационные волны Россби) и п = 1 (гравитационные волны или волны Россби) кривые и будут увеличиваться в направлении увеличения угловой частоты. [1] Типичные групповые скорости для каждого компонента следующие: 1 см / с для гравитационных волн и 2 мм / с для планетарных волн (волны Россби). [1]
Эти вертикально распространяющиеся смешанные гравитационные волны Россби были впервые обнаружены в стратосфере как распространяющиеся на запад смешанные волны М. Янаи. [4] Они имели следующие характеристики: 4–5 дней, горизонтальные волновые числа 4 (четыре волны, вращающиеся вокруг Земли, соответствующие длинам волн 10 000 км), длины волн по вертикали 4–8 км и восходящая групповая скорость. [1] Аналогичным образом, смешанные волны, распространяющиеся на запад, были обнаружены в Атлантическом океане Weisberg et al. (1979) с периодом 31 день, горизонтальной длиной волны 1200 км, вертикальной длиной волны 1 км и нисходящей групповой скоростью. [1] Кроме того, в стратосфере была обнаружена вертикально распространяющаяся компонента гравитационных волн с периодами 35 часов, длинами горизонтальных волн 2400 км и вертикальными длинами волн 5 км. [1]
Россби волны, также известный как планетарные волны, являются разновидностью инерционная волна встречающиеся в природе во вращающихся жидкостях. [1] Впервые они были идентифицированы Карл-Густав Арвид Россби.Они наблюдаются в атмосферы и океаны планет из-за вращения планеты. Атмосферный Россби волны на Земле гигантские извилины в высокомвысота ветры которые имеют большое влияние на Погода. Эти волны связаны с системы давления и струйный поток. [2] Океанический Россби волны двигаться по термоклин: граница между теплым верхним слоем и холодной более глубокой частью океана.
Содержание
Типы волн Россби
Атмосферные волны
Атмосферные волны Россби возникают в результате сохранения потенциальная завихренность и находятся под влиянием Сила Кориолиса и градиент давления. Вращение заставляет жидкости поворачиваться вправо при их движении в северном полушарии и влево в южном полушарии. Например, жидкость, которая движется от экватора к северному полюсу, будет отклоняться на восток; жидкость движется к экватор с севера отклонится к западу. Эти отклонения вызваны силой Кориолиса и сохранением потенциальной завихренности, что приводит к изменениям относительной завихренности. Это аналогично сохранению угловой момент в механике. В планетарный атмосферы, включая Землю, волны Россби связаны с изменением эффекта Кориолиса с широта. Карл-Густав Арвид Россби впервые идентифицировал такие волны в Атмосфера Земли в 1939 году и продолжил объяснять свое движение.
Условия «баротропный» и «бароклиника»используются для различения вертикальной структуры волн Россби. Баротропные волны Россби не изменяются по вертикали и имеют самое быстрое распространение. скорости. С другой стороны, бароклинные волновые моды меняются по вертикали. Кроме того, они медленнее, со скоростью всего несколько сантиметров в секунду или меньше. [3]
Большинство исследований волн Россби проводилось на тех, которые находятся в атмосфере Земли. Волны Россби в атмосфере Земли легко наблюдать как (обычно 4-6) крупномасштабные меандры струйный поток. Когда эти отклонения становятся очень выраженными, массы холодного или теплого воздуха отделяются и становятся малопрочными. циклоны и антициклонысоответственно, и несут ответственность за ежедневные погодные условия в средних широтах. Действие волн Россби частично объясняет, почему восточные окраины континентов в Северном полушарии, такие как Северо-восток США и Восточная Канада, холоднее, чем западная Европа в то же широты. [4]
Атмосферные волны, распространяющиеся по направлению к полюсу
Глубокий конвекция (теплопередача) к тропосфера усиливается над очень теплыми морскими поверхностями в тропиках, например, во время Эль-Ниньо События. Это тропическое воздействие генерирует атмосферные волны Россби, которые мигрируют к полюсу и на восток.
Распространяющиеся по направлению к полюсу волны Россби объясняют многие наблюдаемые статистические связи между климатами низких и высоких широт. [5] Одним из таких явлений является внезапное стратосферное потепление. Распространяющиеся по направлению к полюсу волны Россби являются важной и однозначной частью изменчивости в Северном полушарии, как это выражено в модели Тихого океана в Северной Америке. Подобные механизмы применяются в Южном полушарии и частично объясняют сильную изменчивость Море Амундсена регион Антарктида. [6] В 2011 г. Природа Геонауки учиться с использованием модели общей циркуляции связали волны Россби в Тихом океане, вызванные повышением температуры в центральной тропической части Тихого океана, с потеплением в районе моря Амундсена, что привело к зимнему и весеннему континентальному потеплению. Ellsworth Land и Мэри Берд Лэнд в Западная Антарктида за счет увеличения адвекция. [7]
Волны Россби на других планетах
Атмосферные волны Россби, как Волны Кельвина, может произойти на любой вращающейся планете с атмосферой. Y-образное облако на Венере приписывается волнам Кельвина и Россби. [8]
Океанские волны
Бароклинные волны также вызывают значительные смещения океанических термоклин, часто десятки метров. Спутниковые наблюдения выявили величественное распространение волн Россби по всей бассейны океана, особенно в низких и средних широтах. Этим волнам могут потребоваться месяцы или даже годы, чтобы пересечь бассейн, такой как Тихий океан.
Волны Россби были предложены в качестве важного механизма для объяснения нагрева океан на европе, луна Юпитер. [10]
Волны в астрофизических дисках
Волновые неустойчивости Россби также считаются астрофизическими диски, например, вокруг вновь образующихся звезд. [11] [12]
Усиление волн Россби
Было высказано предположение, что ряд региональных экстремальных погодных явлений в Северном полушарии, связанных с блокировкой атмосферной циркуляции, может быть вызван квазирезонансное усиление волн Россби. Примеры включают Европейские наводнения 2013 г., то 2012 наводнение в Китае, то Жара в России 2010 г., то 2010 наводнение в Пакистане и Европейская жара 2003 г.. Даже принимая глобальное потепление принимая во внимание, аномальная жара 2003 года была бы крайне маловероятной без такого механизма.
Обычно свободно путешествует синоптическиймасштабные волны Россби и квазистационарный волны Россби планетарного масштаба существуют в средние широты только со слабыми взаимодействиями. Гипотеза, предложенная Владимир Петухов, Стефан Рамсторф, Стефан Петри, и Ганс Иоахим Шелльнхубер, заключается в том, что при некоторых обстоятельствах эти волны взаимодействуют, создавая статический узор. Они предполагают, что для этого зональный (Восток-Запад) волновое число обоих типов волн должны быть в диапазоне 6–8, синоптические волны должны задерживаться в пределах тропосфера (чтобы энергия не уходила в стратосфера) и средних широтах волноводы должен улавливать квазистационарные компоненты синоптических волн. В этом случае волны планетарного масштаба могут необычно сильно реагировать на орография а также тепловые источники и стоки из-за «квазирезонанса». [13]
Исследование 2017 г. Манн, Рамсторф и др. связано явление антропогенного Арктическое усиление к резонансу планетарных волн и экстремальным погодным явлениям. [14]
Математические определения
Свободные баротропные волны Россби при зональном течении с линеаризованным уравнением завихренности
Предполагается, что возмущение намного меньше среднего зонального потока.
Рассматривая воздушную подушку, не имеющую относительной завихренности перед возмущением (однородная U не имеет завихренности), но с планетарной завихренностью ж в зависимости от широты возмущение приведет к небольшому изменению широты, поэтому возмущенная относительная завихренность должна измениться, чтобы сохранить потенциальная завихренность. Также указанное выше приближение U >> ты гарантирует, что поток возмущений не адвектирует относительную завихренность.
Зональный (Икс-направление) фазовая скорость и групповая скорость волны Россби тогда даются
Значение бета
Волна Россби
Оглавление
Атмосферные волны Россби
Поскольку эти турбулентности в основном вызваны континентальными препятствиями и они гораздо более выражены в северном полушарии, чем в южном полушарии, этот эффект, а следовательно, и волны Россби намного сильнее в северном полушарии.
Океанические волны Россби
Волны Россби играют важную роль в субинерциальной динамике океана. Они обеспечивают стационарную циркуляцию океана под действием ветра и характерным образом формируют их форму, они влияют на свойства мезомасштабных водоворотов в океане и играют важную роль в распространении сигналов океан-климат, например, в событиях ENSO (El Ниньо-Южное колебание).
Они стимулируются во внутренней части океанического бассейна пространственными вариациями приземного ветра и колебаниями давления воздуха на поверхности моря, или они испускаются меридонально протекающими побережьями как реакция на временные колебания ветра и давления воздуха. поля. Длинные волны Россби излучаются с восточного берега, а короткие волны Россби излучаются с западного берега. Из-за своего времени прохождения через океанический бассейн с востока на запад они определяют характерное время реакции для установления стационарной циркуляции океана после изменений в характере движущегося ветра с течением времени.
Хотя существование волн Россби было теоретически доказано более 100 лет назад, только в конце 20-го века их существование было подтверждено с помощью традиционных методов океанографических наблюдений внутри водной толщи и с помощью спутниковой альтиметрии на море. поверхность в каждом океане и на всех широтах.
Математическое описание
Усредненные по вертикали уравнения для горизонтальных составляющих скорости гидростатической жидкости имеют вид
В уравнениях присутствуют:
ж ( у ) знак равно ж ( φ 0 ) + 2 Ω потому что φ 0 Р. у знак равно ж ( φ 0 ) + β у <\ Displaystyle е (Y) = е (\ varphi _ <0>) + <\ frac <2 \ Omega cos varphi _ <0>> 
.
Для уравнения неразрывности жидкости, считающейся несжимаемой, получаем
вертикальная составляющая вращения поля скорости.
В случае вращающейся жидкости приведенное выше уравнение предлагает учесть изменение вращения поля горизонтальной скорости. Для этого формируем уравнения движения вращения, из которых получаем уравнение для изменения во времени вертикальной составляющей вращения скорости, а именно
Это уравнение является линеаризованной формой уравнения сохранения потенциальной завихренности однородной жидкости на вращающейся сфере. Его можно резюмировать в следующей обобщенной форме
d d т ж + ζ ЧАС + η знак равно 0 <\ displaystyle <\ frac <\ mathrm
Если снова вывести уравнение для отклонения морской поверхности в зависимости от времени, результат будет следующим:
Это дает нам уравнение для отклонения морской поверхности от субинерционных движений вращающейся Земли, а именно волн Россби,
Закон дисперсии волн Россби.
Если взять отклонение морской поверхности в виде горизонтально распространяющейся волны
и вставляя эту форму в уравнение движения для волны Россби, дисперсионное соотношение для волны Россби приводит к
Скорость частицы в волнах Россби
Поле скоростей, связанное с волной Россби, хорошо аппроксимируется квазигеострофическими уравнениями
Из-за геострофической адаптации волн Россби течение направлено параллельно гребням и впадинам волн. Небольшие агеострофические пропорции скоростей частиц волн Россби являются результатом зависимости параметра Кориолиса от широты таким образом, что скорости к экватору выше, чем к полюсам. Это приводит к схождению к западу от гребня высокого давления и, таким образом, к увеличению давления там, что приводит к смещению волновой структуры на запад.
Планетарная дивергенция волн Россби
Если мы вычислим дивергенцию для геострофически адаптированной жидкости на вращающейся сфере и вставим результат в уравнение неразрывности, мы получим для уравнения неразрывности
Потенциальная и кинетическая энергия волн Россби.
Плотность потенциальной энергии волны Россби дается соответствующим выражением для волны на мелкой воде: Э. п <\ Displaystyle E _ <\ mathrm
> \,>
Э. п знак равно ρ 2 грамм η 2 ¯ <\ displaystyle E _ <\ mathrm
> = <\ frac <\ rho><2>> g <\ bar <\ eta ^ <2>>>> .
Полоса здесь обозначает среднее значение по длине волны. Плотность кинетической энергии волны является результатом интегрирования локальной кинетической энергии по всему столбу воды, т. Е. Э. k <\ displaystyle E _ <\ mathrm
Э. k знак равно ρ 2 ЧАС ( ты 2 ¯ + v 2 ¯ ) знак равно ρ 2 ж 2 грамм 2 ЧАС ( k 2 + л 2 ) η 2 ¯ <\ displaystyle E _ <\ mathrm .
Отношение кинетической плотности энергии к плотности потенциальной равно
Э. k Э. п знак равно грамм ЧАС ж 2 ( k 2 + л 2 ) знак равно κ ЧАС 2 Р. Р. 2 <\ displaystyle <\ frac .
Вот горизонтальное волновое число. Из этого следует, что плотность потенциальной энергии намного больше кинетической для длинных волн Россби, длины волн которых много больше радиуса Россби. Обе плотности энергии одинаковы для волн Россби с максимальной частотой, а плотность кинетической энергии выше, чем потенциальная для волн Россби с длинами волн, намного меньшими, чем радиус Россби. κ ЧАС <\ displaystyle \ kappa _
Частотный диапазон волн Россби
Из дисперсионного соотношения волн Россби следует, что они в общем случае дисперсионные. Из него можно извлечь большое количество его свойств.
Поскольку частота в дисперсионном соотношении зависит от квадрата меридионального волнового числа l, фазовое распространение волн Россби возможно как на север, так и на юг. С другой стороны, линейная зависимость частоты от зонального волнового числа k волны Россби допускает распространение фазы только в западном направлении. Вообще говоря, распространение фазы возможно только в западном полушарии.
ω м а Икс знак равно 1 2 β Р. Р. знак равно 1 2 β c ж <\ displaystyle \ omega _ <\ mathrm .
Он уменьшается с увеличением ширины в направлении полюсов. Спектральный промежуток между волнами Пуанкаре и волнами Россби увеличивается в направлении полюсов. В качестве альтернативы можно также сказать, что волне Россби с данной частотой или периодом присвоена обратная ширина, так что она больше не может существовать по направлению к полюсу этой ширины. На рисунке справа показано, что данный период может существовать только экваториально по направлению к максимальной широте. Например, бароклинная волна Россби с периодом в один год может существовать только в направлении экватора примерно на 45 ° широты.
Групповая скорость волн Россби
Возмущение давления на западном берегу океана остается незатронутым волнами Россби в течение 8 раз дольше, поскольку максимальная групповая скорость, направленная на восток, соответственно меньше. Таким образом, волны Россби приводят к асимметрии восток-запад в динамических реакциях океана.
Волна Россби и стационарная циркуляция океана
Наблюдения за океаническими волнами Россби
В течение многих десятилетий океанологам было трудно иметь общепринятую теорию волн Россби, но не было прямого наблюдения этого важного явления. Пространственный и временной масштабы, присущие волнам, затрудняли наблюдение волн на месте с помощью доступных в то время измерительных технологий. Эмери и Магаард (1976) и Уайт (1977) получили первые доказательства существования бароклинных планетарных волн в океане, измерив вариации глубины изотерм внутри океана, которые имеют порядок величины 10 мес. Однако оставшиеся ограничения на пространственную и временную выборку шаблонов распространяющихся волн еще не могли обеспечить требуемые характеристики шаблонов волн и их распространения.
Использование высотомеров на орбитальных спутниках в качестве платформы-носителя позволило детально наблюдать свойства волн Россби, измеряя их сигнатуру на поверхности моря. Для определения свойств волн Россби измерения высотомером должны соответствовать следующим требованиям:
Запуск TOPEX / Poseidon (T / P) в 1992 году ознаменовал начало новой эры в наблюдении планетарных волн из космоса. Схема ее орбит вокруг Земли, которая повторяется точно каждые 10 дней, была специально разработана, чтобы избежать приливных искажений в диапазоне масштабов волн Россби. Первые исследования, основанные на измерениях T / P, идентифицировали волны Россби в различных регионах Мирового океана. Обширное исследование Челтона и Шлакс (1996) показало повсеместное распространение волн Россби и доказало, что они имеют тенденцию распространяться быстрее в средних широтах, чем предсказывает линейная теория. Миссия TOPEX / Poseidon была продолжена последующими миссиями Jason 1 и Jason 2 в 2001 и 2008 годах соответственно.
Теория планетарных волн была расширена за счет включения фонового бароклинного течения и изменения рельефа дна океана. Скорости распространения планетарных волн, предсказанные расширенной теорией, в основном согласуются с наблюдениями.
Помимо высотомеров, сигнатуры океанических волн Россби также были обнаружены путем измерения температуры поверхности моря (SST) со спутников. Тепловая сигнатура волн Россби не является таким прямым отражением свойств волн, как смещение морской поверхности. Тем не менее, это важно, потому что оно определяет временные и пространственные масштабы теплового взаимодействия между океаном и атмосферой, что, в свою очередь, важно для изменения климата.
При измерениях распределения концентрации хлорофилла а в океане спутник обнаружил образцы, соответствующие образцам планетарных волн. Это говорит о том, что планетарные волны могут влиять на динамику морских экосистем.
Тепловое и экологическое воздействие планетарных волн может, с одной стороны, за счет адвекции соответствующих меридиональных градиентов за счет скорости частиц волн Россби, с другой стороны, за счет воздействия соответствующих вертикальных потоков тепла, света и света. питательных веществ от свойств поверхностного слоя, толщина которого определяется динамикой волн Россби.
Взаимодействие океана и атмосферы.
Волны Россби Мирового океана.
(продолжение)
Альберт Бондаренко,
доктор географических наук
Формирование крупномасштабных
течений волнами Россби
Формирование крупномасштабных течений волнами Россби. Рассмотрим, что такое крупномасштабные течения и как они формируются волнами Россби. С ними читатель должен быть немного знаком, в основном поверхностно. Поэтому нужно рассказать немного подробнее и о них.
Движения вод в масштабах океана получили название крупномасштабных течений, крупномасштабной циркуляции, в которую вовлечены практически все воды от поверхности до дна. Приповерхностные воды в Северном полушарии совершают антициклоническое движение (по часовой стрелке) и циклоническое (против часовой стрелки) – в Южном. В целом по океану скорости крупномасштабных течений небольшие, приблизительно 10 см/c. Но в западных и экваториальных областях океанов, небольших по площади, они проявляются в виде мощных струйных течений со скоростями до 2,5 м/с, как, например, в Гольфстриме, Куросио, Сомалийском и Экваториальных течениях и др. Гольфстрим среди них наиболее изучаемый. На рис. 4 в качестве примера приведена схема течений Северного полушария Атлантического океана, построенная по данным дрифтерных измерений течений, на которой чётко выделяется Гольфстрим.
Рис. 4. Векторы средних по ансамблю дрифтерных наблюдений течений Северного полушария. Чётко выделяется течение Гольфстрим (1) с большими скоростями течений.
В последние два десятилетия в воды Мирового океана было запущено более пятнадцати тысяч дрифтеров, каждый из которых отслеживал течения в среднем 1,5 года. Дрифтер это устройство поплавкового типа, которое перемещается течением на горизонте (глубине) 15 м от поверхности воды. На поверхности океана скорость течения приблизительно такая же, как и на глубине 15 м. Поэтому можно считать, что дрифтер регистрирует приповерхностные течения. В результате была получена огромная информация о течениях Мирового океана. Информация о движении дрифтера через спутниковые системы передаётся в пункт сбора данных и затем размещается в Интернете. Этой информацией мы и воспользовались для построения схем течений.
В поведении Гольфстрима и в целом струйных течений океанов много неясного, необоснованного и противоречивого, если рассматривать их с позиции популярных, хорошо известных научной общественности и практически общепринятых объяснений их природы. Учёные всегда стремились понять, почему по всему океану течения имеют небольшие скорости, а в западных и экваториальных областях океанов их скорости очень большие. Невозможно доказательно объяснить быстрое меандрирование (раскачивание в стороны) струи Гольфстрима, образование вихрей с очень большими скоростями течений (считается до 1,5 м/с), трудно объяснить, почему массы воды за пределами Гольфстрима с двух сторон и на глубине 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, через некоторое время снова останавливается и далее всё повторяется с некоторой квазирегулярной периодичностью. Такое невозможно объяснить ещё и потому, что смена ситуаций повторяется через очень короткие промежутки времени, порядка 15– 30 суток. Это свойство Гольфстрима демонстрирует информация, приведенная на рис. 5 а, б.
Рис. 5а, б. Трасса дрифтера, запущенного в воды Гольфстрима (верхний рисунок, а) и модуль скорости его движения (нижний рисунок, б). Затемнённым точкам на трассах с числами соответствует время движения дрифтера в сутках с момента его запуска.
Объяснение природы и этих свойств Гольфстрима авторы работы [6] дают с позиции формирования течений волнами Россби. Показано, что крупномасштабные течения это не что иное, как течения волн Россби. Покажем это на примерах, изображённых на рис. 3а, б. В точках 1, 2, 3, 4, расположенных между волнами, скорости течений равны нулю, а в точках I, II, Ш – максимальны. Такое распределение скоростей течений в волнах фиксируется дрифтером или стационарно установленным в потоке прибором, как пульсирующее течение, аналогичное, изображённому, на рис. 5а, б. Это даёт основание считать, что выбранная схема течений (рис.3а, б) близка к реальности. Такое пульсирующее течение свидетельствует о том, что движения воды происходят не только в горизонтальной плоскости, но и вертикальной. Мы задавали вопрос, что заставляет Гольфстрим останавливаться, затем набирать скорость и снова останавливаться? Ответ: волны Россби 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.
Как и во всяких волнах, в волнах Россби масса воды в пространстве не переносится, она перемещается по замкнутому контуру внутри волны. Поскольку прибор не фиксирует движение частиц воды по орбите, т.е. течения, которые и переносят массу воды, а только некую горизонтальную составляющую действия на дрифтер или стационарно установленный прибор частиц воды, движущихся по различным орбитам, создаётся только некая иллюзия переноса масс. Фактически прибор не измеряет течения.
Рассматривая пульсирующее течение, у исследователя складывается впечатление, что движения происходят только в горизонтальной плоскости и поэтому он разделяет исходное измерение на некую квазипостоянную, характеризующую однонаправленное движение воды и переменную, квазигармоническую по форме части “течений”. Первую он ошибочно относит к крупномасштабным течениям, а вторую к волнам Россби. Таким образом и создаётся иллюзия однонаправленного движения вод в крупномасштабных течениях, в частности, в Гольфстриме.
Можно считать, что крупномасштабные течения не переносят массы воды однонаправленно в пространстве или переносят её кране мало. Предположим, в режиме величин второго порядка, в режиме Стоксова или Лагранжева переносов. Во всяком случае, можно утверждать, что массы воды не переносятся со скоростью измеренного среднего течения, а существенно меньшей. Эту проблему следует изучить, чтобы ответить, в каком количестве вода переносится, но уже очевидно, что в небольшом.
Представление о течениях будет неполным, если мы не ответим на вопрос, почему по всему океану скорости течений небольшие, а в западных частях океанов они большие, как, например, в Гольфстриме.
Формирование больших скоростей течений Гольфстрима легко объяснить с позиции известных закономерностей трансформации волн, в частности, волн Россби, в прибрежных зонах океанов. Эффект трансформации волн в прибрежных зонах и, соответственно, увеличения орбитальных скоростей движения частиц воды волн (течений) хорошо знаком, и не только специалистам океанологам. Так, например, волны цунами в открытом океане имеют небольшие амплитуды колебания скорости течения. Но при подходе к берегу или относительно мелководным участкам океана их амплитуды значительно увеличиваются. Всё это читателю должно быть хорошо известно, в частности, из серии телевизионных передач о цунами, произошедшем в Индийском океане в декабре 2004г.
Аналогичное, происходит и с волнами Россби. В удалённой от берега, открытой части океана они имеют небольшие амплитуды колебания скорости течений, порядка 10-15 см/с, но при подходе к зоне близкой берегу амплитуды значительно увеличиваются. Так, в Гольфстриме их средние значения равны 50-100 см/с, а эпизодически достигают 2,5 м/с По мере приближения волн к материку их направление распространения изменяется, становится юго-западным и южным, и в целом вдоль кромки шельфа материка. Это специфическое свойство волн Россби, распространяться вдоль берега так, чтобы берег находился справа отношению направления распространения волн. При этом к области Гольфстрима волны подходят под разными углами и лишь в последствии, южнее широты 38 о, они выстраиваются в систему одно направленных волн, распространяющихся приблизительно вдоль кромки шельфа. Этим и определяется строго направленный характер течений южнее широты 38° и некоторое их раскачивание вправо – влево севернее этой широты.
В открытой части океана, амплитуды колебаний скорости течений волн Россби небольшие, порядка 10 см/с., но при подходе к западной окраине океана, они трансформируются за счёт влияния берега материка и дна океана. Период и длина волн уменьшаются, а амплитуды колебания скорости течения волн возрастают до 2,5 м/с за счёт увеличения их удельной кинетической энергии. Увеличение скоростей течений происходит за счёт концентрации энергии волн и течений в меньших объёмах воды в зоне, близкой берегу. Так, в открытой части океана энергия волн распределена по всей глубине почти равномерно, но при подходе к прибрежной зоне она сосредотачивается в приповерхностном слое океана. Такое происходит не только в прибрежной зоне, относительно мелководной, для Гольфстрима это южная его часть, но и в глубоководной северной, значительно удалённой от берега.
Из сказанного становится ясным, почему скорости течений в Гольфстриме большие, как образуются противотечения, почему течения пульсируют, поток останавливается, масса воды в течениях однонаправленно не переносится и что собой вообще представляют крупномасштабные течения. И всё это волны Россби!
Продолжение следует здесь.
Сведения об авторе.
Альберт Леонидович Бондаренко, океанолог, доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Института водных проблем РАН. Область научных интересов: динамика вод Мирового океана, взаимодействие океана и атмосферы. Достижения: доказательство существенного влияния океанических волн Россби на формирование термодинамики океана и атмосферы, погоды и климата Земли.