Рефератпо физике
Натему: «Колебания системы" Атмосфера — Океан — Земля" и природные катаклизмы».
Ученицышколы 1204
ИллариошинойМарии
Москва
2006год.
ВВЕДЕНИЕ.
В настоящее время всредствах массовой печати, в научно-популярной литературе, да и в солидныхизданиях все катаклизмы на земле (чрезвычайные события) стали объяснятьсявоздействием какого-то одного фактора. Многие провидцы и просто гоняющиеся засенсациями журналисты из псевдонаучных изданий выдвигают “теории” о наступающем“конце света”. В мире все взаимосвязанои нельзя рассматривать одно в отрыве от другого. Я покажу на примере явленияЭль-Ниньо то, как влияют межгодовые колебания системы Атмосфера-Океан-Земля напротекание различных физических явлений в атмосфере, в океане, на поверхностиземли .
В последние месяцы всредствах массовой информации часто упоминаются чрезвычайные события (ураганы,наводнения, засухи, небывалые морозы ит.д.), вызванные возникшим в марте 1997 года явлением Эль-Ниньо – потеплениемповерхностных вод в центральной и восточной частях Тихого океана. Давайте разберем причины участившихся чрезвычайных событий.
ЯвлениеЭль-ниньо неразрывно связано с явлением Южного колебания (перемещениями массвоздуха над тропическими частями Индийского и Тихого океанов в южном полушарии), поэтому оба явления изучают какединое явление Эль-Ниньо — Южное колебание (ЭНЮК), подразумевая под ниммеханические и термические колебания тропической атмосферы и океана периодом2-10 лет. Будучигеофизическим явлением планетарного масштаба, ЭНЮК, как правило, приводит к тяжелымэкологическим катастрофам, социально-экологические последствия которыхощушаются во всем мире.
Можнопоказать, что это явление – лишь одно из проявлений межгодовых (с периодами2-10) совместных колебаний системы атмосфера-океан-Земля.Чтобы понять, как этопроисходит, рассмотрим колебания каждой из компонент в отдельности.
Всистеме Атмосфера – Океан — Земля имеют место автоколебания периодами 2-10лет.Первопричиной их являются, очевидно, флуктуации атмосферной циркуляции, которыеобусловлены неравномерным разогревом атмосферы радиацией Солнца. Атмосфернаяциркуляция является основной причиной течений в океане. Взаимодействиеатмосферной циркуляции с процессами в океане порождает колебания атмосферы иокеана, которые раскачивают Землю. Поскольку Земля вращается вокруг своей оси,то ее колебания происходят не в плоскости какого-то меридиана, а по кругу – ввиде нутаций. Географические полюсы Земли при этом совершают круговые движения.Движения полюсов вызывают полюсной прилив, который в свою очередь влияет наколебания атмосферы и океана. В итоге в системе атмосфера – океан Землянаблюдаются нелинейные колебания с характерными для них явлениями конкуренции,синхронизации и комбинационного резонанса. Вследствие нелинейности системы иизменений в климатической системе из-за деятельности человека или внешнихфакторов колебания носят нерегулярный характер.
Видимымипроявлениями совместных колебаний системы атмосфера — океан — Земля являютсяЮжное колебание, Эль-Ниньо и Ла-Нинья и движения географических полюсов Земли.Явление ЭНЮК оказывает существенное влияние на гидрологический режим Мировогоокеана и аномалии погоды по всему земному шару, на жизнь биосферы.Продуктивность биосферы из – за воздействия ЭНЮК испытывает вынужденныеколебания тех же периодов 2 – 10 лет. Во время Эль-Ниньо складывается крайненеблагоприятная экологическая обстановка для холоднолюбивых форм планктона,рыб, морских животных и птиц. Биологическая продуктивность Мирового океаназаметно снижается. В период Ла-Нинья экологические условия становятсяблагоприятными и продуктивность восстанавливается. Мировой сбор зерновых итехнических культур падает при Эль-Ниньо и растет при Ла-Нинья. Опасные явленияпогоды (сильные ливни, ураганы, морозы, засухи и т.п.) и связанные с нимистихийные бедствия (наводнения, оползни, пожары, аварии и т.п.) усугубляютнегативные последствия эль-Ниньо.
Дальнейшиеэмпирические и теоретические исследования, способствующие созданию моделейколебаний системы атмосфера – океан – Земля, позволят предвычислять их фазу,делать успешные прогнозы возникновения Эль-Ниньо и предупреждать тяжелыеэкологические и социально – экономические последствия.
Для исследования должны подвергаться анализу всесенсационные сообщения всех различных печатных изданий, однако анализ всехпредсказаний нельзя проводить, используя изменения какого – то одного фактора,скажем, смещения магнитных полюсов. О влиянии на биосферу и цивилизацию надоанализировать по изменениям в Космосе, Океане, Земле.
КОЛЕБАНИЯ АТМОСФЕРЫ.
В 20-е гг.текущего столетия при анализе аномалий атмосферного давления в субтропическойзоне Южного полушария было замечено, что, когда атмосферное давление повышено над Тихим океаном, надИндийским оно понижено, и наоборот. Это явление и было названо Южным колебанием. Позже выяснилось, что движениегигантских масс воздуха вдоль тропической зоны океанов, вызывающее чередованиезнака этих аномалий давления, напоминает гигантские качели.
Рис. 1 Поле коэффициентов корреляции rмежду средними годовыми величинами атмосферного давлениястанции «Дарвин» (Австралия) и значениями давления в других пунктах Земли.
На рис. 1показаны изолинии коэффициентов r( увеличены в 10раз). Для представленного случая в зоне от 300 с.ш. до 350 ю.ш.в Восточном полушарии коэффициенты корреляции положительные, а в Западномполушарии отрицательные.
Коэффициент корреляции rв рассматриваемом случае является мерой линейной статистическойсвязи между многолетними величинами атмосферного давления в одном пункте (внашем случае станция «Дарвин» (Австралия)) и другими пунктами земного шара. Чемближе его величина к 1 или –1, тем теснее связь между величинами атмосферногодавления в исследуемых пунктах.
Имеются своегорода два центра действия противоположного знака: австралийско – индонезийский июжнотихоокеанский. Оба расположены в тропиках Южного полушария ( отсюда иназвание Южное колебание).
Очаг наиболеетесной отрицательной корреляции (r
Припервом взгляде на многолетние кривые индекса SOI, который фиксировался непрерывно с 1866 года,создается впечатление, что чередование его фаз носит случайный характер. Однакоспектральный 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 всеэти преобладающие периоды ( за исключением периода 2,8 г.) примерно кратны периоду 1,2 г. ( номера гармоник nk= 5;3; 2 и 10 соответственно).
3,6
6,0
10 11,2
2,4
2,8
5
70 20 10 7 5
Рис. 2 Спектры мощности двух самых длительныхрядов индексов SOIс 1866 г. по 1996 г. ( красная кривая) и сходных с ниминдексов DTс 1851 г. по 1996 г. ( синяя кривая). По осиабсцисс приведены периоды в кварталах, по оси ординат – спектральная плотность.
КОЛЕБАНИЯ ОКЕАНА.
Явление Южногоколебания тесно связано с процессами в океане. При положительных SOI( ³0 ) северо – восточные и юго – восточные пассатныеветры, дующие в тропиках Тихого океана, нагоняют теплую воду в его западнуючасть. Там образуется толстый слой теплого перемешивания. Глубина термоклина –тонкого слоя воды, отделяющего верхний перемешанный слой от глубинных слоевокеана, 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 сгонаформируется холодный и тонкий слой перемешивания. Глубина термоклина непревышает 50 м., а температура воды колеблется от 20 – 250С в океанедо 15 – 190С у побережья Южной Америки.
Когда индекс SOIуменьшается и становитсяотрицательным, направленный к западу градиент давления тоже уменьшается, вплотьдо обращения знака, пассатные ветры ослабевают и иногда меняют направление напротивоположное: появляются западные ветры. Теплая вода, накопившаяся взападной части Тихого океана, не испытывая сопротивления ветра, устремляется навосток в форме внутренней экваториальной волны, распространяющейся со скоростью2 – 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 быстрорасширяется. Такие случаи потепления вод в центральной и восточной частяхэкваториальной зоны Тихого океана и получили название явления Эль-Ниньо.
В отличие от термина Эль-Ниньо, которым пользуются рыбаки Перу дляописания локального сезонного теплого течения у берегов Перу и Эквадора,явление Эль-Ниньо охватывает всю центральную и восточную части экваториальнойзоны Тихого океана и экваториальную зону Индийского океана, что придает емуглобальное значение.
Эль-Ниньо неразрывно связано с Южным колебанием. Установлено, что чембольше SOI, тем ниже температураповерхности восточной и центральной частей Тихого океана. В явлении ЭНЮКпоэтому выделяют две крайние фазы: теплую фазу (Эль-Ниньо) при SOI£0 и холодную фазу(Ла-Нинья) при SOI³0.
При Эль-Ниньо уровень моря в восточной части Тихого океана примерно на 50см. выше, чем в западной части, при Ла-Нинья – картина обратная. Это значит,что в тропической зоне имеются межгодовые колебания уровня моря между восточнойи западной частями Тихого океана амплитудой примерно 50 см. Спектр этихколебаний аналогичен спектру SOI.
Со времени пионерских работ Дж. Бьеркнеса считается, что ЭНЮК естьсамоподдерживающееся колебание, в котором аномалии температуры поверхностиэкваториальной части Тихого океана влияют на интенсивность пассатных ветров.Последние управляются океаническими течениями, а те в свою очередь формируютаномалии температуры поверхности океана.
Обычно строятся нелинейные модели взаимодействия океана с пассатнымиветрами и исследуется поведение моделей в зависимости от амплитуды сезонногоцикла температуры воды и скорости течения, параметров, характеризующих силутрения атмосферы с океаном, вариаций термоклина и т.п. В частности, показано,что при изменении во времени параметров сцепления и сезонного воздействия наэкваторе возникают совместные колебания аномалий температуры океана, скороститечения и глубины термоклина с периодом 3 – 4 года и их гармоники. Когдатемпература воды и скорости течения изменяются в течение года, предельный циклстановится странным аттрактором – зоной фазового пространства, к которойпритягиваются фазовые траектории и в которой изображающая точка совершаетхаотическое движение, лишенное свойства повторяемости. Наличие хаоса расширяети размазывает главные энергетические пики в спектре и сдвигает их в сторонунизких частот. Годовые вариации основного состояния не только порождаютнерегулярности периода колебаний, но и приводят к синхронизации колебаний с годовымциклом, в результате чего появляются субгармоники с периодом 3,4 и 5 лет.
Таким образом, все современные модели трактуют ЭНЮК как автоколебания совместной системы океан –атмосфера, не обращая внимания на то, что в спектре присутствуютсоставляющие, кратные не 1 году, а 1,2 года. Период 1,2 года, названный поимени его первооткрывателя периодом Чандлера, — это период свободного движениягеографических полюсов Земли. Он определяется сжатием и упругими свойствамиЗемли, поэтому естественно было предположить, что колебания ЭНЮК есть колебанияне двойной системы океан – атмосфера, а тройной: атмосфера – океан – Земля.
ДИНАМИКА ВРАЩАЮЩИХСЯ ТЕЛ.
Прежде чемперейти к рассмотрению значения колебаний Земли в механизме явления ЭНЮКрассмотрим свойства нашей планеты как вращающегося тела. Нам необходимо ввестипонятия прецессии инутации.
Рассмотримбыстро вращающийся волчок. Пусть его ось вращения отклонена от вертикали наугол Q ( см. рис 3)
dH
dj
H
w
W
R
Q
0 P Рис. 3 Прецессия волчка.
На волчокдействует сила тяжести P= mg, где m– массаволчка, g– ускорение силы тяжести. Невращающееся тело поддействием силы тяжести падает. В случае волчка падения не наблюдается. Ось еговращения непрерывно смещается, но не в направлении силы тяжести, а вперпендикулярном ей направлении, описывая конус вокруг вертикали. Это движениеоси волчка называется прецессией. Чтобы понять, почему так ведет себя волчок,проанализируем его динамику.
Вектор моментаимпульса волчка равен H= JW, где J– момент инерции волчкаотносительно его оси вращения, W — вектор угловой скорости. Сила тяжести Р создаетмомент силы Lотносительно точки опора О: L= [ RxP], где R– радиус – вектор центратяжести. Под действием момента силы Lмомент импульса волчка
dH
изменяется со скоростью = L.Поскольку вектор Lнаправ-
dt
лен перпендикулярно векторам Rи Р, и вектор Н совпадаетпо направлению с R, то конец вектора Н и с ним ось вращения волчкасмещаются в направлении, перпендикулярном направлению силы тяжести Р.При отсутствии трения вектор Н меняется только по направлению,т.е вращается, описывая конус с вершиной в точке опоры О.
Какова угловая скоростьw прецессии волчка? За промежуток времени dt вектор Н получаетперпендикулярное себе приращение dН = Ldt, лежащее в горизонтальнойплоскости. Отношение dН к проекции вектора Н на горизонтальную плоскость НsinQ дает угол dj поворота этой проекции за время dt:
L
dj = dt
НsinQ
Производная dj / dt является искомой угловой скоростью прецессии:
L mgRsinQ mgR
w= = =
HsinQ JWsinQ JW
Итак, угловая скорость прецессии прямо пропорциональна величине моментасилы тяжести и обратно пропорциональна моменту импульса волчка. Направлениепрецессии определяется правилом: момент силы L заставляет отрезок RsinQвращаться около точки О в направлении к вектору L.
Более строгое рассмотрение показывает, что, помимо прецессии, ось волчкасовершает быстрые колебания малой амплитуды. Эти колебания ( дрожание оси ) называются нутацией ( от лат. Nutatio– колебание ). Удвоенная амплитуда Q — Q0 и период t нутации волчка приближенноравны:
2АmgRsinQ0 2pA
Q — Q0 » ; t »
(JW)2 JW
где Qи Q0 — пределы изменения угла Q в результате нутации, А –момент инерции волчка относительно оси, проходящей через точку О перпендикулярно оси вращения.
Как известно, Земля вращается вокруг своей оси со скоростью 7,29 . 10-5рад /с. Угол наклона этой оси к плоскости земной орбиты – эклиптике –равен 660 33’ . Момент инерции Земли огромен – 8,04 .1037 кгм2 . Фигура Земли близка к фигуре эллипсоидавращения. Когда Луна и Солнце не лежат в плоскости земного экватора, их силыпритяжения стремятся развернуть Землютак, чтобы экваториальные вздутия располагались по линии, соединяющей центрмасс Земли с Луной и Солнцем. Но так же, как волчок, Земля не поворачивается вэтом направлении, а под действием момента пары сил, действующих на экваториальныевздутия, прецессирует. Земная ось медленно описывает конус вокругперпендикуляра к плоскости эклиптики (рис. 4).
Прецессия
Нутация
Прецессия и нутация
Экватор Земли
Рис. 4 Схема движения оси вращения Земли в пространстве.
Вершина конуса совпадает с центром Земли. Так как момент импульса Землиочень велик (59 . 1032 кг . м2. с-1 ), скорость прецессии очень мала (период равен примерно 26 тыс. лет). Угол наклона земной оси к эклиптике припрецессии не меняется, оставаясь равным 66033’ , и географические координаты пунктов на Земле остаютсябез изменений.
Моменты сил притяжения, которые действуют на экваториальные вздутия,меняются в зависимости от изменения положения Луны и Солнца по отношению кЗемле. Когда Луна и Солнце находятся в плоскости земного экватора, моменты силисчезают, а когда склонения Луны и Солнца максимальны, достигают наибольшейвеличины. Вследствие таких колебаний моментов сил тяготения наблюдается нутацияземной оси. Нутационное движение складывается из ряда небольших периодическихколебаний. Главнейшее из них имеет период 18,6 года – период обращения лунныхузлов (точек пересечения орбиты Луны с эклиптикой). Движение с этим периодомпроисходит по эллипсу. Большая ось эллипса перпендикулярна направлениюпрецессионного движения и равна 16,4” (рис. 4). Малая ось параллельнанаправлению прецессионного движения и равна 13,7”. Таким образом, ось вращенияземли описывает на небесной сфере волнообразную траекторию, точки которойнаходятся на угловом расстоянии в среднем около 230 27’от полюса эклиптики.
Помимо лунно-солнечной прецессии и нутации, ось вращения Земли изменяетсвое положение также и относительно тела Земли. Это явление называетсядвижением полюсов. Оно приводит к изменению координат пунктов на Земле.
КОЛЕБАНИЯ ЗЕМЛИ.
Происходящее в процессе ЭНЮК перераспределение воздушных и водных массприводит к тому, что ось наибольшего момента инерции отклоняется по меридиануАвстралии при Эль-Ниньо и по меридиану Таити при Ла-Нинья. Земля, являясьгироскопом, преобразует качания этой оси в движение оси наибольшего моментаинерции Земли по конусу относительно оси суточного вращения. Из-за этого точки,в которых ось вращения пересекает земную поверхность – мгновенные полюсы Земли,- движутся. Они перемещаются по земной поверхности вокруг своего среднегоположения в направлении вращения Земли, т.е. с запада на восток. Фигура,строение и физические свойства Земли таковы, что период свободных колебанийполюсов Земли равен 1,2 года. Помимо этого, чандлерова, движения полюсовимеется еще и вынужденное движение полюсов периодом 1 год. Сложение этих двух движенийпорождает биения, в результате которых радиус траектории полюса меняется отмаксимального до минимального с периодом примерно 6 лет ( рис. 5).
Рис. 5 Траектория движения Северного географическогополюса Земли в 1990 – 1996
гг. с отметками начала каждого года.
Наибольшее удаление мгновенного полюса от среднего значения не превышает15 м. (0,5”).
Движение полюсов порождает прилив в атмосфере и Мировом океане (полюснойприлив), амплитуда которого зависит от величины смещения полюса. Волнаполюсного прилива движется в атмосфере и океане вслед за полюсами Земли и,несмотря на свою малость, приводит к синхронизации колебаний системы атмосфера– океан с циклами движения полюса. В результате в спектре ЭНЮК появляютсягармоники с периодами, кратными чандлерову. Возникает явление комбинационногорезонанса, при котором даже воздействия малой мощности способны возбудитьнаблюдаемое движение полюсов. Отсутствие в спектре ЭНЮК гармоник с периодами1,2; 4,8; 7,2 года и т.д., вероятно, связано с явлением конкуренции –подавления одних гармоник другими в процессе их взаимодействия друг с другом.
Изменения интенсивности явления ЭНЮК во времени приводит к нестабильностипроцесса возбуждения чандлеровского движения полюсов, к изменению его характеристик(амплитуды, фазы, декремента затухания и т.д.). Например, в 1925 – 1945 гг.наблюдалось значительное затухание этого движения (в несколько раз уменьшиласьего амплитуда, удлинился период и изменилась фаза). В этот же интервал времениимелись значительные аномалии в повторяемости теплых фаз ЭНЮК. Фазы с SOI
Цикличность ЭНЮК тесно связана с цикличностью скорости вращения Земли.Механизм связи такой. В результате повышения температуры поверхности океана ивыделения скрытого тепла конденсации при явлении Эль-Ниньо экваториальнаятропосфера разогревается, увеличиваются разности температур между экватором иполюсами, что приводит к усилению западных ветров, к росту момента импульсаатмосферы и как следствие к замедлению скорости вращения Земли (момент импульсасистемы атмосфера — Земля должен сохраняться). Во время Ла-Нинья аномалиитемпературы поверхности океана вдоль большей части экватора отрицательны,скрытого тепла выделяется меньше и температура экваториальной тропосферыпонижается. Ослабевает контраст температуры между экватором и полюсами, падает силазападных ветров, момент импульса атмосферы уменьшается, и скорость вращенияЗемли увеличивается. Так как фазы ЭНЮК повторяются чаще всего через 6; 3,6; и2,4 года, то в итоге имеет место аналогичная цикличность изменения скоростивращения Земли.
ВЛИЯНИЕ КОСМОСА НА КОЛЕБАНИЯ ЗЕМЛИ.
Резонансы вблизи периода Чандлера и его субгармоник свойственны не толькосистеме Земля – атмосфера – океан, но и Солнечной системе. В Солнечной системемногие планеты, Луна и астероиды имеют периоды движения, соизмеримые счандлеровским и шестилетним. Так, периоды обращения Юпитера, Сатурна, Урана иПлутона соответственно ровно в 10, 25, 70 и 207 раз больше периода Чандлера.Известно также, что узлы лунной орбиты непрерывно перемещаются по эклиптике кзападу, совершая полный оборот за 18,6 г. Перигей же лунной орбиты движется квостоку, совершая оборот за 8,85 г. В результате такого встречного движениясоединения узла с перигеем происходят ровно через 6 лет (nk= 5). Все это говорит о том,что за миллиарды лет эволюции Солнечной системы скорость суточного вращенияЗемли и процессы, происходящие на ней, синхронизировались с циклами Солнечнойсистемы.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ.
При Ла-Нинья пассатные ветры гонят поверхностную воду от берегов Америкик западу. Сгон сопровождается апвелингом – подъемом глубинной холодной воды.Она очень богата кислородом и питательными веществами – пищей планктона.Планктон является кормовой базой для рыб, поэтому у Тихоокеанского побережьяЮжной Америки откармливаются и быстро размножаются многочисленные стада рыб исвязанные с ними пищевыми цепочками поголовья морских животных и стаи птиц.
Накопление же теплой, беднойкислородом воды у побережья Южной Америки при Эль-Ниньо подавляет апвелинг ивынос питательных веществ в верхние слои океана. Условия для развития планктонастановятся неблагоприятными. Изменения гидрологических условий и первичнойпродуктивности океана приводит к миграции или мору обитающих там популяций рыб,ракообразных и морских животных. Птицы, питающиеся рыбой, также мигрируют илигибнут. Эль-Ниньо является катастрофой для многих морских экосистем. Требуютсягоды для преодоления негативных экологических последствий Эль-Ниньо.
Распределение температуры поверхности океана определяет расположениеобластей атмосферной конвекции над океаном в тропиках. При Ла-Ниньяконвективная активность развита над Индонезией, Австралией и прилегающейзападной частью Тихого океана и подавлена в восточной части, прилегающей кЮжной Америке, где из-за охлаждения воздуха холодной водой океана существуетпассатная инверсия, т.е. повышение температуры воздуха с высотой вместо обычнонаблюдаемого падения. В западной тропической части Тихого океана идут обильныедожди, а в восточной стоит очень сухаяпогода. При Эль-Ниньо, когда аномалии температуры поверхности океана ввосточной части становятся положительными, задерживающее влияние пассатнойинверсии на вертикальные движение воздуха ослабевает и конвективная активностьрастет. Область повышенной конвективной активности с обильными осадкамиперемещается вместе с теплой водой вдоль экватора из западной в центральную ивосточную части Тихого океана.
Миграция областей повышенной конвективной активности в атмосфере имеетдалеко идущие последствия. При Эль-Ниньо в окрестностях Австралийско-Индонезийскогоцентра действия, где обычно стоит влажная погода с дождями, наступает оченьсухой период. В центральных и восточных же частях Тихого океана, где обычнодождей не бывает, наступает влажный период. Над прибрежными районами ЮжнойАмерики начинают идти проливные дожди. Они вызывают наводнения, оползни,уничтожают посевы, разрушают дороги и строения.
Таким образом, при Эль-Ниньо, которое может длиться несколько лет, вэкваториальной зоне Тихого океана наступает подлинное экологическое бедствие:мигрируют или гибнут популяции рыб, ракообразных, морских животных, стаи птиц,страдает население прибрежных стран Южной Америки (особенно Эквадора и Перу),занимающиеся рыболовством и сбором ценного птичьего помета – гуано. Большойэкономический ущерб этим странам наносят также и сопутствующие стихийныебедствия (наводнения, шквалы, грозы и т.д.). В этот же период экономикаАвстралии, Африки, Индонезии и стран бассейна Индийского океана страдает отсильных засух. Дефицит осадков, наблюдавшийся в годы Эль-Ниньо в большей частиВосточного полушария,