,; (2). [9].
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 одиннадцать фактов, относящихся к океаническим течениям, что перечислены выше:
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 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 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. С 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 равны 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 природы меандрирования струйных течений в северном полушарии и квазипериодической пульсации скорости струйных течений, автор разделяет точку зрения, высказанную в [1] на то, что эти явления вызываются 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. Сначала о формировании волн Россби. Мы связываем возникновение волн Россби с другим явлением, относящимся к суточному вращению Земли, с явлением нутации Земной оси, периодическим отклонением оси вращения от оси симметрии. В [3] отмечается, что «кроме медленного прецессионного движения ось вращения Земли испытывает и периодические колебания, нутацию с гармониками, основные из которых имеют периоды 13,7 суток, 27,6 суток, 6 месяцев, 1 год, 18,6 лет. Гармоника с периодом 18,6 лет имеет максимальную амплитуду 9». Остальные нутационные гармоники имеют меньшие амплитуды. В результате нутационного движения ось вращения описывает сложные петли в пространстве». В [8] приводится такая информация: «…период нутации равен примерно 440 дням, что обусловлено, по-видимому, неабсолютной жёсткостью Земли. Максимальное расстояние точки земной поверхности, через которую проходит ось вращения, от точки через которую проходит ось симметрии, на северном полюсе не превышает 5 метров». Периодические колебания Земной оси вызывают раскачку воды в морях и океанах, которая проявляется в виде стоячих волн Россби. Нутационные колебания Земли с выше отмеченными частотами - это колебания вынуждающей силы по отношению к водной подсистеме, имеющей собственный спектр колебаний. Этот собственный спектр зависит от многих причин: глубины и протяжённости водного пространства, рельефа дна и береговых линий, плотности, температуры и т.п. Так вот на собственных частотах, резонирующих с колебаниями Земной оси, происходит накачка нутационной энергии в колебательную энергию стоячих волн Россби. Отличительной особенностью стоячих волн является их большая устойчивость в сравнении с бегущими волнами, т.е. меньшее рассеяние плотности накопленной энергии. Отметим, что накопление энергии стоячими волнами Россби связано с теми же свойствами воды, что и накопление гидростатической энергии в меридиональной береговой полосе океанов. Это свойства относительной автономности от земной коры, большая инертность (масса), большая текучесть и упругость. Именно эти свойства убеждают нас в том, что волны Россби являются стоячими, а не бегущими волнами. Бегущие волны с длиной волны в 400 км. должны обладать огромной энергией, а значит и амплитудой, чтобы существовать длительное время. При наблюдаемых амплитудах волн Россби, бегущие волны рассеялись бы очень быстро. Стоячие волны могут колебаться с любой амплитудой. На основе стоячей природы волн Россби легко объясняется меандрирование струйного потока и квазипериодическая пульсация его скорости. Когда на пути струйного потока возникает холм (полуволна) волны Россби, то поток замедляется и скатывается влево или вправо от своей оси, огибая полуволну - холм. При огибании и возникает меандрирование. В дальнейшем, когда струйный поток попадает во впадину волны Россби он ускоряется. Учитывая, что скорость струйного потока и характеристики стоячей волны (длина волны, амплитуда, положение волны по отношению к направлению скорости потока) носят случайный характер и приводит к квазипериодической пульсации скорости потока и непредсказуемости характера меандр.
Исходя из связи меандрирования Гольфстрима с интенсивностью волн Россби, можно высказать такое предположение о причине периодических похолоданий на Земле. По мере наблюдаемого замедления суточного вращения, Земля периодически проходит через такие нутационные полосы частот, при которых создаются условия для формирования особо интенсивных волн Россби. Это приводит к формированию большого количества меандр на пути потока Гольфстрима и тем самым удлиняется его путь и снижается интенсивность поступления экваториального тепла в северные широты. Наступает похолодание. После прохождения определённой полосы частот, связанной с определённой скоростью вращения, климат теплеет.
8). 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. 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 теплоте 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. В самом же слое частицы движутся с одинаковой макроскопической скоростью (скоростью общего переноса). 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 [6 и 7].