Попробуем ответить на вопрос, почему между поверхностными и придонными струйными течениями существует обширная зона нулевых горизонтальных скоростей как изображено на Рис.6. Такая схема мною выбрана на основании выделенных выше фактов из [24].
Попытаемся объяснить, почему формируются только поверхностные и придонные струйные потоки. Как мы видели для возникновения струйного потока необходимо вокруг потока формирование хотя бы одного межслоя, то есть поверхности разрыва молекулярных связей в среде жидкости. Разрыв связей происходит при растяжении.
а) Поверхностные струйные течения.
Рассмотрим два сечения по параллелям вдоль западного побережья. На Рис.4 (верхняя часть рисунка) условно изображён поверхностный поток. Между этими сечениями имеется перепад уровней. Под действием силы гравитации вода между сечениями растягивается в сторону понижения уровня. Когда сила растяжения превосходит силы сцепления по определённому охватывающему сечению (условно обозначены как полуокружности), то, как было рассмотрено выше, в среде жидкости формируется межслой и возникает струйный поток воды. Выше мы указывали на физическую разницу между поверхностным и глубинными напорами, возникающими при вращении Земли. Из-за гидростатического столба подъём воды, обеспечивающий перепад уровня, наблюдается в узком приповерхностном слое. Именно в этом слое возникает растяжение воды под действием гравитации.
б) Придонные струйные течения.
Ситуация на глубине иная. Рассмотрим также два сечения по параллелям вдоль западного побережья (нижняя часть Рис.4). Здесь напор между сечениями не растягивает, а сжимает массы воды. Область растяжения формируется только у самого дна, в зоне сцепления молекул воды с поверхностью дна. С этой зоны и начинается разрыв сил сцепления молекул воды, формируется межслой, который, сформировавшись, цилиндрической оболочкой охватывает придонный поток. Причём величина потока, диаметр межслоя и перепад давлений между сечениями, связаны законом Пуазейля-Гагена. На основании закона Пуазейля-Гагена и рисунка - 6 можно заключить, что поверхностные течения где-то в двое интенсивнее глубинных.
в) Ситуация в области между поверхностными и придонными течениями.
В этой области нет условий для формирования межслоя, нет зоны растяжения. Берег набегает на массу воды и сдавливает её. Давление распространяется на огромные массы воды и не способно вызвать поток. Речь идёт о струйных течениях.
Хотелось бы обратить внимание на такой момент. Из различных источников касающихся геофизики рост температуры в земной коре с глубиной составляет 20-30 градусов по Цельсию на километр. Это вызвано конвекцией тепла из внутренних областей Земли. Так как поток конвективного тепла из недр Земли одинаков и в областях континентов и в областях океанов, то температура поверхности дна океана на глубине 2-х километров будет порядка 40-60 градусов по Цельсию, а на глубине 5-ти километров соответственно 100-150 градусов по Цельсию. С одной стороны этот факт вызывает конвективные океанические потоки, порождаемые внутренним теплом Земли. С другой, факт отсутствия чёткого температурного градиента в глубину и наоборот наличие холодных вод на глубине указывает на наличие интенсивных глубинных течений.
4. Нутация земной оси как вынуждающая сила долгопериодных океанических волн
Теперь рассмотрим природу и механизмы формирования долгопериодных океанических волн. Мы связываем возникновение долгопериодных волн с другим явлением, относящимся к движению Земли как целого, с явлением нутации Земной оси, периодическим отклонением оси вращения от оси симметрии.
4.1 Характеристики долгопериодных волн
Долгопериодные океанические волны были открыты в конце шестидесятых годов. С тех пор океанологами была проделана большая работа по экспериментальному выявлению их характеристик, теоретическому описанию их свойств и выявлению причин возникновения этого явления планетарного масштаба.
Выпишем наиболее характерные свойства долгопериодных волн, установленных к настоящему времени.
Длина волн Россби в океане 200-1000км. Так, например, вдоль экватора Тихого океана укладывается приблизительно 10 волн. Высота волн в среднем по океану равна 10см. Но были зафиксированы случаи, когда она достигала 60 см (альтиметрические измерения). Высота это положение гребня волны относительно среднего уровня. Скорость распространения волн на экваторе имеет порядок 1м/с, а во всём остальном океане порядок 5-10 см/с. Особенность экватора заметна. Поэтому эти волны на экваторе выделяются в особый класс волн, экваториальных волн Россби. По существующим представлениям наиболее вероятным источником генерации волн являются флуктуации атмосферного давления. Наиболее благоприятными условиями возбуждения волн являются условия, когда параметры источника флуктуаций и волн совпадают: величина, периоды, длина, скорость распространения, направление распространения. Но они не очень-то совпадают. Так, величина флуктуаций (эквивалент высоты) достигает 30 см водяного столба, что соответствует 30 см уровня воды, период флуктуаций давления, синоптический период равен приблизительно недели, длина флуктуаций (расстояние между максимумами или минимумами, циклонами или антициклонами), несколько тысяч км, скорость распространения приблизительно 300 км/сутки. И, наконец, направление распространения: волны Россби в океане движутся на запад, а система циклонов, т.е. флуктуаций атмосферного давления - на восток. Условия резонанса не благоприятные.
Периоды волн увеличиваются от экватора к северу. На экваторе Тихого океана они имеют период 20 суток, в средних широтах - 40 суток, а на Севере, в Северном Ледовитом около 70 суток.
В средних широтах открытой части Атлантического океана волны имеют приблизительно такие параметры: фазовую скорость распространения 5 см/с, длину волны 400 км, амплитуды колебаний скорости течений 10 - 15 cм/c. Характерным свойством этих волн является свойство всегда и везде в открытой части океана распространяться преимущественно в западном направлении. Они пересекают Атлантический океан от восточных до западных его окраин у Гольфстрима приблизительно за 2 года.
Выше изложенные сведения о характеристиках и свойствах долгопериодных океанических волн почерпнуты мною главным образом из [1, 2] и других работ автора.
4.2 Нутация земной оси как вынуждающая сила долгопериодных волн
В настоящее время наиболее распространёнными являются представления об источниках возбуждения долгопериодных волн связанными с ветровыми и барометрическими флуктуациями. Некоторые авторы связывают возникновение долгопериодных волн с приливными волнами. Приведём доводы автора [1] которыми он обосновывает свои представления:
“Энергия от источника передаётся волновому полю всего Мирового океана малыми дозами, в течение длительного времени, в режиме “накачки” и теми же волнами она перераспределяется по океану. Предположительно источником возбуждения волн является атмосферная активность, флуктуации атмосферного давления или/и ветра. В силу того, что потери энергии в волнах малы, она накапливается в них, и поэтому волны обладают большой энергией. Это тот случай, когда малыми усилиями за счёт резонансного возбуждения приводятся в движение огромные массы воды океана.
Иногда их называют планетарными волнами Россби, подчёркивая, тем самым, их большие размеры. Это свободные, прогрессивные волны, их относят к градиентно-вихревым волнам, динамика которых определяется свойством сохранения потенциального вихря. Наблюдаемые в определённой части океана волны следует рассматривать, как составную часть поля взаимосвязанных волн всего Мирового океана. Последовательность волн во времени и в пространстве представляет собой непрерывный ряд, сформированных в модуляции (группы) малых - больших - малых и т.д. волн.
Изменение амплитуд колебаний скорости течений в волнах и построение их в модуляции происходит за счёт работы некоего неизвестного науке механизма перестройки волн, названного нами модуляционным, но не за счёт отдельных поступлений энергии от источника. Эти поступления энергии от источника никак не отражаются в поведении волн, волны “живут” по своим волновым законам в режиме свободных прогрессивных волн”.
В [10] и [11] предложены механизмы образования океанических течений и долгопериодных волн, связанные с движением Земли как целого. Океанические течения связываются автором с суточным вращением Земли. Вращающаяся Земля, представляет собой циркуляционный насос, а меридиональные береговые линии западных берегов океанов играют роль рабочих лопаток. Образование долгопериодных волн связывается с нутацией земной оси. Оба явления вызваны появлением перепада уровней воды, который возникает из-за относительного запаздывания перемещения воды по сравнению с перемещением земной коры при суточном вращении Земли и нутации земной оси. Это запаздывание вызвано инертностью водных масс. Береговая линия набегает с относительной скоростью на толщу воды и создаёт градиентный подпор по высоте. Как показано ранее относительной скорости в 2,4 м/сек достаточно, что бы создать перепад уровней в 60 см., который экспериментально замерен между западным и восточным берегами океана по линии экватора.
Наиболее характерными свойствами воды, определяющими виды движений водных масс, являются инертность, упругость и текучесть. Ещё одним важным свойством воды является сплошность. Однако сплошность воды имеет достаточно низкий силовой и энергетический барьер на разрыв сплошности, что обеспечивает, к примеру, достаточно лёгкое скольжение слоёв воды относительно друг друга при ламинарном движении. Низкий силовой и энергетический барьер на разрыв сплошности водной среды связан со слабыми водородными связями полярных молекул воды между собой. Перечисленные свойства воды являются идеальными для формирования двух основных видов движения водных масс в океанах: струйные течения, которые носят характер массовых потоков и долгопериодные волновые движения поверхности океанов и морей.
Причём во избежание путаницы чётко разграничим течения и долгопериодные колебания поверхности океана, вызванные бегущими волнами. Струйные течения в потоках без берегов переносят через поперечное сечение потока массу воды (кг/сек через единицу поверхности сечения). Бегущие волны переносят через поперечное сечение по фронту волны только энергию, потоки энергии Умова (дж/сек через единицу поверхности). Речь идёт лишь о колебании возле положения равновесия. Фундаментальные движения формируют в океанах и морях два вида стационарных диссипативных структур, которые порождены совершенно различными силами и живут самостоятельной жизнью. При определённых условиях эти две диссипативных структуры могут взаимодействовать друг с другом, на чём остановимся ниже. На эти два базовых, стационарных во времени и пространстве, движения случайным образом или периодически накладываются другие движения. Это, например, ветровые волны, приливные волны или волны цунами, порождённые мощным локальным выбросом энергии при тектонических событиях (землетрясения) или импактных событиях (падение астероида).
Ось Земли и соответственно весь Земной шар покачивается относительно своего центра масс. Эти покачивания и являются той вынуждающей силой, которая вызывает долгопериодные океанические волны. В [5] 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 [16] 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 бегущих долгопериодных волн. Во время покачивания оси, широтные береговые линии океанов, то надвигаются на водные массы океана, то при обратном движении движутся от водных масс. За счёт периодичности покачивания оси формируются бегущие по поверхности океана волны от берега в открытый океан.
Нутационные колебания Земли с выше отмеченными частотами - это колебания вынуждающей силы по отношению к водной подсистеме, имеющей собственный спектр колебаний. Спектр собственных колебаний водных масс океана носит непрерывный характер и длина волн собственных колебаний изменяется в этом спектре от величины условно сопоставимой с расстоянием между молекулами воды до длин волн условно сопоставимых с длиной экватора. 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 долгопериодных нутационных волн.
Масса Земного шара в 4600 раз больше массы воды в океанах, поэтому для раскачки воды в океане здесь энергии в избытке. К тому же нутация - это стабильный мало переменный процесс, что в свою очередь и порождает стабильные долгопериодные волны в океане. В статье Жарова В.Е. “Нутация неупругой Земли” [5], говорится о более 100 нутационных гармониках. Сейчас разрабатывается теория нутации Земли, учитывающая более 1500 гармоник. Это гармоники вынуждающей силы, которые, резонируя с соответствующими полосами непрерывного спектра собственных колебаний водных масс океана, производят накачку энергии нутации в энергию долгопериодных волн. Причём резонируют не только полосы собственных частот близких к частотам нутации, но и кратные частоты. В результате их суперпозиции формируется сложная картина колебаний. А вот масса атмосферы Земли в 260 раз меньше массы воды в океанах. Поэтому трудно представить, чтобы колебания барометрического давления, к тому же носящие локальный характер, могли породить такое грандиозное явление как долгопериодные волны. Даже в режиме накачки. К тому же барометрические колебания в атмосфере носят достаточно случайный характер и по времени и по географии, а долгопериодные волны носят напротив стабильный характер. Выше отмечено, что долгопериодные волны распространяются преимущественно в западном направлении. Согласно же второго закона термодинамики только порядок может самопроизвольно переходить в хаос, а не наоборот. Разделяю мнение автора [1, 2] о том, что долгопериодные волны очень медленно затухают. Амплитуда колебаний обычно затухает по экспоненте. Свойство этой кривой таково, что чем меньше амплитуда, тем слабее её затухание со временем. Долгопериодные волны как раз имеют ничтожную амплитуду в сравнении со своей длиной. И всё же мощность энергетической накачки за счёт барометрических колебаний не сопоставима с мощностью нутационной накачки. Из нутационной накачки можно понять, почему долгопериодные волны движутся преимущественно на запад. Зарождаясь в северных и южных широтах береговыми линиями, протянувшимися по параллелям, волны движутся в сторону экватора. Здесь возникает вопрос с направлением распространения фронта волны. По нашим представлениям фронт распространяется с севера на юг, а наблюдения показывают движение фронта с востока на запад. Здесь нужно учитывать вращение Земли и связанное с этим относительное движение береговой линии и массы океана. Относительная скорость изменяется от 2,4 м/сек у экватора до нуля у полюсов. Истинная скорость фронта волны геометрически складывается из скорости нутационной волны, направленной с севера на юг и относительной скорости направленной на запад. По этой причине фронт нутационной волны при перемещении на юг с постепенно нарастающей скоростью разворачивается на запад. Точно также ведёт себя и фронт нутационной волны от побережья Южной Америки при движении на север. Увеличение амплитуды долгопериодных волн в областях экватора по сравнению с полярными областями можно объяснить сжатостью земного шара по оси вращения. Радиус на экваторе больше, поэтому при покачивании массы воды на экваторе обладают большей линейной скоростью, а, следовательно, и кинетической энергией, что приводит к увеличению амплитуды.