страница - 0
Центры действия атмосферы Атлантического океана и вариации скорости вращения Земли
Вершовский М.Г. (michael ver@modomail.com)
Российский Государственный Гидрометеорологический Университет
Отправным моментом данной работы стала концепция В. Старра (Starr, 1948), сущность которой заключается в следующем. Рассматривая Землю как целостную закрытую систему, в соответствии с законом сохранения импульса можно утверждать, что глобальный баланс углового момента вращения Земли должен оставаться величиной постоянной. При этом принимается, что вращательный момент внешних сил, т.е. Луны и Солнца, во-первых, носит четко периодический характер и, во-вторых, в масштабах месяцев, лет и декад оказывается несущественным, a следовательно, может быть исключен из общего уравнения баланса. (Стоит отметить, что непериодические и недостаточно изученные влияния суммарной массы планет Солнечной системы также выносятся за рамки данной модели.)
При оговоренных таким образом граничных условиях следует полагать, что при наличии изменений в одном из компонентов глобального момента импульса должны происходить компенсаторные изменения в других компонентах с тем, чтобы обеспечивалось сохранение суммарного углового момента импульса:
dM/dt = 0(1)
где M = Mатмосферы + Mокеана + Mльда + Mn + Mмантии + Mядра (Oort, 1989)
Многолетние исследования данной проблемы, проводившихся учеными разных стран, позволяют с достаточной степенью уверенности считать, что основной вклад в обеспечение баланса глобального углового момента в упомянутых выше временных масштабах вносит атмосфера. В первую очередь это объясняется подвижностью воздушных масс, значительно превосходящей подвижность остальных оболочек и структур планеты. Скорости движения вещества в этих структурах и оболочках колеблются в пределах от нескольких см/год для мантии до нескольких см/с для океанских масс. В то же время скорости ветра достигают десятков м/с в приземном слое и сотен м/с в струйных течениях.
Оценки потенциального энергетического вклада различных оболочек планеты также подтверждают сделанный выше вывод. Расчеты показывают, что мощности, необходимые
для того, чтобы вызвать наблюдаемые флуктуации в скорости вращения Земли, должны быть уровня 1014-1015 Вт. Средняя мощность движения глобальной атмосферы по существующим оценкам составляет около 2-1015 Вт, то есть, находится на требуемом уровне. Мощность океанических течений на порядок ниже - около 1014 Вт. Мощности прочих геофизических процессов еще меньше: поток тепла из недр Земли - 1013 Вт, геомагнитные бури - 1012 Вт, землетрясения - 1011 Вт, извержения вулканов - 1011 Вт, и так далее по убывающей (Сидоренков, 2002).
В последние несколько десятилетий колебания скорости вращения Земли принято выражать через A LOD, т.е. через разность между непосредственно измеренной длительностью суток (ДС или LOD - Length Of Day) и стандартной длительностью суток, равной 86 400 эталонных секунд (IERS Annual Report, 2004). При этом увеличивающиеся значения A LOD указывают на увеличение длительности суток относительно эталона и, соответственно, на замедление вращения Земли.
Типичные внутригодовые (сезонные) колебания A LOD имеют амплитуду порядка 11,5 мс; многолетние значения A LOD (по среднегодовым данным) за период с 1873 по 2005 гг. варьируются от -2,1 до +3,9 мс. (Многолетний ход A LOD представлен на рис. 1.)
Выше отмечалось, что исследования в области поиска связи между атмосферными процессами и вариациями скорости вращения Земли успешно ведутся вот уже несколько десятилетий. При всем разнообразии подходов в подобных исследованиях обнаруживается и общая доминанта, что позволяет охарактеризовать их в целом.
Проведенные работы в большинстве своем сосредоточены на оценке вклада суммарного движения планетарной атмосферы в колебания скорости вращения Земли. Данные глобальных наблюдений (в слое от 1000 гПа до 1 гПа) используются в численных моделях, позволяющих рассчитывать угловой момент импульса атмосферы в целом (Salstein, Rosen, 1986, и др.). Подобный подход имеет свои несомненные преимущества, но, как нам представляется, и определенные недостатки.
К первым следует отнести тот факт, что в результате была надежно доказана тесная связь между изменениями углового момента глобальной атмосферной массы и колебаниями скорости вращения Земли (r > 0,90).
Однако глобальный подход к проблеме исключает из общей модели региональные циркуляционные процессы. Он демонстрирует высокую степень надежности при анализе сезонных (и отчасти межгодовых) изменений глобальной атмосферной динамики в увязке с A LOD, но многолетние вариации скорости вращения Земли упомянутыми выше моделями не рассматриваются.
Таблица 1. Среднемесячные оценки интенсивности Азорского антициклона за 1900-1901 гг.
Год | Месяцы | |||||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | |
1900 | N | B | N | N | a | A | B | a | a | N | A | a |
1901 | B | B | b | N | B | a | N | b | N | A | N | b |
Качественные среднемесячные оценки были заменены количественными «баллами интенсивности» по следующей схеме: B = -2, b = -1, N = 0, a = 1, A = 2. Полученные среднемесячные баллы суммировались за год, давая в результате среднегодовой индекс интенсивности Iint (табл. 2).
Таблица 2. Среднемесячные «баллы интенсивности» и суммарный годовой индекс IInt
Азорского антициклона за 1900-1901 гг.
Год | Месяцы | Iint | |||||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | ||
1900 | 0 | -2 | 0 | 0 | 1 | 2 | -2 | 1 | 1 | 0 | 2 | 1 | 4 |
1901 | -2 | -2 | -1 | 0 | -2 | 1 | 0 | -1 | 0 | 2 | 0 | -1 | -6 |
Учеными кафедры динамики атмосферы и космического землеведения (ДАКЗ) РГГМУ (Кондратович и др., 2001, 2006) был предложен принципиально иной метод, позволяющий сопоставлять интенсивность отдельных центров действия атмосферы (ЦДА) с вариациями скорости вращения Земли. Многолетний ряд среднемесячных значений экстремумов давления (максимумов для антициклонов и минимумов для циклонов) был разбит на пять равновероятностных градаций интенсивности с тем, чтобы каждая градация включала равное количество лет. В зависимости от того, в какую из пяти градаций попадал тот или иной месяц, ему присваивалась качественная оценка интенсивности: значительно выше нормы (А), выше нормы (а), нормальная (N), ниже нормы (b) и значительно ниже нормы (B). После этого суммарное количество месяцев каждой градации сопоставлялось с экстремальными значениями A LOD.
Нами был предложен метод расчета среднегодовых индексов интенсивности ЦДА, значения которых затем сопоставлялись с многолетним среднегодовым ходом A LOD (Вершовский, 2006-1). Данный метод позволил провести количественную статистическую оценку возможных связей интенсивности основных ЦДА Северного и Южного полушарий с колебаниями A LOD.
Схема расчета индексов интенсивности ЦДА (IINT) предельно проста. В качестве исходного материала использoвались среднемесячные качественные оценки интенсивности, полученные по методике, описанной выше (Кондратович и др., 2001, 2006).
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3]