Долгопериодные волны существуют по всей толще океана от поверхности до дна. На поверхности это поперечные волны, т.к. энергия сжатия преобразуется в гравитационный горб. В толще воды долгопериодные волны являются продольными, т.к. энергия сжатия мала, что бы преодолеть гидро столб.
Что касается механизма обеспечивающего увеличение частоты (уменьшение периода) долгопериодных волн от полюса к экватору, то у автора пока нет чёткого понимания. Ведь сам собой в однородной среде без постороннего воздействия период бегущей волны не меняется.
Механизм формирования долгопериодных бегущих волн по своему принципу схож с механизмом возникновения струйных течений при вращении Земли, т.е. это тоже градиентный механизм, но с периодическим воздействием. И воздействие это осуществляется в направлении по меридиану. Рассмотрим процесс на примере Атлантического океана. Покачивание земной оси при нутации происходит в плоскости проходящей через меридиан и центр Земли. Когда ось Земли при нутационном качании движется в Атлантике сторону экватора, то береговые линии севера Атлантики (берега Гренландии, Исландии, Англии, да и линия ледяного панциря Северного ледовитого океана) создают подпор воды, формируют положительную амплитуду бегущей волны. При обратном движении оси формируется отрицательная амплитуда волны. Затем всё периодически повторяется, мы получаем систему бегущих волн, движущихся с севера на юг и имеющих период равный периоду нутации. Северная береговая оконечность Южной Америки при этом формирует бегущие в северном направлении волны той же периодичности, но в противофазе.
Выше уже отмечалось, что 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. В [20] представлены такие цифры. Период обращения Луны вокруг Земли составляет 27,3 суток. В связи с тем, что плоскость вращения Луны вокруг Земли и плоскость вращения Земли вокруг Солнца не совпадают, а имеют определённый угол, то каждые примерно 13,6 суток Луна переходит через плоскость орбиты Земли. Плоскость вращения Луны постоянно изменяет своё положение, но через 18,61 года плоскость лунной орбиты опять занимает прежнее положение. Налицо совпадение лунных периодов и периодов нутации Земной оси. Из этого можно сделать вывод, что Луна оказывает решающее влияние на нутацию Земной оси. Период колебания океанических долгопериодных волн по разным оценкам колеблется от 20-ти до 40-ка суток, что вполне вписывается в согласование с периодичностью нутации на частоте 13.7 и 27,3 суток. Волны с большими периодами (6 месяцев, 1 год, 18,6 лет) не наблюдаются по причине большой текучести воды. Волна с такими периодами растекается по плоскости океана, не успев сформироваться.
Диссипация в струйных потоках связана с трением между слоями. Долгопериодные бегущие волны всю энергию гасят от трения с атмосферой и при достижении противоположного берега. Возможно отражение от береговой линии и встречное движение бегущих волн. Тогда возможно при суперпозиции формирование областей стоячих волн. [14]. Формирование области стоячих волн в области Гольфстрима возможно и при взаимодействии бегущих навстречу друг другу волн с севера и с юга.
Несколько слов о невозможности формирования струйных адвективных течений энергией долгопериодных волн. Стабильность стационарных состояний обеспечивается при равенстве подводимого из вне в диссипативную структуру потока энергии для поддержания неравновесности и отводимой во внешнюю среду диссипированной энергии и энтропии, полученной в результате диссипации кооперативного движения при функционировании структуры.[6, 7]. При этом структура может существовать сколь угодно долго.
где: - кооперативная кинетическая энергия подводимая в структуру извне; - кооперативная энергия диссипированная в структуре при её функционировании.
Если подводимая к диссипативной структуре энергия не будет адекватно диссипировать, то будет идти процесс усиления движения: увеличение скорости струйных течений, увеличение амплитуды колебательных движений. Для стационарных структур необходимо выполнение условия стабильности, в противных условиях структура или затухнет или разрушится. Отметим, что наблюдаемое замедление скорости вращения Земли связано не только с лунными приливными волнами, но и с диссипацией энергии струйных океанических течений, т.к. энергия этих течений черпается из энергии вращения Земли. Причём доля замедления скорости вращения Земли, связанная с океаническими течениями во столько же раз больше доли замедления связанной с лунными приливными волнами, во сколько раз мощность океанических течений больше мощности лунных приливных волн.
Энергия нутационного покачивания Земли не сопоставимо меньше энергии вращательного движения вокруг оси. Уже по этой причине суммарная энергия долгопериодных волн меньше энергии адвективного течения водных масс океана. Нутационные волны не способны породить структуру океанических течений (струйных и циркуляционных).
Я заостряю внимание на стационарности и динамике диссипативных структур с целью показать жёсткую увязанность процессов подвода энергии и её расхода (диссипации). Можно малыми порциями в резонансных условиях накачать большую энергию в систему. Но для этого необходимо чтобы диссипация была ещё меньше и необходимо выполнить условия резонанса. Да, среда океана имеет непрерывный спектр собственных частот, и будет воспринимать энергию практически на любой частоте. Но ведь частота долгопериодных волн вполне определённа, а это значит и источник вынуждающей силы должен иметь определённую частоту.
5. Причина и механизм меандрирования струйных течений
В [10] высказано предположение о влиянии долгопериодных волн на меандрирование струйных потоков и, в конечном счёте, на интенсивность переноса к полюсам экваториального тепла.
По представлениям автора меандрирование Гольфстрима вызвано океаническими бегущими нутационными волнами, которые в средних широтах Атлантического океана, принимают характер стоячих волн, превращающих поверхность океана в своеобразную “холмистую” область.
На основе стоячей природы нутационных долгопериодных волн легко объясняется меандрирование струйного потока и квазипериодическая пульсация его скорости. Когда на пути струйного потока возникает холм (полуволна) долгопериодной волны, 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.
6. Склоновые течения и апвеллинг
“Вблизи берегов, например Чили и юго-западной Африки, наблюдается интересное явление, названное апвеллингом. Встречается оно там, где холодные течения (Перуанское, Калифорнийское, Бенгельское и др.) проходят вдоль берега. Суть явления в следующем. В поверхностных слоях помимо вдольберегового потока постоянно существует перенос в открытое море. Частые ветры усиливают сгон верхних слоёв прочь от берега. При этом глубинные воды, насыщенные кислородом и питательными солями, поднимаются кверху, …”. [24]. Во-первых, отметим, что речь идёт об восточных береговых линиях океанов. Считается, что частые ветры сгоняют воду от восточного берега океанов и тем самым понижают уровень воды вдоль береговой линии. Гидростатическое давление в этой полосе понижается, и вода по законам сообщающихся сосудов затекает из западных глубинных областей океана в полосу апвеллинга. Мы высказали предположение, что понижение уровня воды вдоль восточных побережий океанов на 30 сантиметров, так же как и повышение уровня воды, вдоль западных побережий океанов на ту же величину по линии экватора, связано с суточным вращением Земли. То есть апвеллинг должен существовать независимо от ветра. Причём интенсивность апвеллинга должна снижаться от экватора к полюсам. Ту же гидростатическую природу, связанную с суточным вращением Земли, имеют и склоновые течения западных берегов океанов.
7. Океан и климат
Климат - сложное много факторное явление, со множеством зависимостей. Мы рассмотрим влияние на климат только океанических течений и долгопериодных волн.
Океан - мощный терморегулятор планеты. Благодаря большой массе воды и её высокой теплоёмкости он аккумулирует солнечное тепло, гораздо больше чем суша. Воды океана находятся в беспрерывном движении. Морские течения переносят с собой огромные количества тепла и холода и тем самым выравнивают межсезонную и межширотную изменчивость климата. Известный климатолог и океанолог А.И. Войеков, называя морские течения регуляторами температуры, трубами водяного отопления земного шара, считал, что воздушные течения далеко не в такой степени содействуют выравниванию температур между экватором и полюсами, как морские течения. [4].
Известно, что тёплый климат Европы обеспечивается океаническим течением Гольфстрим, несущим тепло экваториальных вод Атлантического океана в Северный Ледовитый океан, вплоть до Баренцева моря. Меандрирование Гольфстрима, когда в средних широтах Атлантического океана относительно прямолинейная струя течения принимает извилистый зигзагообразный характер, приводит к значительному удлинению пути переноса тепла экваториальной зоны к Европе. На этом участке происходит с одной стороны рассеяние направленной энергии потока воды и стало быть уменьшается массовый расход Гольфстрима, с другой из-за удлинения пути и соответственно времени переноса тепла единицей массы воды происходит значительное охлаждение потока воды в средних широтах Атлантического океана. По этим двум причинам перенос тепла от экватора к Европе снижается.
Исходя из связи меандрирования Гольфстрима (и других струйных течений океанов) с интенсивностью долгопериодных волн, можно высказать такое предположение о причине периодических похолоданий на Земле. Земля периодически проходит через такие нутационные полосы частот своего вращательного движения, при которых создаются условия для формирования особо интенсивных долгопериодных волн. 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, климат теплеет.
Приведём такой численный пример. Рассмотрим один килограмм воды, который перемещается от экватора к Европе со скоростью 2,5 м/сек., (максимальная скорость Гольфстрима). При этом он имеет на экваторе температуру в 30 градусов по Цельсию, а у берегов Европы охлаждается до 10-ти градусов, передавая тепло атмосфере. Внутренняя тепловая энергия, переданная за счёт охлаждения, составит величину: . Кинетическая энергия 1-го килограммы воды, при движении как единое целое составит:
;
Мы видим, что кинетическая энергия общего переноса почти в 10000 раз меньше тепловой энергии, которая переносится за счёт переноса массы воды. Основное поступление энергии, связанное с течением Гольфстрима и определяющее климат Европы, обеспечивается массовым перебросом тепловой энергии от экваториальной области к Европе. Если за счёт увеличения меандрирования Гольфстрима протяжённость течения увеличится, скажем, в два раза, то в два раза уменьшится и массовый перенос тепловой энергии во времени. Это приведёт к похолоданию.
Сейчас выявлена тенденция, что оледенения с течением геологического времени наступают всё чаще и чаще, но по длительности короче и всё менее жёсткие по температуре. Это объяснимо на основе нутационной гипотезы. Известно, что скорость вращения Земли вокруг своей оси постоянно снижается. Принято считать, что это происходит под воздействием гравитационного воздействия Луны, но видимо вносит свой вклад и энергия диссипации океанических течений, получающих энергию от энергии вращения Земли. За миллиарды лет скорость вращения снизилась очень сильно. Считается, что три миллиарда лет назад сутки длились примерно 13 часов, а сейчас 24 часа. Известно, что гидродинамический напор циркуляционного насоса имеет квадратичную зависимость от скорости вращения. Следовательно, гидродинамический напор Гольфстрима сейчас гораздо ниже, чем миллиарды лет назад. Отсюда требуются нутационные волны меньшей интенсивности, чтобы приостановить Гольфстрим и переключить Землю на похолодание. Достаточна меньшая интенсивность нутации, а для этого необходимо меньшее по силе гравитационное воздействие планет, которое встречается чаще. Увеличение нутации земной оси и как следствие меандрирования Гольфстрима приводит к длительному похолоданию и оледенению. Раз начавшись, оледенение усиливает само себя за счёт роста площади ледников, которые отражают солнечные лучи. Процесс продолжается до тех пор, пока не установится равновесие с экваториальной зоной. Это равновесие держится, пока энергия нутации земной оси не израсходуется на формирование нутационных волн в океане и тогда ослабевшие нутационные волны не будут способны разрушить Гольфстрим. Наступает потепление. Но так как диссипация нутационной энергии Земли за счёт формирования долгопеодных волн в океане процесс очень медленный, ледниковый период и длится десятки тысяч лет.
Выскажемся ещё более кардинально о взаимодействии атмосферных течений (ветров) и океанических течений. Ветры не только не способны, как показано выше, вызывать течения, а напротив ветры порождаются океаническими течениями. Не пассатные ветры формируют океанические циркуляции, а океанические циркуляции порождают пассатные ветры. “Важной закономерностью течений в открытом океане является то, что их направление не совпадает с направлением ветра. Оно отклоняется вправо в Северном полушарии и влево в Южном полушарии от направления ветра на угол до 45°. Наблюдения показывают, что в реальных условиях величина отклонения на всех широтах несколько меньше 45°. Каждый нижележащий слой продолжает отклоняться вправо (влево) от направления движения вышележащего слоя”. [11]. Это объясняется тем, что нижние слои атмосферы устремляются за течением воды. Но не за счёт дрейфа, связанного с трением, а, видимо, дрейф связан с температурными и барическими эффектами. Более высокие слои атмосферы, двигаясь по инерции, отклоняются от циркуляционных течений.