Колебания системы Атмосфера - Океан - Земля и природные катаклизмы. Резонансы в Солнечной системе, нарушающие периодичность природных катаклизмов
ЯЛТИНСКАЯ МАЛАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
ШКОЛЬНИКОВ «ИСКАТЕЛЬ»
Секция физики
Колебания системы « Атмосфера – Океан – Земля» и природные катаклизмы.
Резонансы в Солнечной системе, нарушающие периодичность природных катаклизмов.
Действительный член МАН Крыма «Искатель»
Ученик 11 класса
Форосской общеобразовательной школы I – III ступени г. Ялты
КОРАБЛЕВ Андрей
Научный руководитель – СЛАСТИХИН Л.П.
Учитель-методист физики
ВВЕДЕНИЕ.
В настоящее время в средствах массовой печати, в научно-популярной
литературе, да и в солидных изданиях все катаклизмы на земле (чрезвычайные
события) стали объясняться воздействием какого-то одного фактора. Многие
провидцы и просто гоняющиеся за сенсациями журналисты из псевдонаучных
изданий выдвигают “теории” о наступающем “конце света”. В мире все
взаимосвязано и нельзя рассматривать одно в отрыве от другого. Я покажу на
примере явления Эль-Ниньо то, как влияют межгодовые колебания системы
Атмосфера-Океан-Земля на протекание различных физических явлений в
атмосфере, в океане, на поверхности земли .
В последние месяцы в средствах массовой информации часто упоминаются чрезвычайные события (ураганы, наводнения, засухи, небывалые морозы и т.д.), вызванные возникшим в марте 1997 года явлением Эль-Ниньо – потеплением поверхностных вод в центральной и восточной частях Тихого океана. Давайте разберем причины участившихся чрезвычайных событий.
Явление Эль-ниньо неразрывно связано с явлением Южного колебания
(перемещениями масс воздуха над тропическими частями Индийского и Тихого
океанов в южном полушарии), поэтому оба явления изучают как единое явление
Эль-Ниньо - Южное колебание (ЭНЮК), подразумевая под ним механические и
термические колебания тропической атмосферы и океана периодом 2-10 лет.
Будучи геофизическим явлением планетарного масштаба, ЭНЮК, как правило, приводит к тяжелым экологическим катастрофам, социально-экологические последствия которых ощушаются во всем мире.
Можно показать, что это явление – лишь одно из проявлений межгодовых
(с периодами 2-10) совместных колебаний системы атмосфера-океан-Земля.Чтобы
понять, как это происходит, рассмотрим колебания каждой из компонент в
отдельности.
В системе Атмосфера – Океан - Земля имеют место автоколебания
периодами 2-10лет. Первопричиной их являются, очевидно, флуктуации
атмосферной циркуляции, которые обусловлены неравномерным разогревом
атмосферы радиацией Солнца. Атмосферная циркуляция является основной
причиной течений в океане. Взаимодействие атмосферной циркуляции с
процессами в океане порождает колебания атмосферы и океана, которые
раскачивают Землю. Поскольку Земля вращается вокруг своей оси, то ее
колебания происходят не в плоскости какого-то меридиана, а по кругу – в
виде нутаций. Географические полюсы Земли при этом совершают круговые
движения. Движения полюсов вызывают полюсной прилив, который в свою очередь
влияет на колебания атмосферы и океана. В итоге в системе атмосфера – океан
Земля наблюдаются нелинейные колебания с характерными для них явлениями
конкуренции, синхронизации и комбинационного резонанса. Вследствие
нелинейности системы и изменений в климатической системе из-за деятельности
человека или внешних факторов колебания носят нерегулярный характер.
Видимыми проявлениями совместных колебаний системы атмосфера - океан
- Земля являются Южное колебание, Эль-Ниньо и Ла-Нинья и движения
географических полюсов Земли. Явление ЭНЮК оказывает существенное влияние
на гидрологический режим Мирового океана и аномалии погоды по всему земному
шару, на жизнь биосферы. Продуктивность биосферы из – за воздействия ЭНЮК
испытывает вынужденные колебания тех же периодов 2 – 10 лет. Во время Эль-
Ниньо складывается крайне неблагоприятная экологическая обстановка для
холоднолюбивых форм планктона, рыб, морских животных и птиц. Биологическая
продуктивность Мирового океана заметно снижается. В период Ла-Нинья
экологические условия становятся благоприятными и продуктивность
восстанавливается. Мировой сбор зерновых и технических культур падает при
Эль-Ниньо и растет при Ла-Нинья. Опасные явления погоды (сильные ливни,
ураганы, морозы, засухи и т.п.) и связанные с ними стихийные бедствия
(наводнения, оползни, пожары, аварии и т.п.) усугубляют негативные
последствия эль-Ниньо.
Дальнейшие эмпирические и теоретические исследования, способствующие созданию моделей колебаний системы атмосфера – океан – Земля, позволят предвычислять их фазу, делать успешные прогнозы возникновения Эль-Ниньо и предупреждать тяжелые экологические и социально – экономические последствия.
Для исследования должны подвергаться анализу все сенсационные сообщения всех различных печатных изданий, однако анализ всех предсказаний нельзя проводить, используя изменения какого – то одного фактора, скажем, смещения магнитных полюсов. О влиянии на биосферу и цивилизацию надо анализировать по изменениям в Космосе, Океане, Земле.
КОЛЕБАНИЯ АТМОСФЕРЫ.
В 20-е гг. текущего столетия при анализе аномалий атмосферного давления в субтропической зоне Южного полушария было замечено, что, когда атмосферное давление повышено над Тихим океаном, над Индийским оно понижено, и наоборот. Это явление и было названо Южным колебанием. Позже выяснилось, что движение гигантских масс воздуха вдоль тропической зоны океанов, вызывающее чередование знака этих аномалий давления, напоминает гигантские качели.
Рис. 1 Поле коэффициентов корреляции r между средними годовыми величинами атмосферного давления станции «Дарвин» (Австралия) и значениями давления в других пунктах Земли.
На рис. 1 показаны изолинии коэффициентов r ( увеличены в 10 раз). Для представленного случая в зоне от 300 с.ш. до 350 ю.ш. в Восточном полушарии коэффициенты корреляции положительные, а в Западном полушарии отрицательные.
Коэффициент корреляции r в рассматриваемом случае является мерой линейной статистической связи между многолетними величинами атмосферного давления в одном пункте (в нашем случае станция «Дарвин» (Австралия)) и другими пунктами земного шара. Чем ближе его величина к 1 или –1, тем теснее связь между величинами атмосферного давления в исследуемых пунктах.
Имеются своего рода два центра действия противоположного знака: австралийско – индонезийский и южнотихоокеанский. Оба расположены в тропиках Южного полушария ( отсюда и название Южное колебание).
Очаг наиболее тесной отрицательной корреляции (r < - 0,8 )
располагается вблизи станции «Таити» (170 ю.ш. , 1500 з.д.), поэтому в
качестве индекса нужного колебания SOI ( South Oscillation Index)
используют разность нормализованных аномалий давления на метеостанцях
«Таити» и «Дарвин». При SOI ? 0 давление понижено над Тихим океаном и
повышенно над Индийским океаном, при SOI ? 0 картина обратная.
При первом взгляде на многолетние кривые индекса SOI, который
фиксировался непрерывно с 1866 года, создается впечатление, что чередование
его фаз носит случайный характер. Однако спектральный анализ показал
наличие ярко выраженных преимущественных периодов: 6; 3,6; 2,8; 2,4 года (
рис. 2, красная кривая 1). Имеется также небольшой пик около 12 лет.
Важно, что все эти преобладающие периоды ( за исключением периода 2,8 г.)
примерно кратны периоду 1,2 г. ( номера гармоник nk = 5; 3; 2 и 10
соответственно).
70 20 10 7
5
Рис. 2 Спектры мощности двух самых длительных рядов индексов SOI с 1866 г. по 1996 г. ( красная кривая) и сходных с ним индексов DT с 1851 г. по 1996 г. ( синяя кривая). По оси абсцисс приведены периоды в кварталах, по оси ординат – спектральная плотность.
КОЛЕБАНИЯ ОКЕАНА.
Явление Южного колебания тесно связано с процессами в океане. При положительных SOI ( ? 0 ) северо – восточные и юго – восточные пассатные ветры, дующие в тропиках Тихого океана, нагоняют теплую воду в его западную часть. Там образуется толстый слой теплого перемешивания. Глубина термоклина – тонкого слоя воды, отделяющего верхний перемешанный слой от глубинных слоев океана, в котором температура очень быстро падает с глубиной, - составляет 200 – 300 м., а температура воды на поверхности достигает 27 – 300 С. Наоборот, в тропиках восточной части Тихого океана в результате сгона формируется холодный и тонкий слой перемешивания. Глубина термоклина не превышает 50 м., а температура воды колеблется от 20 – 250С в океане до 15 – 190С у побережья Южной Америки.
Когда индекс SOI уменьшается и становится отрицательным, направленный
к западу градиент давления тоже уменьшается, вплоть до обращения знака,
пассатные ветры ослабевают и иногда меняют направление на противоположное:
появляются западные ветры. Теплая вода, накопившаяся в западной части
Тихого океана, не испытывая сопротивления ветра, устремляется на восток в
форме внутренней экваториальной волны, распространяющейся со скоростью 2 –
4 м/с. Когда эта волна достигает берегов Южной Америки, вода накапливается,
повышается уровень моря, углубляется граница термоклина, волна движется
далее, отворачивая к полюсам, и в виде отраженной волны на запад. В
результате этого область теплой воды быстро расширяется. Такие случаи
потепления вод в центральной и восточной частях экваториальной зоны Тихого
океана и получили название явления Эль-Ниньо.
В отличие от термина Эль-Ниньо, которым пользуются рыбаки Перу для описания локального сезонного теплого течения у берегов Перу и Эквадора, явление Эль-Ниньо охватывает всю центральную и восточную части экваториальной зоны Тихого океана и экваториальную зону Индийского океана, что придает ему глобальное значение.
Эль-Ниньо неразрывно связано с Южным колебанием. Установлено, что чем
больше SOI, тем ниже температура поверхности восточной и центральной частей
Тихого океана. В явлении ЭНЮК поэтому выделяют две крайние фазы: теплую
фазу (Эль-Ниньо) при SOI ? 0 и холодную фазу (Ла-Нинья) при SOI ? 0.
При Эль-Ниньо уровень моря в восточной части Тихого океана примерно на
50 см. выше, чем в западной части, при Ла-Нинья – картина обратная. Это
значит, что в тропической зоне имеются межгодовые колебания уровня моря
между восточной и западной частями Тихого океана амплитудой примерно 50 см.
Спектр этих колебаний аналогичен спектру SOI.
Со времени пионерских работ Дж. Бьеркнеса считается, что ЭНЮК есть самоподдерживающееся колебание, в котором аномалии температуры поверхности экваториальной части Тихого океана влияют на интенсивность пассатных ветров. Последние управляются океаническими течениями, а те в свою очередь формируют аномалии температуры поверхности океана.
Обычно строятся нелинейные модели взаимодействия океана с пассатными
ветрами и исследуется поведение моделей в зависимости от амплитуды
сезонного цикла температуры воды и скорости течения, параметров,
характеризующих силу трения атмосферы с океаном, вариаций термоклина и т.п.
В частности, показано, что при изменении во времени параметров сцепления и
сезонного воздействия на экваторе возникают совместные колебания аномалий
температуры океана, скорости течения и глубины термоклина с периодом 3 – 4
года и их гармоники. Когда температура воды и скорости течения изменяются в
течение года, предельный цикл становится странным аттрактором – зоной
фазового пространства, к которой притягиваются фазовые траектории и в
которой изображающая точка совершает хаотическое движение, лишенное
свойства повторяемости. Наличие хаоса расширяет и размазывает главные
энергетические пики в спектре и сдвигает их в сторону низких частот.
Годовые вариации основного состояния не только порождают нерегулярности
периода колебаний, но и приводят к синхронизации колебаний с годовым
циклом, в результате чего появляются субгармоники с периодом 3,4 и 5 лет.
