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.