Восемь лекций по физике атмосферы и гидросферы: Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Р. А. Браже

ВОСЕМЬ ЛЕКЦИЙ ПО ФИЗИКЕ АТМОСФЕРЫ И ГИДРОСФЕРЫ Учебное пособие 2-е издание, исправленное и дополненное

Ульяновск 2010

УДК 504.3+504.4(075) ББК 26.233+26.221я7 Б87

Рецензенты: кафедра прикладной физики Саратовского государственного технического университета (зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. А. Н. Сальников); д-р физ.-мат. наук, проф. Э. Т. Шипатов Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Б 87

Браже, Р. А. Восемь лекций по физике атмосферы и гидросферы: учебное пособие / Р. А. Браже. - 2-е изд., испр. и доп. - Ульяновск : УлГТУ, 2010. 82 с. ISBN 978-5-9795-0631-9 Пособие содержит изложение основных сведений по строению и составу ат­ мосферы и гидросферы, динамике их возмущений и роли в климате Земли. Предна­ значено для студентов специальности «Инженерная защита окружающей среды». Может быть полезно также студентам других специальностей, учащимся старших классов и всем, интересующимся природными явлениями. Подготовлено на кафедре «Физика» Ульяновского государственного техниче­ ского университета. Печатается в авторской редакции.

УДК 504.3+504.4(075) ББК 26.233+26.221я7

ISBN 978-5-9795-0631-9

© Браже Р. А., 2003 ©БражеР. А., 2010 © Оформление. УлГТУ, 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие

5

Предисловие ко второму изданию

6

Введение

7

Лекция 1. Состав и строение атмосферы

9

1.1. 1.2. 1.3. 1.4.

Атмосфера Земли и других тел Солнечной системы Вертикальное строение атмосферы Земли Преобразование энергии в атмосфере Эволюция атмосферы и ее роль в физиологии человека

9 12 14 15

Лекция 2. Циркуляция воздушных масс в атмосфере 2.1. Ветры 2.2. Циркумполярные вихри 2.3. Ячейки Хэдли и Феррела. Пассаты и муссоны 2.4. Циклоны и антициклоны

17 17 19 20 23

Лекция 3. Оптические, электрические и акустические явления в атмосфере 3.1. Рефракция, поглощение и рассеяние света в атмосфере . . . . 3.2. Распространение радиоволн в атмосфере 3.3. Распространение акустических волн в атмосфере 3.4. Грозовые процессы 3.5. Резонанс Шумана

25 25 28 31 34 37

Лекция 4. Гидродинамика атмосферных возмущений 4.1. Математическая постановка задачи 4.2. Волны в атмосфере

40 40 44

Лекция 5. Мировой океан 5.1. Гипсографическая кривая 5.2. Состав океанской воды 5.3. Стратификация плотности воды в океане 5.4. Солевые пальцы

48 48 49 50 51

Лекция 6. Циркуляция воды в океане 6.1. Ветровые течения в океане 6.2. Спираль Экмана

53 53 54 3

6.3. Пассатные течения. Экваториальное противотечение. Апвеллинг и даунвеллинг 6.4. Приконтинентальные течения 6.5. Эль-Ниньо и Ла-Нинья

56 57 58

Лекция 7. Гравитационные волны на поверхности водоема 7.1. Математическая постановка задачи 7.2. Линейное приближение 7.3. Волны на мелкой воде 7.4. Уравнения Буссинеска 7.5. Уравнение Кортевега-де Вриза. Солитоны

60 60 62 65 67 67

Лекция 8. Внутренние гравитационные волны в океане 8.1. Математическая постановка задачи 8.2. Короткие волны 8.3. Длинные волны 8.4. Внутренние солитоны. Цунами

70 70 72 73 74

Заключение

76

Алфавитный указатель

77

Глоссарий

79

Библиографический список

82

4

ПРЕДИСЛОВИЕ Будущий специалист в области инженерной защиты окружающей среды должен знать об этой среде если не все, то, по крайней мере, ее основные физи­ ко-химические свойства. Спецкурс «Физика атмосферы и гидросферы» как раз и призван дать студентам основополагающие сведения физического характера о воздушном и водном бассейнах Земли. Ограниченность времени, отводимого на изучение данной дисциплины в учебных планах специальности, и вместе с тем ее важность для последующего изучения ряда специальных профильных дисциплин требуют весьма тщательно отбора изучаемого материала, как по его содержанию, так и по научнотеоретическому уровню, совместимому с уровнем физико-математической под­ готовки студентов. В связи с тем, что в УлГТУ на лекции по данному спецкурсу отводится всего 16 часов (8 лекций), автором были отобраны для изучения лишь самые необходимые вопросы, посвященные строению и составу атмосфе­ ры и гидросферы, гидродинамике их возмущений, ветрам и течениям. Эти во­ просы изложены на современном научном уровне, с учетом нелинейных эф­ фектов. Необходимость издания настоящих лекций возникла потому, что в УлГТУ, как и в большинстве технических вузов, отсутствуют специальные ка­ федры физики атмосферных процессов, физики моря и пр. Как следствие, нет и соответствующей учебной литературы, тем более учитывающей специфику специальности. Большую помощь в наборе текста и выполнении рисунков оказали студентки Воронина Т.А., Елпукова В.А., Кривова А.В., Кузнецова Е.Г., Мулюкова Н.Р., Рыбакова СВ., Смирнова И.А., Федотова К.А. Всем им автор выражает свою искреннюю благодарность и признательность. Браже Р.А.

5

ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ С момента выхода первого издания данной книги прошло уже семь лет. В ходе ее использования в учебном процессе были обнаружены некоторые не­ точности, опечатки и другие недостатки, нуждающиеся в исправлении. Кроме того, стало понятно, что для студентов специальности «Инженерная защита ок­ ружающей среды» сухой, академический стиль изложения, сопровождающийся множеством формул и достаточно сложных математических выкладок, без ко­ торых невозможно строго научное объяснение большинства атмосферных и гидросферных явлений, желательно чередовать с вопросами, иллюстрирующи­ ми непосредственное влияние этих явлений на природу и человека. По этой причине в настоящем здании появились разделы, освещающие такие явления, как циклоны и антициклоны, резонанс Шумана, феномен Эль-Ниньо и др. Для удобства студентов в пособие добавлены также алфавитный указатель и глоссарий, в котором объясняются некоторые понятия и термины. Судя по широкому распространению в Интернет, книга востребована не только студентами УлГТУ, но и другими категориями читателей. Всем им ав­ тор благодарен за интерес к предмету, который она освещает в краткой и, по возможности, в доступной форме. Автор также надеется, что новое издание лекций окажется не менее полезным, чем предыдущее. Браже Р. А.

6

ВВЕДЕНИЕ Наш общий дом - Земля - даже в эпоху космических полетов, когда, ка­ залось бы, его не так уж большие размеры особенно заметны, нам, как и тысячи лет назад, все еще кажется огромным миром. Бездонное море, бездонное небо над головой, бескрайние степи, таежные дебри, высокие горы - все кажется вечным. Всюду кипит жизнь в ее многомиллионном многообразии видов жи­ вотных и растений, не говоря уже о микроорганизмах. Но если вдуматься, этот единственный для нас мир не столь уж велик и не так уж прочен. Пройти 5 ки­ лометров по городу или проселочной дороге можно практически без устали за какой-нибудь час. Но подъем в гору на ту же высоту занимает несколько дней. Недостаток кислорода и холод делают жизнь в высокогорье невозможной. Так же и в океане: на глубине всего нескольких километров живые организмы встречаются уже крайне редко. Получается, что при среднем радиусе Земли 6370 км, для жизни пригоден лишь очень тонкий слой вблизи ее поверхности. За три миллиарда лет существования жизни на Земле живые организмы удивительным образом приспособились к особенностям ее климата. Живущие в Антарктиде пингвины не смогут жить в африканской саванне, а тропические лианы не приспособлены к условиям сибирской тайги. Но, опять таки, если вдуматься, диапазон необходимых для жизни температурных условий, состава воздуха или воды не столь уж и велик. В еще большей мере это относится к ве­ личинам гравитационного, электрического и магнитного полей, уровню радиа­ ционного фона. К началу XXI века человек достиг такого уровня своей энерговооружен­ ности и технического прогресса, что оказался в состоянии разрушить эту слож­ ную систему взаимообусловленных связей в неживой и живой природе, создать угрозу самой жизни на Земле. Состояние данного вопроса, меры защиты при­ роды и способы рационального природопользования составляют предмет эко­ логии. Целью же нашего курса является изучение состава и физических харак­ теристик атмосферы и гидросферы, поскольку без воздуха и воды жизнь вооб­ ще невозможна. Курс состоит из восьми лекций. В первых четырех лекциях рассматрива­ ются атмосфера и происходящие в ней физические явления. В последних четы­ рех лекциях аналогичному рассмотрению подвергнута водная оболочка Земли гидросфера. Недостаток времени, отводимого на данный курс в учебных планах специальности, не позволяет изложить здесь многие важные вопросы из физики Земли, без глубокого знания которых невозможно понять детали атмосферных и гидросферных процессов. Мы не имеем, к сожалению, возможности показать здесь роль температурных изменений в земном ядре, происходящих в нем кон­ вективных процессов и магнитогидродинамических неустойчивостей в текто­ нике литосферных плит. Этот процесс определяет форму и расположение кон­ тинентов на Земле, а от этого зависят характер океанических течений и ветров в атмосфере. Мы совершенно не касаемся здесь роли космических факторов, 7

определяющих глобальные изменения климата Земли: прецессии земной оси, колебаний эксцентриситета земной орбиты и ее вращения вокруг Солнца. Мы не рассматриваем здесь циклы солнечной активности, влияющие на метеороло­ гические условия, погоду и атмосферные явления. Мы не касаемся вопросов, связанных с влиянием Луны, например, приливных эффектов. Даже такой важ­ ный вопрос, как ионизирующие излучения космического происхождения мы вынуждены оставить за пределами нашего внимания. То, без изучения чего мы не можем обойтись даже в этом кратком курсе, это строение и состав атмосферы, преобразование ней солнечной энергии, вет­ ры и вихревые потоки. Мы рассмотрим также такие вопросы, как преломление, поглощение и рассеяние света в атмосфере, распространение в ней радиоволн, электрические, в частности, грозовые явления. Будет дана математически стро­ гая модель волновых процессов в атмосфере. Аналогично, при изучении гидро­ сферы мы рассмотрим состав океанской воды, существующие течения в Миро­ вом океане и различные волновые явления: от волн на поверхности океана до внутренних гравитационных волн и цунами. Приведенный в пособии материал позволит читателю хотя бы в основных чертах представить себе атмосферу и гидросферу Земли как сложную откры­ тую нелинейную динамическую систему, вторгаться в которую без знания и понимания действующих в ней связей чрезвычайно опрометчиво.

8

Лекция 1 СОСТАВ И СТРОЕНИЕ АТМОСФЕРЫ 1.1. Атмосфера Земли и других тел Солнечной системы Атмосферой Земли (от греч. atmos - пар и sphaira - шар) называется га­ зовая оболочка, окружающая Землю. Масса атмосферы составляет около 18 5*10 кг. Среднее давление атмосферы у поверхности Земли (на уровне моря) равно 1013 кПа или 760 мм рт. ст. С высотой давление убывает по закону, близ­ кому к экспоненциальному, так что на высотах в несколько десятков километ­ ров плотность атмосферы уже очень мала. Атмосфера Земли состоит примерно на 78% из азота, на 21% из кислоро­ да и на 1% из аргона. Содержатся в атмосфере также малые примеси углекисло­ го газа, водяные пары и незначительное количество неона, гелия, криптона и водорода. Состав атмосферы других тел Солнечной системы приведен в табл. 1.1 [1]. Состав атмосферы определяется историей формирования ее недр. Пер­ вичное вещество планеты сжималось силами тяготения, принимая форму шара. При этом она разогревалась (во избежание недоразумений отметим, что в табл. 1.1 указана средняя температура на поверхности небесного тела, темпера­ тура же в центре планеты может достигать нескольких тысяч градусов, а внут­ ри Солнца - десятков миллионов градусов). Под действием высоких темпера­ тур и давлений в первичном веществе планеты происходили химические реак­ ции. При этом более тяжелые продукты образовали ядро, а более легкие - ман­ тию и кору. Газообразные продукты реакции образовали первичную атмосферу. В земной атмосфере было очень много паров воды. Сконденсировавшись, они породили первичный океан. Почему газы, входящие в состав атмосферы планет, не улетучиваются в космос? На первый взгляд, здесь все ясно: тепловые скорости молекул газа вблизи поверхности планеты обычно значительно меньше, чем ее вторая космическая скорость

Здесь R - универсальная газовая по-

стоянная, Т- температура на поверхности планеты, - молярная масса молекулы, g - ускорение силы тяжести, Rp - радиус планеты. Например, для Земли км/с, а тепловые скорости молекул азота, кислорода и водорода соответственно равны 0,39 км/с, 0,36 км/с, 1,02 км/с. Однако в верхних слоях атмо­ сферы температура, как мы вскоре узнаем, намного выше, чем у поверхности. Например, на высотах свыше 500 км над Землей температура достигает 1200 К. Таким образом, тепловые скорости молекул там гораздо выше. Кроме того, не­ которая доля молекул имеет скорости, значительно превосходящие средние. Эти быстрые молекулы могут оторваться от планеты. 9

Таблица 1.1

На рис 1.1 [1] показана зависимость массы различных газов земной атмо­ сферы и масса всей воды на Земле от их молярной массы. Из него видно, что наиболее распространенные в земном воздухе газы (N2, 0 2 , Аr) по молярной массе ближе всего к воде. Гелия и водорода в земном воздухе мало, хотя это наиболее распространенные элементы во Вселенной, и атмосферы Солнца и планет-гигантов состоят в основном из них. Причина этого в том, что сила зем­ ного притяжения недостаточна для удержания этих газов.

10

Земная атмосфера достаточно однородна только ниже 90 км. Это так на­ зываемая гомеосфера. Выше лежит гетеросфера - часть атмосферы с перемен­ ным составом. Оказывается, что концентрация гелия и водорода в гетеросфере нарастает с высотой. Выше 700 км атмосфера Земли практически состоит толь­ ко из этих газов, хотя их концентрация там невелика. Дело в том, что гелий об­ разуется в земной коре и поднимается наверх при распаде тяжелых радиоак­ тивных изотопов, а водород в гетеросфере возникает из молекул водяного пара, распадающихся под действием ультрафиолетовой части излучения Солнца на водород и кислород. Но большая часть атмосферного кислорода обязана своим 14 происхождением жизнедеятельности растений. Они производят около 10 кг 6 кислорода в год или 3*10 кг в секунду! Однако содержание кислорода в возду­ хе остается практически неизменным, так как он расходуется на дыхание жи­ вотных, окисление вулканических газов, процессы горения и гниения органиче­ ских соединений.

11

1.2. Вертикальное строение атмосферы Земли Из уравнения Менделеева - Клапейрона следует, что давление воздуха зависит от температуры следующим образом:

где — плотность газа. Из гидростатики также известна зависимость убыли давления с увеличением высоты:

Исключая из (1.1), (1.2) плотность, получаем уравнение, описывающее зависимость давления от высоты:

Реальная зависимость давления атмосферы от высоты гораздо сложнее, так как ее температура по высоте непостоянна (см. рис. 1.2 [1]). При подъеме от поверхности Земли температура вначале убывает. На вы­ соте 17 км над тропиками она равна -75 °С. Эта часть атмосферы называется тропосферой (от греч. tropos - поворот). В тропосфере содержится более 80% всей массы атмосферного воздуха и около 90% всего имеющегося в атмосфере водяного пара. Именно здесь возникают облака, формируются циклоны и анти­ циклоны. Следующий слой атмосферы, где температура нарастает, называется стратосферой (от лат. stratum - настил). Она простирается до высоты пример­ но 55 км. При этом, достигнув на высоте около 40 км значения, близкого к 0 °С, температура далее почти не изменяется. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой. За стратосферой, до высоты около 90 км, располагается мезосфера (от греч. mesos - средний, промежуточный). В мезосфере температура снова пада­ ет, до температуры примерно -85 °С. Мезосфера заканчивается мезопаузой, где имеет место минимум температуры.

12

Выше простирается термосфера. В ней температура снова растет и на высоте около 400 км достигает 1000-1200 К. Затем она остается почти постоян­ ной. Термосфера простирается до высоты около 800 км. Верхний предел термо­ сферы в значительной мере определяется активностью Солнца. В периоды низ­ кой активности имеет место уменьшение толщины термосферы. Основным га­ зом на высотах свыше 300 км является атомарный кислород. Под действием ультрафиолетовой и отчасти рентгеновской солнечной радиации, а также кос­ мического излучения происходит ионизация воздуха в термосфере и возникают полярные сияния. Граница ионизованного и неионизованного воздуха фактиче­ ски располагается на высоте примерно 118 км. Однако для удобства принято считать, что граница между атмосферой Земли и космосом (так называемая ли­ ния Кармана) располагается на высоте 100 км над уровнем моря. Экзосфера (от греч. ехо - вне, снаружи) - это внешняя часть термосферы, где средняя кинетическая энергия молекул остается постоянной, и температура больше не меняется. Впрочем, концентрация молекул там уже настолько мала, что они практически не соударяются между собой, так что пользоваться терми­ ном температура в этом случае не совсем корректно. На высоте около 2000-3500 км экзосфера переходит в ближнекосмический вакуум, заполненный атомами сильно разреженного водорода и пылевидными частицами кометного и метеорного происхождения. 13

Как же может быть, что на высоте в несколько сотен километров, где ле­ тают космические корабли, температура составляет около тысячи градусов, а они не раскаляются, и космонавты даже выходят в открытый космос? Дело в том, что нагретость тела в данном случае определяется равновесием тепловой энергии, получаемой от Солнца, плюс собственное тепловыделение, и энергии, уносимой инфракрасным излучением в окружающую среду. Из-за чрезвычайно низкой концентрации молекул в термосфере их общая кинетическая энергия поступательного движения все же мала, чтобы оказать заметное влияние на температуру внутри космического корабля или скафандра.

1.3. Преобразование энергии в атмосфере Слоеное строение атмосферы Земли объясняется различным характером поглощения солнечного света разными газами [1]. Первым фильтром на пути к Земле для солнечных лучей является термо­ сфера. Она поглощает самую коротковолновую часть спектра (дальний ультра­ фиолет). Именно поэтому и происходит разогрев термосферы. Следует отме­ тить, что температура экзосферы зависит от солнечной активности: в годы спо­ койного Солнца она ниже (около 1000 К), а в максимумах солнечной актив­ ности выше (достигает 1300 К). Стратосфера обязана своим существованием озону (Оз), который распо­ лагается на высотах от 20 до 60 км. Озон поглощает солнечное излучение в диапазоне уже в верхней части этого слоя. Поэтому там и температура выше, чем радиационная температура Земли, хотя она и в несколь­ ко раз ниже, чем в термосфере. Выше стратосферы озона нет. Коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца расщепляет его на молекулярный кисло­ род О2 и атомарный кислород О. Между теплыми слоями атмосферы располагаются холодные. Они обме­ ниваются энергией между собой. Все сказанное, конечно, относится к освещен­ ной стороне Земли. На ночной стороне происходит охлаждение. Однако поло­ вины суток не хватает для размывания «слоистого пирога» атмосферы. Только полярной ночью атмосфера устроена иначе. В количественном отношении в экзосфере и термосфере поглощается лишь один процент солнечного излучения - дальний ультрафиолет. Три про­ цента (ближний ультрафиолет) поглощается озоном стратосферы. Четыре про­ цента (инфракрасный «хвост» спектра) поглощается водяными парами в верх­ них слоях тропосферы. Оставшиеся 92% энергии солнечного света приходится на «окно прозрачности» атмосферы. Это излучение в диапазоне длин волн Значительная его часть (45%), преимущественно в синей области спектра, рассеивается воздухом, отчего небо голубое. Прямые солнеч­ ные лучи (оставшиеся 47%) достигают поверхности Земли. Земля отражает около 7% из этих 47%. Из них 3% тратится на диффузное рассеивание. Остальные 40% и еще 8% от атмосферы поглощаются Землей, на14

гревая сушу и океан. Рассеянное в атмосфере световое излучение частично по­ глощается ею, а остальное распределяется между поверхностью Земли и космо­ сом, причем в космос уходит больше энергии, чем попадает на Землю. Винова­ ты в этом, главным образом, облака. Они непрозрачны и отражают падающий на них сверху свет обратно. Таким образом, в тепло переходит 65% падающего на Землю потока солнечной энергии: 3% - поглощение в озоновом слое страто­ сферы, 4% - поглощение в водяных парах верхней тропосферы, 10% - погло­ щение в основной толще атмосферы и 48% - поглощение почвой и водами Ми­ рового океана. Это тепло излучается в космос тепловой радиацией в виде ин­ фракрасного излучения.

1.4. Эволюция атмосферы и ее роль в физиологии человека Согласно современным научным представлениям [2], первичная атмо­ сфера Земли (около 4 млрд лет назад) состояла из легких газов (водорода и ге­ лия), захваченных из межпланетного пространства. Вулканическая активность привела к появлению в атмосфере углекислого газа, аммиака и паров воды. Так образовалась вторичная атмосфера. Утечка легких газов в межпланетное про­ странство и химические реакции, происходящие под влиянием ультрафиолето­ вого излучения Солнца, грозовых разрядов, высокой температуры в безкислородной среде, привели к образованию третичной атмосферы. Ее отличало го­ раздо меньшее содержание водорода и гораздо большее - азота и углекислого газа. Образование большого количества атмосферного азота обусловлено, в основном, окислением аммиачно-водородной атмосферы молекулярным кисло­ родом, начиная примерно с 3 млрд лет назад, в результате фотосинтеза появив­ шихся растений. Часть атмосферного азота обусловлена денитрификацией нит­ ратов и других азотосодержащих соединений. Содержание азота в атмосфере поддерживается постоянным за счет его поглощения растениями в результате фотосинтеза и окисления цианобактериями (сине-зелеными водорослями), а также клубеньковыми бактериями, находящимися в симбиозе с бобовыми рас­ тениями. Небольшая часть азота расходуется человеком при промышленном изготовлении азотных удобрений. Состав земной атмосферы начал радикально изменяться с появлением живых организмов. Растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород, а животные используют кислород в процессе дыхания. Содержание кислорода в атмосфере, близкое к современному, сложилось около 70 млн лет назад, в кай­ нозойскую эру. Содержание в атмосфере углекислого газа зависит от вулканической ак­ тивности и химических процессов, происходящих внутри Земли. Однако еще в большей степени оно определяется интенсивностью биосинтеза и разложения органического вещества в биосфере. 15

Наличие в атмосфере благородных газов (гелия, аргона, криптона, ксено­ на) также связано с вулканическими извержениями и, кроме того, с распадом находящихся в Земле радиоактивных элементов. Для человека и животных жизненно необходимым является наличие в земной атмосфере кислорода. Однако по мере увеличения высоты над уровнем моря уменьшаются как общее атмосферное давление (см. формулу (1.3)), так и парциальное давление кислорода. В легких человека содержится около 3 лит­ ров альвеолярного воздуха. Парциальное давление кислорода в этом воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет 110 мм рт. ст., в то время как парциальные давления углекислого газа и паров воды соответственно со­ ставляют 40 мм рт. ст. и 47 мм рт. ст. С увеличением высоты давление кислоро­ да падает, а суммарное давление углекислого газа и водяных паров в легких почти не изменяется и остается близким к 87 мм рт. ст. Когда давление окру­ жающего воздуха уменьшится до этой величины, поступление кислорода в лег­ кие прекратится. Уже на высоте 5 км у нетренированного человека появляется кислородное голодание, а на высоте 15 км дыхание становится невозможным. На высоте около 20 км (в стратосфере) атмосферное давление уменьшается до 47 мм рт. ст. При таком давлении вода в организме человека и в межтканевой жидкости закипает, и смерть наступает практически мгновенно. Содержащийся в стратосфере озон защищает нас также от поражающего действия жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, которое становится опасным на высотах более 40 км. Использование подъемной силы воздуха для аэродинамических полетов в атмосфере возможно лишь до высот 60-90 км. Начиная с высоты около 100 км, утрачиваются и такие привычные для нас свойства атмосферного воздуха, как распространение звука, конвекция (т. е. перемешивание воздуха), сопротивле­ ние движению и др. Здесь, за линией Кармана, можно совершать лишь балли­ стические полеты, используя реактивные силы. Существенное влияние на состояние и эволюцию атмосферы в настоящее время оказывает антропогенный фактор [3]. Результатом производственной деятельности человека стал значительный рост содержания в атмосфере угле­ кислого газа из-за сжигания большого количества углеводородного топлива. За последние 100 лет его содержание в атмосфере выросло на 10%. Если такие темпы сжигания топлива сохранятся, то в ближайшие 20-30 лет количество уг­ лекислого газа в атмосфере удвоится. Это может привести к глобальным изме­ нениям климата. При сжигании топлива в атмосферу выбрасываются и другие газы: СО, NO, SO2. Двуокись серы окисляется кислородом воздуха до SO3, которая взаи­ модействует с парами воды и аммиака с образованием серной кислоты H2SO4 и сульфата аммония (NH4)2S04. Эти вещества выпадают на поверхность Земли в виде кислотных дождей. Использование двигателей внутреннего сгорания вы­ зывает загрязнение атмосферы оксидами азота, углеводородами и соединения­ ми свинца. 16

Лекция 2 ЦИРКУЛЯЦИЯ ВОЗДУШНЫХ МАСС В АТМОСФЕРЕ 2.1. Ветры Причиной переноса воздушных масс в атмосфере является конвекция: те­ плый воздух из экваториальных областей Земли поднимается и перемещается в полярные области, охлаждаясь и опускаясь вниз (см. рис. 2.1 [1]). Из-за подня­ тия воздуха вблизи экватора там верхняя граница тропосферы выше - около 17 км. Это почти вдвое больше, чем у полюсов.

Рис. 2.1. Экваториальная конвекция воздуха в атмосфере Земли

Таким образом, система экватор - атмосфера - полюса представляет сонебой гигантскую тепловую машину. Ее коэффициент полезного действия велик: всего 1-2%. Механическая мощность, развиваемая этой машиной

17

где

- мощность теплового излучения Солнца, величина

А = 0,35 - оцененная еще в прошлой лекции доля отраженной солнечной энер­ гии (альбедо Земли). Приравняем эту мощность к мощности ветров где - масса атмосферы, - средняя скорость ветра, - определяемое радиусом Земли (см. табл. 1.1) характерное время пе­ ремещения воздушных масс. Отсюда

неделя. Разумеется, это средние значения. Над океаном ветер значительно силь­ нее, чем над сушей. Интересна вторая оценка: она определяет характерное вре мя изменения погоды. Формула (2.2) дает оценку скорости ветра вблизи земной поверхности. Скорость ветра наверху можно найти, приравняв потоки масс воздуха внизу и вверху:

Откуда

Действительно, на высотах около 10 км ветры дуют примерно с такими скоро­ стями. Из-за вращения Земли и в Северном, и в Южном полушариях верхний ве­ тер отклоняется в восточном, а нижний - в западном направлении. На воздушдействует сила Кориолиса ные массы, движущиеся со скоростью

где - угловая скорость вращения Земли, - широта местности. На рис. 2.2 [11 показан характер отклонения высотных ветров под действием этой силы - долгота местности).

18

2.2. Циркумполярные вихри о

Поворот высотных ветров Северного и Южного полушарий на 90 , когда о

они оба становятся западными ветрами, происходит примерно на широте 30. Эти два высотных ветра называют циркумполярными вихрями, так как они ок­ ружают полюса Земли (см. рис. 2.3 [1]). Пересекая океаны, струйные течения перемещаются в более высокие ши­ роты, а над сушей они отодвигаются ближе к экватору. Причиной этого являет­ ся более интенсивная экваториальная конвекция воздуха над океаном. Альбедо океана меньше, чем альбедо суши, поэтому воздух над океаном поглощает больше солнечной энергии. Во-вторых, воздух над океаном влажный, его плот­ ность меньше, чем плотность сухого воздуха. Поэтому конвективные потоки над океаном поднимаются выше, чем над сушей и скорость их больше. 19

Средняя высота, на которой располагаются циркумполярные вихри, равна 4 9 км. Давление воздуха на этой высоте около 2*10 Па, т. е. в пять раз меньше, чем у поверхности Земли. Скорость в центре струйных потоков 30-35 м/с. С такой скоростью они облетают вокруг Земли за 8-10 дней. В летнее (для Северного полушария) время года циркумполярные вихри смещаются к северу, зимой - к югу. Это связано с усилением конвекции в усло­ виях более высокой температуры. Возмущения струйных потоков вызывают из­ гибы - меандры, которые медленно дрейфуют вдоль вихря, приводя к измене­ нию погоды.

2.3. Ячейки Хэдли и Феррела. Пассаты и муссоны При конвективном подъеме воздуха у экватора происходит его охлажде­ ние. На высоте, где температура падает ниже точки росы, водяные пары, со­ держащиеся в воздухе, конденсируются и образуются облака. Поэтому небо над экватором почти всегда в облаках. Эти облака располагаются на высотах 1-5 км. Поднявшийся выше, до 17 км, уже сухой воздух имеет огромную внутреннюю энергию. Путь от экватора до широт циркумполярных вихрей он проходит быстро, примерно за сутки. Здесь он опускается вниз и растекается по поверхности. Это сухой и теплый воздух, так как энергия, затраченная на подъ­ ем, теперь выделяется обратно при опускании. Поэтому широтам под циркум-

20

о

полярными вихрями (25-30) соответствуют пустыни на суше и области штилей на море*. «Конские широты» - это область повышенного давления (антициклон), а экваториальная зона - область пониженного давления - циклон. Почему же эта разность давлений не выравнивается? Все дело в том, что температура у по­ верхности Земли вблизи экватора и в «конских широтах» почти одинакова, но воздух у экватора более влажный и, следовательно, более легкий. Из уравнения (1.3) следует, что его давление с высотой падает быстрее, чем у сухого воздуха (см. рис. 2.4 [1]).

Из рис. 2.4 следует, что из-за противоположного по знаку перепада дав­ лений у поверхности Земли и на высоте в приэкваториальной области возника­ ет вертикальная циркуляция воздуха. Сила Кориолиса отклоняет поток воздуха наверху в восточном, а внизу в западном направлении (рис.2.5 [1]). Впервые атмосферную циркуляцию в тропиках описал в 1735 г. англий­ ский ученый Хэдли. Поэтому такие ячейки называют ячейками Хэдли. Правда, Хэдли считал, что эти ячейки простираются от экватора до самых полюсов. Английский школьный учитель Феррел в 1856 г. уточнил схему Хэдли, показав, что в умеренных широтах возникают ячейки вертикальной атмосферной цирку­ ляции противоположного направления. Их назвали ячейками Феррела.

* У моряков они получили название «конских широт», так как во времена парусного флота, когда корабли порой месяцами не могли выбраться из этих широт, от жажды погиба­ ло много перевозимых морем лошадей. 21

Ячейки Феррела обязаны своим происхождением высокому давлению 0 воздуха у поверхности Земли на широте 30-40 под циркумполярными вихрями 0 и низкому давлению у поверхности океана на широтах около 60 . Поскольку движение воздуха в ячейках Феррела обратное по сравнению с ячейками Хэд­ ли, то сила Кориолиса отклоняет в них воздушные массы в другую сторону. Поэтому в умеренных широтах высотные ветры дуют преимущественно с севе­ ро-востока, а низовые ветры с юго-запада (см. рис. 2.5). В Южном полушарии, где препятствием является только узкая полоска Анд, этот западный ветер у поверхности океана разгоняется до ураганной силы . В приполярной области циркуляция воздуха происходит опять в прямом направлении (см. рис 2.5). От областей низкого давления на широтах около 60 воздух поднимается и опускается вниз вблизи полюсов, где создаются анти­ циклоны. Кориолоисовы силы закручивают воздушные массы вокруг полюсов к западу. Поэтому там преобладают восточные ветры. Устойчивые на протяжении года низовые ветры в ячейках Хэдли, дующие в Северном полушарии преимущественно с северо-востока, а в Южном полу­ шарии - с юго-запада, называются пассатами (с нем. Passat от исп. viento de pasade - ветер, благоприятствующий переезду). Наряду с пассатами существуют ветры, направление которых меняется на противоположное два раза в год. Их называют муссонами (с франц. mousson от араб. маусим - сезон). Муссоны обусловлены различным нагревом материков и океана. Муссоны приносят дожди летом и приводят к сухой зиме. Муссонный климат ярко выражен в бассейне Индийского океана и на Дальнем Востоке. * У моряков эта область широт получила название «ревущих сороковых». 22

Еще IV—III вв. до н. э. индийские и персидские мореплаватели пользовались муссонами при плавании в Аравийском море. К I-II вв. н. э. сложился великий муссонный путь от берегов Индии в Южно-Китайское море и Китай, по кото­ рому парусные суда летом шли на восток, а зимой на запад.

2.4. Циклоны и антициклоны Циклон - это область пониженного давления в атмосфере, образуемая системой ветров, дующих против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой - в Южном [4]. Поперечные размеры циклона могут достигать не­ скольких тысяч километров. Из-за вязкости воздуха в циклоне, помимо его кру­ гового движения, возникает дополнительно поступательное движение от пери­ ферии к центру, где оно переходит в вертикальные, восходящие потоки. Под­ нимающийся воздух охлаждается, содержащиеся в нем пары воды конденси­ руются с образованием облаков, дающих осадки. Поэтому в зоне действия ци­ клона преобладает пасмурная погода с сильными, порывистыми ветрами (вих­ рями). По своему происхождению циклоны делятся на две основные группы: тропические (ураганы, тайфуны) и циклоны умеренных широт. Тропические циклоны возникают на океанских просторах в приэкватори­ альной области примерно между 10-15° северной и южной широты. Их диаметр достигает несколько сотен километров, а высота - от 5 до 15 км. В восточной части Тихого океана тропические циклоны называют ураганами (от фр. ouragan - сильный ветер), в странах полуострова Индостан - циклонами или штормами, на Дальнем Востоке - тайфунами (от кит. тай - сильный ветер). Есть и менее распространенные местные названия: вилли-вилли - в Австралии, вилли-вау - в Океании, багио - на Филиппинах. Тайфунам Тихого океана и ураганам Атлан­ тики присваивают собственные имена согласно установленном списку и четы­ рехзначные порядковые номера. Например, 1007 означает седьмой по счету тайфун в 2010 году. Тропические циклоны возникают там, где высока температура поверхно­ сти воды (выше 26°), а разность температур на границе вода-воздух превышает 2°. Усиленное испарение способствует вертикальному подъему воздуха. Поя­ вившаяся мощная тяга вовлекает в движение все новые и новые массы прогре­ того влажного воздуха, а вращение Земли придает ему вихревой характер. Цен­ тральную часть вихревой воронки называют «глазом бури». В мощных цикло­ нах диаметр глаза бури может достигать 70 км. В этой области пространства царит тишина: ветер и осадки практически отсутствуют. В зависимости от интенсивности тропические циклоны делятся на - тропические возмущения (скорость ветра менее 17 м/с); - тропические депрессии (скорость ветра достигает 17-20 м/с); - тропический шторм (скорость ветра не превышает 39м/с); - тайфун или ураган (скорость ветра составляет 40 м/с и более). 23

В жизненном цикле тропического циклона выделяют четыре стадии: 1. Стадия формирования. Она начинается с формирования первой замк­ нутой линии равного давления - изобары. Давление в центре циклона опускает­ ся до 990 гПа (744 мм рт. ст.). 2. Стадия развития. Давление начинает интенсивно падать. Ветры ура­ ганной силы образуют кольцо радиусом 40-50 км. 3. Стадия зрелости. Падение давления в центре циклона и увеличение скорости ветра постепенно прекращаются. Область штормовых ветров и осад­ ков разрастается и может достигать 1000 км. 4. Стадия затухания. При переходе циклона в зону более низких темпе­ ратур на поверхности воды или его выходе на сушу интенсивность испарения воды и подъема воздушных масс уменьшаются. Циклон затухает. При перемещении в сторону умеренных широт тропические циклоны по­ степенно теряют свою энергию и затухают. Циклоны умеренных широт возникают преимущественно в местах встре­ чи двух атмосферных фронтов. Они менее разрушительны, чем тропические циклоны. В Северном полушарии наиболее обширные циклоны возникают над акваториями Атлантического и Тихого океанов. Над европейской частью кон­ тинента циклоны чаще возникают зимой, а над азиатской - летом. Диаметр та­ ких циклонов обычно составляет несколько тысяч километров. Сильные штормы на море и ураганы могут вызвать появление относи­ тельно небольших, но неистово вращающихся облаков, накопивших огромные массы воды. Достигая поверхности Земли, они образуют вихревые воронки смерчи или, как их называют в США, торнадо. Торнадо обладает огромной разрушительной силой. Перемещаясь вместе с тучей, оно способно переносить на значительное расстояние довольно крупные предметы, людей и животных, издает шум и рев, наводя ужас на население, и сметает все на своем пути. Как правило, торнадо длится несколько минут, но наиболее сильные из них могут продолжаться часами. Антициклон - это область высокого давления в атмосфере, образуемая системой ветров, дующих по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки - в Южном [4]. Поперечник антициклона может достигать не­ скольких тысяч километров. Антициклон характеризуется слабыми ветрами, малооблачной и сухой погодой. Различают внетропические и тропические антициклоны. Антициклоны тесно связаны с циклонами. Практически это единый процесс: в одном месте, за счет уменьшения давления, создается дефицит массы воздуха, а в другом, за счет увеличения давления, возникает ее избыток. Над материками антициклоны лучше развиваются зимой, а над океанами - летом. Следует также отметить, что на направление и силу ветра влияют колеба­ ния солнечной активности, лесные пожары, землетрясения и извержения вул­ канов, предшествующее состояние атмосферы и многие другие факторы. 24

Лекция З ОПТИЧЕСКИЕ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И АКУСТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ 3.1. Рефракция, поглощение и рассеяние света в атмосфере Атмосфера Земли является оптически неоднородной средой. Изменение ее плотности с высотой приводит к соответствующему изменению показателя преломления света. На больших высотах значение показателя преломления меньше, чем у поверхности Земли. В результате луч света, идущий к Земле от какой-либо звезды, преломляясь в атмосфере, изгибается таким образом, что звезда кажется выше, чем ее истинное положение (рис. 3.1 [5]). Это явление носит название астрономической рефракции, а угол

- угла рефракции.

Благодаря атмосферной рефракции, Солнце у горизонта кажется слегка приплюснутым, а его видимое положение приподнято над истинным. Это ведет к некоторому увеличению продолжительности дня. Неоднородности темпера­ туры воздуха по высоте над поверхностью разогретой земли и над морем в лет­ нее время являются причиной миражей. Они возникают в пустынях и над мо­ рем, т. е. над ровной хорошо прогретой поверхностью, где градиент показате­ ля преломления особенно велик. 25

Проходя через атмосферу, световые лучи поглощаются и рассеиваются на неоднородностях среды (взвешенных частицах пыли и сажи, капельках воды и пр.). Рассеяние света имеет место даже в чистом воздухе из-за флуктуаций плотности, обусловленных молекулярно-кинетической природой строения ве­ щества. Такое молекулярное рассеяние света было открыто Л. И. Мандель­ штамом и М. Смолуховским в начале XX в. Электрическое поле световой волны вызывает периодическую поляриза­ цию рассеивающих частиц. Из электромагнитной теории известно, что ампли­ туда волны, излучаемой диполем, пропорциональна квадрату частоты его коле­ баний. Соответственно интенсивность рассеянного света пропорциональна час­ тоте в четвертой степени или обратно пропорциональна длине волны в четвер­ той степени [5]:

Выражение (3.1) называется законом Рэлея. Таким образом, свет идущий к наблюдателю через атмосферу, ослаблен по двум причинам: из-за поглощения и бокового рассеяния. Его интенсивность можно вычислить по формуле [5]:

где

- соответственно интенсивности проходящего и первоначально падающего на слои среды толщиной l света, а - коэффициент поглощения, а k коэффициент экстинкции (от лат. exstinctio - гашение). Молекулярным рассеянием света объясняется голубой цвет неба и крас­ ный цвет зари. По закону Рэлея голубые и синие лучи рассеиваются сильнее, чем оранжевые и красные. Поэтому в проходящем свете преобладают послед­ ние, а Солнце у горизонта кажется более красным, чем в зените. Интенсивность рассеянного света зависит от угла рассеяния [5]:

и графически выражается кривой, изображенной на рис. 3.2 [5]. Из (3.3) и рис. 3.2 ясно, почему небо над полюсами не столь голубое, как в южных широтах. Действительно, в высоких широтах Солнце поднимается низко над горизонтом, и мы видим небо, окрашенное световыми лучами, рас­ сеянными под большими углами. Их интенсивность существенно ниже, чем на умеренных, а тем более на тропических широтах.

26

Из-за поперечного характера электромагнитных волн рассеянный свет и частично поляризован (рис 3.3 [5]): полностью при угле рассеяния при По этой причине в полярных широтах с помощью поляризатора можно оценить местонахождение Солнца даже тогда, когда оно находится ниже уровня горизонта (полярной ночью). Для этого достаточно, постепенно повора­ чивая голову вдоль линии горизонта, рассматривать ее через поляризатор, од­ новременно вращая его. Направление, в котором при вращении поляризатора возникает полное гашение проходящего света, соответствует направлению на Солнце.

27

Большое влияние на оптические свойства атмосферного воздуха оказы­ вают капельки воды и кристаллики льда. Когда Солнце освещает завесу дождя, на противоположной от него стороне неба в отраженных лучах наблюдается дифракция света на капельках воды. Хотя они расположены в целом хаотиче­ ски, все же расстояния между ними не сильно различаются между собой. По­ этому возникает нечто похожее на пространственную дифракционную решетку, и мы можем наблюдать радугу - часть дифракционного круга ограниченного Землей. Внешний край радуги окрашен в красный цвет, а внутренний в фиоле­ товый, что соответствует меньшим углом дифракции для более коротких волн. Похожая ситуация имеет место, когда в морозном воздухе скапливается много мелких кристалликов льда. Тогда вокруг Солнца возникает гало (от греч. halos - круг) - круги, кольца, столбы или пятна. Гало не столь красочно, как радуга, и наблюдается реже.

3.2. Распространение радиоволн в атмосфере Радиоволны, будучи, как и свет, электромагнитными волнами, только бо­ лее низкочастотными, также преломляются в атмосфере (см. рис. 3.1). Более того, кривизна лучей может быть такой большой, что они, как после отраже­ ния, направляются вниз (рис. 3.4 [5]).

Важную роль в отражении радиоволн обратно к Земле играет ионосфе­ ра- верхняя часть атмосферы (на высотах 50-100 км), содержащая изолиро­ ванные атомы и свободные электроны. На рис 3.5 показано распределение кон­ центрации N электронов по высоте в ионосфере в летний день. 28

Из теории дисперсии [5] вытекает следующая зависимость показателя преломления n от частоты

- диэлектрическая прогде е и m - соответственно заряд и масса электрона, ницаемость вакуума, - коэффициент затухания. Средняя скорость дрейфа электронов в поле электромагнитной волны

29

где

- действующее значение напряженности электрического поля,

среднее время свободного пробега электрона. Средняя сила торможения, дейст­ вующая на колеблющийся электрон,

Отсюда

Плотность тока дрейфа

откуда

а

Подставляя (3.5), (3.6) в (3.4), получаем

Число столкновений электронов с молекулами воздуха в секунду порядка 4 10 - в слое F 2 , 10 - в слое Е, 200 - в слое D. Таким образом, даже для сравнительно низких частот в ионосфере реализуется бесстолкновительный режим В этом случае выражение (3.7) стараспространения радиоволн, когда новится действительным: 6

Вводя так называемую плазменную частоту колебаний

с которой происходят собственные (ленгмюровские) колебания электронов в плазме, (3.8) можно записать в виде 30

Из (3.10) видно, что при

фазовая скорость волны

и атмосфера становится непрозрачной для радиоволн. Отражение радиоволн от ионосферы обусловливает возможность приема радиопередач на достаточно длинных волнах вне пределов прямой видимости. Одновременно имеет место и зона молчания - область, где не удается поймать сигнал передатчика. С ростом частоты показатель преломления ионосферы Такие радиоволны (УКВ) свободувеличивается, и при но проходят через ионосферу. Слой D существует только в дневное время и ионизован слабо. Поэтому короткие волны от него не отражаются, но хорошо отражаются длинные волны. Слой Е существует в средних широтах только в летнее время, а вблизи эквато­ р а - круглогодично. Это слой отражает в основном короткие волны. Слой F существует днем и ночью, причем наименьшая ионизация имеет место незадол­ го перед восходом Солнца, а наибольшая вскоре после полудня. Именно этот слой, в первую очередь, определяет условия распространения радиоволн на Земле. Следует отметить, что связанные со вспышками на Солнце магнитные бури вызывают изменение концентрации электронов в ионосфере и нарушение радиосвязи.

3.3. Распространение акустических волн в атмосфере Процесс распространения звуковых колебаний в газах можно считать адиабатическим, так как на звуковых частотах (от 16 Гц до 20 кГц) теплообмен между областями сжатия и растяжения в акустической волне не успевает про­ изойти [6]. В адиабатическом приближении скорость звука в идеальном газе

где

- отношение теплоемкостей при постоянном давлении и посто-

янном объеме (показатель адиабаты), R - универсальная газовая постоянная, - молярная масса газа. Используя уравнение T- абсолютная температура, 31

Менделеева - Клапейрона, формулу (3.1) можно переписать в виде, пригодном и для нахождения скорости звука в реальных газах:

где

- плотность газа.

Из (3.1) видно, что скорость звука возрастает с ростом температуры газа. При постоянном давлении температурная зависимость скорости звука в газах описывается приближенным выражением

где

- температурный коэффи- скорость звука при температуре циент скорости. Для воздуха при нормальном атмосферном давлении Это означает, что при увеличении температуры воздуха на каждые 10 градусов, скорость звука возрастает приблизительно на 6 м/с. Например, при 40 °С она уже равна 355 м/с. Поэтому изменение темпе­ ратуры атмосферы с высотой приводит к эффектам рефракции акустических волн наподобие рефракции электромагнитных волн в атмосфере (см. рис. 3.4). В воздухе, как и в вообще в газах, коэффициент поглощения звука обрат­ но пропорционален плотности среды и прямо пропорционален квадрату часто­ ты волны. Сухой воздух более плотный. Поэтому в сухую погоду акустические волны в атмосфере поглощаются слабее, чем в сырую. Кроме того, во влажном воздухе акустические волны дополнительно ослабляются за счет рассеяния на молекулах водяного пара. Интенсивность звуковых волн пропорциональна скорости их распростра­ нения:

и А - соответственно частота и амплитуда волны. Таким образом, ингде тенсивность акустических эффектов в сухую жаркую погоду выше, чем в сы­ рую и холодную. Повышенное поглощение звука на высоких частотах приводит к тому, что с удалением от источника в его спектре остаются главным образом низкие час­ тоты. Например, звук выстрела, резкий и звонкий вблизи, становится глухим вдали. Кроме того, на распространение звука в атмосфере влияют рельеф мест­ ности, направление и скорость ветра, конвективные потоки воздуха. При рас­ пространении над пересеченной местностью энергия звуковых волн рассеива32

ется при прохождении вдоль оврагов и холмов, лесных массивов, различных водоемов, зданий и сооружений. По ветру звук распространяется лучше, чем против ветра. Стратификация атмосферы по температуре и скорости ветра приводит к тому, что наклонные лучи от наземного источника благодаря рефракции заги­ баются обратно к земной поверхности, вновь отражаются от нее и т. д. Образу­ ется так называемый акустический волновод, в котором концентрируется энер­ гия звуковой волны. Флуктуации температуры, давления, плотности и состава воздуха в атмо­ сфере также приводят к рассеянию звуковых волн и соответственно к их ослаб­ лению по мере распространения. С практической точки зрения силу звука (интенсивность звуковой волны) удобно оценивать в сравнении с порогом чувствительности человеческого уха и измерять в децибелах - внесистемных единицах, вычисляемых по формуле

где Р1, Р2 - соответственно одноименные энергетические единицы (мощности, энергии, плотности энергии и т. п.), измеренные для сравнения. В табл. 3.1 [7] приведены примеры силы звука в различных природных явлениях и техниче­ ских устройствах.

33

3.4. Грозовые процессы В результате тепловой конвекции в тропосфере образуются конвективные ячейки (рис.3.6). Нагретые нижние слои воздуха поднимаются вверх по осям ячеек, адиабатически охлаждаясь. При этом содержащиеся в воздухе пары воды конденсируются с образованием кучевых облаков. Охлажденный воздух опус­ кается вниз по границам ячеек.

Достаточно мощное кучевое облако может превратиться в грозовую тучу за счет электризации содержащихся в нем частиц снежной крупы и мелких кри­ сталликов льда [8-10]. Тяжелые частицы снежной крупы, падая сквозь взвесь более мелких кристалликов льда и переохлажденных капель воды, заряжаются отрицательно при температуре ниже TR = -15°С называемой температурой реверса, и положительно при более высокой температуре. Сами же льдинки приобретают дополнительный заряд. Температура реверса соответствует высо­ те около 6 км. Здесь в основном и сконцентрирован отрицательный заряд гро­ зового облака. Верхняя, заряженная положительно за счет льдинок, часть гро­ зового облака может достигать высоты 12-15 км. В нижней части облака нахо­ дится относительно небольшой положительный заряд, обусловленный положи­ тельно заряженными крупинками снега или образовавшимися из них при тая­ нии каплями воды, выпадающими на землю в виде осадков. 34

В воздухе всегда имеется некоторое количество ионов. В нижней части атмосферы основными ионизаторами являются космические лучи, скорость ио­ вообразования которыми на высоте нескольких километров составляет . Коэффициент объемной рекомбинации ионов воздуха на тех же высотах

Следовательно, в условиях квазистационарной

ионизации концентрация ионов в тропосфере ным образом, молекулярные ионы

Это, главгидратированные несколькими

молекулами воды, и свободные электроны. Наряду с конвекцией в электронно-ионно-молекулярной смеси воздуха идет процесс термодиффузии [11]: более мелкие электроны устремляются в «горячую» осевую часть конвективных ячеек, а тяжелые молекулы и ионы диффундируют к «холодной» периферии (см. рис. 3.6). В нижней части ячеек, где скорость конвективного потока может достигать 25 м/с, вертикальная составляющая геомагнитного поля с индукцией

Тл (для уме-

от радиального направления движеренных широт) отклоняет ионы и ния, вовлекая во вращение с циклотронным радиусом ~1м. Это приводит к по­ явлению мелкомасштабных ионных вихрей, закрученных левоспирально в Се­ верном полушарии и правоспирально в Южном полушарии. Так как давление воздуха внутри вихревых воронок ниже атмосферного, они засасывают в себя пыль, снег, мелкий мусор, которые под действием центробежных сил выносят­ ся на периферию воронок и делает их видимыми. Термодиффузиционные электроны, поднимаемые конвективными пото­ ками вдоль осей ячеек, частично компенсируют положительный заряд в нижней части грозового облака и частично увеличивают отрицательный заряд снежной крупы, образуя своего рода электронное облако [11]. Напряженность электро­ 5 магнитного поля между нижней частью грозовой тучи и землей ~10 В/м, что примерно на порядок меньше его пробойного значения в воздухе. Наличие электронного облака обеспечивает, тем не менее, в этих условиях возможность электрических разрядов и существование молнии. Во-первых, между ним и по­ ложительно заряженной верхней частью тучи происходят искровые разряды (внутриоблачные молнии). Во-вторых, в месте наибольшей напряженности электрического поля возникает сток электронов на землю и появляется ступен­ чатый лидер, с которого начинается процесс молниевого разряда на землю (рис. 3.7). Отрицательный потенциал нижней части тучи намного более электроот­ рицателен, чем поверхность Земли. Поэтому электроны начинают двигаться с ускорением вниз. Скоростная съемка установила, что вначале из тучи появляет­ ся небольшой светящийся комок - ступенчатый лидер. Он движется к земле со скоростью около 0,1 скорости света, но проходит около 50-70 м и замирает. Следует пауза около 50 мкс, и лидер делает следующий шаг. Так, скачками он приближается к земле, по дороге ионизуя воздух и прокладывая проводящий 35

канал, по которому устремляется основной заряд из тучи (около 20-30 Кл). Сила тока в молнии может достигать 10000 А.

При этом практически мгновенно выделяется большое количество тепла. Плазма в канале молнии раскаляется до температуры, достигающей 10000 К. Ее расширение при такой температуре происходит со скоростью, превышаю­ щей скорость звука в воздухе. Поэтому молния сопровождается ударной звуко­ вой волной, которую мы воспринимаем на слух как гром. При отражении от различных преград возникает эхо, и мы слышим раскаты грома. Процессы электризации в туче происходят быстро. Достаточно всего 5 с, чтобы туча восстановила свой заряд. Рекомбинационные процессы идут гораз­ до медленнее, поэтому в проводящем канале, проложенном ступенчатым лиде­ ром первой молнии, может ударить и вторая молния, затем третья и т. д. Иногда их бывает больше десяти. Часто ступенчатый лидер дробится, и молния полу­ чается ветвистой. Тогда может случиться, что первый разряд пойдет по первой ветви, а второй - по другой ветви. Вариантов здесь много. 36

Нарисованная нами картина на самом деле несколько упрощена. Когда ступенчатый лидер оказывается примерно в 100 м от земли, напряженность электрического поля на его конце усиливается. Под его воздействием навстречу лидеру устремляется электрический разряд - ответный стример. Причем раз­ ряд начинается с заостренных и выступающих предметов, так как именно вбли­ зи них напряженность электрического поля выше. Это свойство молнии ис­ пользуется в молниеотводах (громоотводах). Поэтому же во время грозы не ре­ комендуется находиться под высокими уединенными деревьями. Внутриоблачные молнии обычно ограничиваются лишь лидерной стадией развития. Их длина колеблется от 1 до 150 м. Доля внутриоблачных молний возрастает по мере продвижения к экватору, достигая 90% в приэкваториаль­ ной полосе. По подсчетам метеорологов ежегодно на Земле случается шестнадцать миллионов гроз, причем каждый день в небе сверкает больше сорока тысяч молний - около ста молний в секунду! На планете есть места, которые грозы и молнии посещают особенно часто. Рекорд здесь принадлежит индонезийскому городу Богору, над которым молнии сверкают 322 дня в году. В Африке самой «наэлектризованной» страной является Кения, где случается более 200 гроз в году. В Европе одним из «гнезд молний» является селение Оравикоски в Фин­ ляндии. В 1987 году здесь был установлен своеобразный мировой рекорд: за год было зафиксировано 2276 молний, причем учитывались лишь те молнии, которые разрядились в землю. Есть и обратные примеры. Так, в городе СантаМария в штате Калифорния (США) грозы бывают не чаше одного раза в два го­ да, а в Египте можно увидеть грозу вообще один раз в двести лет. Понятно, что грозовая активность связана с циклонами, и грозы чаще бы­ вают в местах наиболее вероятного их появления. Что касается молний, то они чаще бьют в места с пониженным сопротивлением грунта, причиной которого обычно бывает наличие источников подземных вод или залежей металлов. Специфическими видами молнии являются шаровая и четочная молнии. Мы, однако, здесь эти молнии рассматривать не будем ввиду отсутствия в на­ стоящее время общепринятой теории, объясняющей их возникновение.

3.5. Резонанс Шумана Две электропроводящие поверхности: Земля и окружающая ее ионосфера образуют гигантский сферический резонатор. Если возбужденная в таком резо­ наторе электромагнитная волна, обогнув земной шар, сложится сама с собой в фазе (рис. 3.8), т. е. войдет в резонанс, то возникнет стоячая волна, могущая существовать продолжительное время. Впервые эффект существования стоячих электромагнитных волн вокруг Земли был обнаружен в конце XIX в. американ­ ским ученым и изобретателем сербского происхождения Николой Тесла. Лишь спустя более полувека, в 1952 г. это явление переоткрыто и опубликовано не­ мецким ученым В. О. Шуманом [12] и теперь известно как «резонанс Шумана». 37

Допустим, что в рассматриваемом резонаторе укладывается n длин вол­ . Тогда, полагая, что скорость расны, а длина окружности Земли 8 пространения электромагнитных волн с = 3 • 10 м/с, получаем частоту колеба­ ний, равную

Для первых пяти гармоник (n = 1, 2,..., 5) формула (3.6) дает следующий ряд частот: 7,5; 15,0; 22,5; 30,0; 37,7 Гц. Экспериментально же полученные значе­ ния заметно отличаются: 7,83, 14,1; 20,3; 26,4; 32,4 Гц, причем это различие увеличивается с ростом n. Шуман учел, что поверхность Земли имеет проводимость а проводимость ионосферы на высотах 70-90 км изменяется в пределах См/м, из-за чего скорость распространения электромагнитных волн, в действительности, примерно на 20% меньше, чем в вакууме. Кроме то­ го, Шуман использовал более строгое выражение для резонансной частоты сферического резонатора:

и получил для первых пяти гармоник значения 8,5; 14,7; 20,8; 26,8; 32,9 Гц. 38

Ни (3.6), ни (3.7) не учитывают отклонений реальной формы Земли от сферы, влияние гор, океанов, материков, магнитного поля Земли и многих дру­ гих факторов, учесть которые просто невозможно, на частоту резонанса Шума­ на. Более того, как выяснилось, сами шумановские частоты испытывают суточ­ ные и сезонные вариации, зависят от колебаний солнечной активности и других факторов, влияющих на состояние ионосферы. Как полагают ученые, первичным естественным источником возбуждения резонанса Шумана являются разряды молний. Они возбуждают электромагнит­ ные колебания в широком диапазоне частот. Поскольку центрами грозовой ак­ тивности являются циклоны и разделы атмосферных фронтов, то и они оказы­ вают влияние на частоты и интенсивность резонанса Шумана. Сам Шуман не придал какого-либо серьезного значения своему откры­ тию, однако с его статьей в физическом журнале [12] ознакомился немецкий врач Г. Кёниг, который обратил внимание на попадание частоты первой гармо­ ники резонанса Шумана в диапазон частот альфа-ритма человеческого мозга (7,0-14 Гц). Он связался с Шуманом и они продолжили дальнейшие исследова­ ния совместно. Гармоники со второй по пятую резонанса Шумана попадают в диапазон частот бета-ритма головного мозга человека (14-35 Гц). Таким образом, полу­ чается, что волны Шумана играют важную роль в синхронизации биологиче­ ских ритмов и нормального существования всего живого на Земле. Пожилые и хронически больные люди остро чувствуют отсутствие волн Шумана, ощущая головокружение, головные боли, тошноту, потерю ориентации в пространстве. Альфа-ритм наблюдается в состоянии неглубокого расслабления. У лю­ дей с пониженным уровнем интенсивности альфа-ритма наблюдается наруше­ ние способности к полноценному отдыху, что сопровождается повышенным риском возникновения стрессовых состояний. Этот ритм управляет активно­ стью правого полушария головного мозга и эмоционально-чувственным вос­ приятием информации. Бета-ритм, наоборот, контролирует работу левого полушария и наблюда­ ется при сосредоточенном внимании к чему-либо, при активизации мышления. Его повышенная активность приводит к беспокойству, страху и панике. Пони­ женная активность бета-ритма приводит к депрессии, снижению внимания, ухудшению способности запоминать информацию. Этот ритм отвечает за ана­ литические, абстрактно-речевые формы мышления. Благодаря более высокой частоте по сравнению с альфа-ритмом, он позволяет детализировать информа­ цию, разделять ее на более мелкие фрагменты. Следует отметить, что альфа- и бета-ритмы у животных не разграничи­ ваются. Их мозг, если можно так выразиться, более симметричен, чем у челове­ ка, а познание окружающего мира опирается на чувственные формы мышления. Приблизительно то же самое обнаруживается у экстрасенсов: в измененном со­ стоянии сознания оба полушария мозга у них работают параллельно, генерируя волны частотой 7-8 Гц, т. е. на частоте первой гармоники резонанса Шумана. 39

Лекция 4 ГИДРОДИНАМИКА АТМОСФЕРНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ 4.1. Математическая постановка задачи Полная система уравнений, описывающих движение газа в атмосфере без учета диссипативных эффектов, включает в себя [13] уравнение движения (в форме Эйлера)

уравнение непрерывности

и уравнение состояния среды (Пуассона, так как мы пренебрегаем здесь тепло­ обменом, рассматривая быстропротекающие процессы)

Здесь - плотность среды (она рассматривается как сплошная, т. е. используется гидродинамическое представление); - скорость частиц среды (гидродинамическая скорость); - давление; - ускорение силы тяжести; - угловая скорость вращения Земли (ради простоты мы не учитываи ем ее широтную зависимость); - равновесные значения плотности и давления; - показатель адиабаты; - оператор Лапласа. Первое уравнение, согласно второму закону Ньютона, приравнивает про­ изведение массы единичного объема среды на его ускорение сумме всех сил, действующих на эту массу: силы давления, силы тяжести и силы Кориолиса. Выражение в квадратных скобках представляет собой полную производную от скорости по времени (ускорение):

40

Уравнение (4.2) выражает закон сохранения массы жидкости. В случае несжимаемой жидкости, когда плотность постоянна оно принимает вид

Рассмотрим малые возмущения параметров среды:

Подставляя эти выражения в (4.1) - (4.3), линеаризуем задачу:

Здесь

и простоты опущен);

- возмущения соответствующих величин (индекс «1» для

- скорость звука. Из (4.8), (4.9) и уравнения гидростатики

находим

41

где

оператор Стокса. Далее выполним операцию

Здесь учтено, что малых величин: и лучаем

над (4.7):

и опущен член, содержащий произведение двух Подставляя в последнее уравнение

из (4.9), по-

Величина N, определяющая частоту свободных вертикальных колебаний в стратифицированной среде (атмосфере или океане), называется частотой Брента-Вяйсяля, - параметр стратификации. Перейдем в уравнениях (4.5) - (4.7), (4.10), (4.11) к новым переменным, обозначив

- плотность атмосферы у поверхности Земли):

42

где Г— коэффициент Эккарта. Малые возмущения скорости и давления будут распространяться по среде в виде плоских волн вида

Тогда применение использованных в (4.12) - (4.15) дифференциальных опера­ торов эквивалентно из замене на следующие множители:

В результате применения данной процедуры получаем

Система уравнений (4.17) - (4.20) описывает волны малых возмущений скорости и давления в атмосфере. Даже при сделанных упрощающих предпо­ ложениях это достаточно сложная задача. Поэтому мы будем решать ее для ха­ рактерных частных случаев.

43

4.2. Волны в атмосфере Волны Лэмба. Рассмотрим эволюцию чисто вертикальных (нормальных) возмущении в атмосфере. Это означает, что

и из (4.20) получаем

т. е. мы имеем дело с преимущественно поверхностными волнами, экспоненци­ ально затухающими по высоте. Такие волны называют волнами Лэмба. Из (4.17), (4.18) находим

Подставляя (4.21), (4.22) в (4.19), находим

Если всюду в направлении распространения волны W = 0, то из (4.23) следует:

где

продольное волновое число. Выражение (4.24) является

дисперсионным уравнением для волн Лэмба. Акустические волны. Если

44

, то (4.24) принимает вид

Это известная из курса общей физики дисперсионная характеристика для аку­ стических волн. Волны Россби. Если положить возмущения вертикальной скорости всю­ ду по всей высоте равными нулю, то вместо (4.17), (4.18) следует взять (4.12), (4.13), из которых, исключая Р ,получаем

Если горизонтальной дивергенции нет, то, обозначив градиент силы Кориолиса в меридиональном направлении через

из (4.26) находим

где

завихренность. Вводя функцию тока

такую, что

получаем

Из (4.27) и (4.28) следует

Предполагая для

волновую зависимость вида

получим следующее дисперсионное уравнение:

45

или

такие волны распространяются в западном направлении, но если скорость ветра то они могут изменить направление своего распространения на воеточное. Их средняя скорость зависит от частоты, поэтому они обладают дисперсией. Это волны Россби. Волны Россби всегда распространяются вдоль параллелей, а их амплитуда может быть столь велика, что они наряду с цикло­ нами участвуют в формировании погоды на средних и высоких широтах. Наи­ более интенсивными оказываются волны Россби с периодами около 2, 4, 5, 10 и 16 суток [14]. Внутренние гравитационные волны. Из (4.13) - (4.15) в случае экспо­ ненциальной зависимости возмущений компонент скорости (4.16) и получается следующая система уравнений:

Приравнивая определитель из коэффициентов этой системы нулю, находим ус­ ловие ее нетривиального решения:

Уравнение (4.31) является дисперсионным уравнением для внутренних грави­ тационных волн. Внутренние гравитационные волны возникают лишь при на­ личии стратификации среды и внешнего (гравитационного) поперечного поля. Здесь n - вертикальное волновое число. На рис. 4.1 показаны дисперсионные характеристики рассмотренных волн. Волны Россби в чистом виде здесь отсутствуют. Поправки, связанные с 46

вращением Земли, присутствуют во всех других волновых процессах. Через NА на этом рисунке обозначено следующее:

Следует отметить, что в реальных условиях математическое описание волновых явлений в атмосфере еще сложнее. Наличие в ней ионизованных час­ тиц требует использования наряду с уравнениями гидродинамики уравнений Максвелла. Это приводит к очень сложным дисперсионным уравнениям даже для слабых возмущений, аналитически решить которые не удается. Различные упрощения позволяют выделить из общего процесса кроме уже описанных на­ ми волн, также альвеновские волны, обусловленные наличием магнитного поля Земли.

47

Лекция 5 МИРОВОЙ ОКЕАН 5.1. Гипсографическая кривая Около 70% земной поверхности покрыто водой. Ее масса составляет око­ 27 ло 1,37*10 кг. Если бы Земля имела правильную шарообразную форму, то она бы оказалась покрыта слоем воды толщиной Но земная поверхность отклоняется от такой усредненной сферы как в сторону увеличе­ ния, так и в сторону уменьшения радиуса. На рис. 5.1 показано распределение высот и глубин земной коры - так называемая гипсографическая кривая [1].

Из нее видно, что высокие горы и глубокие впадины океанического дна занимают около 1% земной поверхности. Основная площадь Земли занята рав­ ниной суши и океаническим дном. Эта кривая дает усредненный профиль пере­ пада суши - океаническое дно. На самом деле поверхность дна при удалении от берега выглядит так: сначала глубина растет медленно, с уклоном всего 48

1,5—2 м/км. Это так называемый континентальный шельф. Он простирается в среднем на 80 км от берега, затем происходит резкий обрыв, и через 30-35 км глубина достигает 3 км. Это континентальный склон. Основную площадь океа­ нического дна занимают абиссальные равнины (от греч. аbyssos - бездонный) с глубинами от 3,7 до 6 км. Лишь изредка они пересекаются подводными хреб­ тами и глубоководными впадинами, где достигаются рекордные глубины в 10-11 км*. Уровень океана в геологической истории Земли не всегда был постоян­ ным. В ледниковые периоды он был ниже современного на 100-150 м из-за того, что значительная часть воды замерзала и образовывала ледники. Тогда шельф становился сушей, а континентальный склон начинался сразу у берега. Однако площадь океана при этом уменьшалась ненамного, примерно на 5%.

5.2. Состав океанской воды Океан находится в химическом равновесии с атмосферой и земной корой. Он представляет собой насыщенный раствор атмосферных газов. Однако их растворимость в воде невелика. При 15 °С доля азота по массе составляет -5 -5 -4 1,3*10 , кислорода - 7,9*10 , углекислого газа - 5,5*10 . Тем не менее, общая масса растворенной в океане углекислоты почти в 100 раз превышает массу всей атмосферной углекислоты. В океане растворено большое количество различных солей. В воде соли диссоциируют на ионы. Состав соответствующих катионов и анионов пред­ ставлен в табл. 5.1 [1]. Океанская вода в целом электрически нейтральна. Масса анионов боль­ ше, чем масса катионов, в основном, из-за того, что масса атома хлора больше, чем масса атома натрия. Среднее содержание смеси солей в океане около 35,2 г на килограмм морской воды или 35,2%о (35,2 промилле ). От места к месту со­ леность воды меняется. Испарение воды повышает соленость, речные стоки уменьшают. Процентный состав солей остается практически постоянным. Лишь концентрация ионов НСО3 возрастает с глубиной, так как с понижением температуры растворимость углекислоты в воде повышается. Плотность соленой воды больше плотности пресной воды. При темпера3 туре 0 °С океанская вода средней солености имеет плотность около 1,028 г/см . Из-за слабой сжимаемости воды ее плотность на глубине почти такая же, как и 3 на поверхности. Например, на глубине 5 км при 0 °С она равна 1,051 г/см .

Максимальная глубина океана имеет место в Марианской впадине - 11 022 м (Тихий океан). От лат. PRO MILLE - на тысячу. 49

5.3. Стратификация плотности воды в океане Интенсивное испарение воды с поверхности океана при безоблачном не­ бе, когда дуют горячие сухие ветры, вызывает осолонение поверхностных слоев воды и повышение ее плотности. Это является причиной особых, термохалинных течений (от греческого hals - соль). Примером такого течения является циркуляция вод в Средиземном море. В его восточной части, у побережья Тур­ ции, соленость поверхностных вод достигает 40%о, в то время как на западе, в районе Гибралтара, она равна 36%о. Тяжелая соленая вода опускается на дно, согревая придонные воды, и устремляется понизу в Атлантический океан. А на освободившееся место через Гибралтар по поверхности моря вливается вода из океана. Казалось бы, термохалинные течения должны возникать и в меридио­ нальном направлении: по дну от экватора к полюсам и по поверхности в проти­ воположном направлении. Этого, однако, не происходит, так как опресненная вода вокруг Антарктиды перемешивается ветрами «ревущих сороковых» (см. лекцию 2). Там уже почти сравнявшаяся по солености с нижележащей во­ дой, но все еще холодная антарктическая вода опускается и проникает в виде языков до экватора в Индийском океане и даже до Северного тропика в Атлан­ тическом и Тихом океанах (см. рис. 5.2. [1]). Из-за вертикального градиента солености океанская вода стратифициро­ вана по плотности. Это обусловливает возможность существования в океане внутренних волн, о которых пойдет речь ниже (см. лекцию 7).

50

5.4. Солевые пальцы В тропиках теплая соленая вода перемешивается с холодной распресненной водой арктического языка. Но, оказывается, из-за различий в значениях коэффициента молекулярной диффузии температура жидкости выравнивается намного быстрее, чем соленость. Поэтому, если над холодной пресной водой окажется слой соленой теплой воды, возникает неустойчивость. Соленая вода тяжелее, и граница раздела прогибается вниз. Здесь она остывает быстрее, чем на плоских участках, но не успевает перемешаться с окружающей пресной во­ дой. Плотность воды в прогнувшемся участке еще больше возрастает, и она проваливается вниз, увлекая за собой узкую струю соленой верхней воды. Так возникают солевые пальцы (рис. 5.3 [1]).

51

Солевые пальцы дробятся на более узкие и постепенно перемешиваются с окружающей водой на глубине. Солевые пальцы легко наблюдать в лаборатор­ ных условиях. Для большей наглядности подогретую соленую воду, наливае­ мую сверху на слой холодной пресной воды, лучше подкрасить. Возникновение солевых пальцев наиболее заметно в Карибском море, где образуется ступенчатая вертикальная структура воды, в которой чередуются отдельные слои толщиной несколько метров, простирающиеся в горизонталь­ ном направлении на сотни километров.

52

Лекция 6 ЦИРКУЛЯЦИЯ ВОДЫ В ОКЕАНЕ 6.1. Ветровые течения в океане Основной движущей силой поверхностных течений в океане является ве­ тер. Пусть, например, его скорость над водой равна V. Заметим, что скорость ветра растет с высотой: на границе с водой она равна нулю, но чем выше, тем ветер сильнее (см. лекцию 2). Поэтому принято за скорость ветра принимать его среднюю скорость на высоте 15 м, что соответствует высоте мачт среднего судна [1]. Трение ветра о воду создает в ней сдвиговые напряжения

Без­

размерный коэффициент пропорциональности, определяемый эксперименталь­ -3 но, оказывается равным 2,5 * 10 . Причиной такой его малости является то, что скорость ветра нами определяется по ее значению на высоте 15 м, в то время как напряжение на поверхности жидкости создается ветром, дующим на гораз­ до меньших высотах, где его скорость меньше на порядок. Поэтому запишем зависимость сдвигового напряжения в воде от скорости ветра в виде

При скольжении верхних слоев воды относительно нижних это напряже­ ние уравновешивается силами вязкости:

В мелком водоеме на его дне, на глубине D скорость течения обращается в нуль, а напряжение во всем слое практически постоянно. Тогда из (6.1), (6.2) получаем

Если, например, кг/(м*с) получаем

то при т. е. больше, чем

и Ошибка была 53

в том, что мы считали течение ламинарным, а это в данном случае неверно. Те­ чение является ламинарным лишь при малых числах Рейнольдса

меньших некоторого критического числа Рейнольдса

зависит от

геометрии течения, но обычно его значение лежит в диапазоне от 10 до 30. При турбулентном течении надо рассматривать турбулентную вязкость

Тогда вместо (6.4) получаем

В

рассматриваемом

примере

получается

совсем

другой

результат:

Соответствующее число Рейнольдса

6.2. Спираль Экмана В глубоком океане кроме ветрового напряжения следует учитывать силу Кориолиса. Теория ветрового течения в глубоком открытом океане была разра­ ботана шведским ученым В. Экманом. Не вдаваясь в детали, приведем полу­ ченные им выражения для компонент скорости течения, если ветер дует вдоль оси y[1]:

Здесь верхний знак относится к Северному полушарию, а нижний - к Южному Поверхностная скорость

направлена под углом 45° к направлению

ветра, направо в Северном полушарии и налево в Южном (рис. 6.1 [1])При опускании вглубь океана вектор скорости поворачивается. На глубине он направлен уже против ветра! Скорость течения там равна 54

На глубине

вода течет в противоположную сторону по сравнению с ее течением на поверхности, а ее скорость равна . Параметр К определяет характерную глубину, на которой происходит поворот течения. Он вычисляется по формуле

где

- географическая широта местности.

При

а глубина, на которой течение поворачивает

Это турвспять, около 100 м. При такой скорости число Рейнольдса булентный режим течения. Он хорошо перемешивает воду в океане до глубин порядка 100 м. 55

6.3. Пассатные течения. Апвеллинг и даунвеллинг

Экваториальное

противотечение.

Реальное течение мирового океана гораздо сложнее, чем дает теория Экмана. Нужно учитывать влияние континентов, зависимость температуры и со­ лености воды от глубины, изменение направления ветров. Кроме того, реаль­ ные течения отличаются от идеализированных еще и тем, что им свойственно образование струй, похожих на реки в океане, только без берегов. Поэтому рус­ ло таких «рек» может меняться, делать изгибы, перемещающиеся в направле­ нии течения. Эти изгибы называют меандрирующими (от др.-греч. названия ре­ ки в Малой Азии - Майандрос; теперь она находится на территории Турции и называется Большой Мендерес). От меандрирующих струй могут отрываться отдельные участки, образуя круговороты диаметром до нескольких сотен кило­ метров. Они медленно перемещаются по океану, постепенно, в течение не­ скольких месяцев, затухая. Из стационарных течений, простирающихся в Мировом океане на тысячи километров, важную роль играют пассатные течения, обусловленные пассатами (см. лекцию 2). Они возникают в тропиках, на широтах и направлены на запад. Если вспомнить, что пассаты дуют в Северном полушарии с северовостока, а в Южном полушарии с юго-востока, то видно, что уклонение пассат­ ных течений от ветра близко к 45°, как и предсказывает теория Экмана. Между северным и южным пассатными течениями во всех океанах суще­ ствует экваториальное противотечение, направленное на восток. Его ось сме­ щена от экватора на 5° к северу, из-за отсутствия полной симметрии между Се­ верным и Южным полушариями Земли. Причиной экваториального противоте­ чения является выход на поверхность экмановских противотечений там, где ве­ тер слаб, а силы Кориолиса малы, т. е. вблизи экватора. Поскольку на глубине вода холоднее, то температура поднявшихся с эк­ ваториальным противотечением вод на несколько градусов ниже, чем темпера­ тура соседних тропических вод. Удивительно, но факт: вблизи экватора вода в океане холоднее, чем вблизи северного и южного тропиков! Подъем воды в течениях называется апвеллингом, а опускание даунвеллингом (от соответствующих английских слов upwelling и downwelling). Кроме экваториальных апвеллингов и даунвеллингов, подъем или опускание вод име­ ет место у берегов морей при касательном к крутым берегам направлении ветра (рис. 6.2 [1]). Это тоже проявление кориолисовых сил, направляющих поток жидкости перпендикулярно ветру. Апвеллинг и даунвеллинг играют важную роль в биологии океана. Например, подъем холодных, богатых планктоном вод вблизи западного побе­ режья Перу привлекает рыбу, способствуя развитию жизни в этой части океа­ на, и вносит немалый вклад в экономику страны за счет рыболовства.

56

6.4. Приконтинентальные течения При подходе пассатных течений к континентам им приходится поворачи­ * вать в сторону от экватора. Так начинается Гольфстрим , Бразильское течение, Куросио и Восточно-Австралийское течения Тихого океана, Мадагаскарское течение Индийского океана. На рис. 6.3 [1]. показаны главные приконтинен­ тальные течения в океане. Из-за нагона воды пассатами уровень воды в Атлантике в Мексиканском заливе выше на 60 см, чем у берегов Африки, а в Тихом океане перепад уров­ ней воды между западным и восточным берегами еще больше - 70 см. Он и обусловливает поверхностное течение. Таким образом, ветер (пассаты) здесь играет не главную роль. Поэтому и экваториальное противотечение имеет ме­ сто не на глубине около 100 м, а на глубинах в несколько километров, и оно весьма слабое. Но ветры, например, «ревущие сороковые» могут и подгонять приконти­ нентальные течения. На тридцатиградусных широтах они расположением кон­ тинентов и кориолисовыми силами отклоняются на северо-запад. Далее эти те­ чения подгоняются юго-восточными ветрами Северного полушария и северо­ восточными ветрами Южного полушария (см. рис. 2.5, а).

* Гольфстрим происходит от англ. GULF STREAM - течение (Мексиканского) залива. «Курошива» по японски означает черный поток. Цвет воды и в Гольфстриме, и в Куросио темносиний, резко отличающийся от цвета окружающих вод. 57

Из приконтинентальных течений Южного полушария эти ветры форми­ руют Антарктическое циркумполярное течение, не имеющее континентальных препятствий, и круговое Западное Арктическое течение. В Южном полушарии у него есть слабый аналог вблизи Антарктиды.

6.5. Эль-Ниньо и Ла-Нинья Заметное влияние на пассатные и приконтинетальные течения, апвеллинг и даунвеллинг, а также формирование циклонов оказывает явление, поучившее название Эль-Ниньо (от исп. El Nino - Малыш, Мальчик). Так перуанские моря­ ки назвали теплое северное течение, поскольку оно бывает наиболее заметно в дни католического Рождества. Долгое время это явление считалось чисто ре­ гиональным. Лишь к концу XX в. выяснилась его влияние на климат планеты [15, 16]. Суть явления заключается в периодических, с характерными временами не менее 5 месяцев, колебаниями температуры поверхностного слоя воды в эк­ ваториальной части Тихого океана. В связи с этим Эль-Ниньо называют также Южной осцилляцией. Строго говоря, под Эль-Ниньо понимается лишь та фаза осцилляции, при которой область нагретых приповерхностных вод смещается к востоку. Противоположная фаза осцилляции называется Ла-Нинья (от исп. La Nina - Малышка, Девочка). Развитие Эль-Ниньо сопровождается характери­ зуется признаками: 1. Повышение атмосферного давления над Индийским океаном, Индоне­ зией и Австралией. 2. Падение давления над противоположной стороной Земли: над Таити, центральной и восточной частями Тихого океана. 58

3. Ослабление пассатов в южной части Тихого океана, вплоть до их пол­ ного прекращения и изменения направления ветра на западное. 4. Перенос теплых и влажных воздушных масс в Перу, выпадение дождей в перуанских пустынях. Наиболее сильно эффект Эль-Ниньо проявляется в Южной Америке, вы­ зывая летом (с декабря по февраль) сильные наводнения в Перу, Эквадоре, се­ верной Аргентине. Если Эь-Ниньо приходится на зимние месяцы, то в Перу и Боливии даже случаются необычные для южного полушария зимние снегопа­ ды. В Индонезии, на Филиппинах, в северной Австралии Эль-Ниньо, наоборот, вызывает сухую погоду, увеличивая вероятность возникновения лесных пожа­ ров. В Антарктиде растет давление и становится теплее. Теплее становится также в Северной Америке. При этом в Калифорнии, в юго-восточных штатах США и на западе Мексики становится влажнее, а в северо-западных штатах США, наоборот, суше. В южных и центральных районах Африки с декабря по февраль наступает засуха. В восточной Африке с марта по май наступает сезон дождей. Похожий на Эль-Ниньо эффект иногда наблюдается в Атлантическом океане, когда вода вдоль экваториального побережья Африки становится теп­ лее, а у побережья Бразилии - холоднее. Отмечена также связь этой циркуля­ ции с Эль-Ниньо. Поскольку Атлантические циклоны во многом определяют климат в Европе и на территории европейской части России, то Эль-Ниньо че­ рез свою связь с Атлантической циркуляцией оказывает влияние на климат и в этой части земного шара. В частности, аномальную жару в России летом 2010 года некоторые ученые связывают именно с эффектом Эль-Ниньо.

59

ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ НА ПОВЕРХНОСТИ ВОДОЕМА 7.1. Математическая постановка задачи Пусть слой D (рис. 7.1) идеальной несжимаемой и непроводящей жидко­ сти находится в поле сил тяжести. Снизу он ограничен твердым дном а сверху - свободной поверхностью подверженной внешним возмущениям. Гравитационное поле с ускорением свободного паде­ ния g направлено против оси Oz.

Задача об эволюции возмущения свободной поверхности жидкости включает уравнение движения (см. лекцию 4)

уравнение непрерывности

которое в случае несжимаемой жидкости

сводится к требованию

и соответствующие граничные и начальные условия. 60

Класс плоских движений жидкости является безвихревым позволяет ввести скалярный потенциал поля скоростей Ф, определяемый выражением

что

Подстановка (7.3) в (7.1), (7.2) сводит задачу к интегралу Бернулли - Коши [17]

и уравнению Лапласа

Граничные условия для потенциала Ф на твердом дне состоят из кинема­ тического условия

выражающего обращение в нуль нормальной составляющей скорости, а на сво­ бодной границе - из кинематического и динамического условий. Кинематиче­ ское граничное условие выражает обращение в нуль полной скорости частиц жидкости на свободной поверхности

и, с учетом запишется в виде

Динамическое граничное условие выражает непрерывность давления при пере­ ходе через свободную поверхность и, с учетом интеграла Бернулли - Коши (7.4), может быть записано в виде

61

где - внешнее давление, действующее на свободной поверхности, например, атмосферное, а произвольная функция времени С (t) путем выбора по­ тенциала Ф положена равной нулю. Начальные условия можно записать в виде

Итак, нелинейная краевая задача для уравнения Лапласа относительно потенциала поля скоростей в случае гравитационных волн на поверхности плоского слоя идеальной несжимаемой и непроводящей жидкости в общем ви­ де формулируется следующим образом:

7.2. Линейное приближение В случае малых возмущений на поверхности жидкости величины Ф и малы, что позволяет переписать граничные условия (7.10 в), (7.10 г) в виде

62

Исключая из записанных выражений сти (z = 0) получаем

для покоящейся свободной поверхно-

Уравнение Лапласа (7.10 А) и граничное условие (7.10 Б) на дне уже ли­ нейны и не зависят от поэтому линеаризованная задача содержит только од­ ну функцию Ф:

Здесь область D1 ограничена свободной поверхностью z = 0 и твердым дном z = - h (х,у). Решив задачу (7.4) и найдя Ф, можно записать уравнение свободной по­ верхности для ее малых возмущений:

Ограничимся случаем жидкости постоянной глубины h(x,y) = h0= const и будем искать решение однородной задачи (7.11) в виде плоских волн:

Подстановка (7.13 б) в уравнение Лапласа (7.11 А) приводит к уравнению

решение которого, удовлетворяющее граничному условию вид

имеет

63

7.3. Волны на мелкой воде Рассмотрим теперь нелинейную задачу для волн на мелкой воде. Введем - параметр нелинейности и два безразмерных параметра: параметр дисперсии, где А - характерная амплитуда возмущения а l - ее харак­ терные длина, и перейдем в задаче (7.11) к безразмерным переменным

опустив для простоты штрихи:

Представив решение уравнение Лапласа (7.20 А) в виде разложения в сте­ пенной ряд

и подставляя его в (7.20 А), (7.20 Б) с последующим сравнением коэффициентов при различных степенях z, можно переписать (7.21) в виде

где Подставляя (7.22) в условия (7.20 в), получаем систему нелинейных уравнений для

и

65

Предполагая, что ми, содержащими

(слабая дисперсия) и пренебрегая в (7.23) члена-

получим

а Из (7.22) следует, что в рассматриваемом приближении где и - безразмерная горизонтальная компонента скорости частиц жидкости. Вертикальная компонента скорости в этом приближении равна нулю. Дифференцируя второе уравнение в (7.24) по и возвращаясь к размерным переменным, получаем

Уравнения (7.24) и (7.25) называются уравнениями мелкой воды. В линейном (7.24) принимают вид режиме

или в размерных переменных,

Таким образом, на мелкой воде линейные волны распространяются со скоростью 66

7.4. Уравнения Буссинеска Если в уравнении (7.23) предположить, что

- величины одного по-

и рядка малости и сохранить члены первого порядка по

то они примут вид

Система уравнений (7.27) называется уравнениями Буссинеска*. Она описывает нелинейные волны малой амплитуды на мелкой воде.

7.5. Уравнение Кортевега - де Вриза. Солитоны Решения уравнений Буссинеска в виде волн, распространяющихся только в одну сторону (например, вправо), можно представить в виде

где

- некоторые функции

и ее производных. Подстав-

ляя (7.28) в (7.27), получаем

Рассматривая члены нулевого порядка по

и

в (7.29), видим, что

и

* Ж. В. Буссинеск (1842-1929) - французский ученый, специалист в области гидроди­ намики, оптики, термодинамики и теории упругости. 67

Как следует из (7.28), (7.30) совместимы, если

Следовательно, уравнения и каждое из уравнений (7.30)

принимает вид

Уравнение (7.31) называется уравнением Кортевега - де Вриза В размерных переменных оно имеет вид

*

(КдВ).

В зависимости от амплитуды возмущения (уровня нелинейности) уравнение КдВ допускает различные решения: квазигармоническое, кноидальное и солитонное (рис. 7.2). Солитоны (от англ. solitary waves - уединенные волны) возникают при достаточно больших амплитудах возмущения и описываются уравнением вида

где L и V - соответственно ширина и скорость распространения солитона. Амплитуда солитона

определяется глубиной жидкости и начальными условиями: длиной возмуще­ ния, его высотой и случайными факторами, заложенными в произвольную по­ стоянную с.

* В честь голландских ученых И. Д. Кортевега и Г. де Вриза. 68

Солитоны играют огромную роль в природе. Ими являются цунами, нервные импульсы, долгоживущие вихревые кольца (например, Большое Крас­ ное Пятно Юпитера). С солитонами приходится иметь дело и в технике: напри­ мер, в полупроводниковых устройствах и волоконно-оптических линиях.

69

Лекция

8

ВНУТРЕННИЕ ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ В ОКЕАНЕ 8.1. Математическая постановка задачи Как отмечалось в лекции 5 (п. 5.2), плотность океанской воды с глубиной слегка возрастает. Это объясняется тем, что в более холодной воде может рас­ твориться больше солей, в частности гидрокарбонатов. Поэтому в океане, как и в атмосфере, имеет место вертикальная стратификация по плотности. Правда, в уравнении движения частиц жидкости можно не учитывать силы Кориолиса, так как из-за гораздо большей плотности чем воздух, вода отклоняется ими значительно слабее. Вспомните: пассатные течения существуют лишь в тропи­ ках, и они никогда не создают крупномасштабных вихрей, как атмосферные циклоны и антициклоны. С учетом сказанного, система уравнений, описывающих движения воз­ мущений в стратифицированном океане без диссипации энергии может быть записана в виде (см. п. 4.1, уравнения (4.1) - (4.3)):

Считая воду в горизонтальной плоскости изотропной, можно ограничиться рас­ смотрением плоской задачи (в плоскости xOz, см. рис. 8.1). В зависимости от степени стратификации, определяющей величину час­ тоты Брента - Вяйсяля, и частоты возмущений внутренние волны в стратифи­ цированной жидкости могут распространяться под различными углами к гори­ зонту.

70

Линеаризуя систему (8.1) - (8.3) и применяя использованную в лекции 4 процедуру решения, можно получить дисперсионное уравнение

где - скорость звука в среде, N - частота Брента-Вяйсяля - параметр стратификации, Г - коэффициент Эккарта. На рис. 8.2 показаны определяемые уравнением (8.4) дисперсионные характеристики.

71

Рассмотрим возникающие здесь частные случаи. 1. Акустические волны (ветвь 1). При

уравнение (8.4) принимает

вид

В отсутствие стратификации

и из (8.5) следует

2. Внутренние гравитационные волны (ветвь 2). При дится к виду

(8.4) приво-

Выражение (8.6) представляет собой дисперсионное уравнение для внутренних гравитационных волн в стратифицированной жидкости, в общем случае с уче­ том сжимаемости.

8.2. Короткие волны При

уравнение (8.6) упрощается [18]:

Короткие внутренние гравитационные волны типичны для сезонного термои клина в океане [19], где относительное изменение плотности частота Брента-Вяйсяля Условие практически означает, что длина волны много меньше так называемой шкалы глубин Шкала глубин равна глубине, при опускании на которую плотность воды возрастает в е раз. В рассматриваемом случае

* Сезонным термоклином называется слой прогретой воды в океане глубиной около 50 м. Ниже этого слоя температура воды в течение года практически не изменяется. 72

Как следует из (8.7), фазовая скорость коротких гравитационных волн

а групповая скорость

имеет компоненты

и равна

Таким образом, фазовая и групповая скорости коротких гравитационных волн взаимно перпендикулярны друг другу.

8.3. Длинные волны В результате вулканической деятельности в отдельных частях Мирового океана выделяется значительное количество двуокиси углерода С0 2 и в мень­ шей мере других газов: паров Н 2 0, СО, H2S, Н2 и др. Активное выделение С0 2 из земной коры вблизи действующих вулканов имеет место даже в перио­ ды их покоя. Благодаря этому происходит насыщение придонных слоев во­ ды углекислым газом. Во время извержения вулкана или при подводном зем­ летрясении выделяется большое количество теплоты, что приводит к нагрева­ нию воды и уменьшению растворимости С0 2 . Так, при повышении температу­ ры воды на 10 °С растворимость углекислого газа в ней изменяется в 1,4 раза, что сопровождается дегазацией избыточного количества С0 2 и уменьшением 3 плотности жидкости у поверхности до 0,78 кг/м При более интенсивном насыщении воды углекислым газом вполне достижимы условия, при которых

м, и в океане могут распространяться длинные внутренние гравитационные волны с дисперсиВ режиме длинных волн для несжимаемой жидкости онное уравнение (8.6) можно разложить по степеням малого параметра ограничившись первыми двумя членами разложения, представить в виде

и,

73

Здесь

- фазовая скорость линейных внутренних гравитационных волн,

параметр дисперсии. Компоненты групповой скорости по осям х, z

а сама она

причем Таким образом, в отличие от коротких внутренних гравитационных волн, «выбирающих» направление своего распространения в зависимости от соотношения между частотой колебаний источника и частотой Брента - Вяйсяля N и имеющих ортогональные направления фазовой и групповой скоростей, длин­ ные волны характеризуются постоянством скорости распространения вдоль «выбранного» направления распространения и коллинеарностью фазовой и групповой скоростей.

8.4. Внутренние солитоны. Цунами Дисперсионному уравнению (8.10) соответствует уравнение КдВ сле­ дующего вида:

где

- малое возмущение плотности жидкости. Односолитонное реше-

ние (8.11) имеет вид

3

Произведем теперь некоторые численные оценки, положив Н = 10 м, Тогда, согласно (8.10), (8.11), получим и

74

По мере увеличения наклона к горизонту скорость внутренних гравитационных волн, и в том числе солитонов, уменьшается до нуля при У наклонных солитонов длина увеличивается, а скорость уменьшается при движении внутрь жидкости (в связи с ростом плотности) и, наоборот, длина уменьшается, а скорость возрастает при движении к поверхности. Именно возникновением внутренних гравитационных солитонов можно объяснить цунами (в переводе с японского «волна в гавани») - уединенные волны огромной разрушительной силы, возникающие при подводных и при­ брежных землетрясениях. В табл. 8.1 представлены основные характеристики цунами в сравнении с аналогичными характеристиками ветровых волн. Приве­ денные выше оценки вполне соответствуют этим данным.

Поскольку сейсмические волны, порожденные землетрясением, достига­ ют побережья в 50-80 раз быстрее, чем цунами, сейсмические станции могут зарегистрировать их возникновение в море, оценить параметры и направление распространения и передать эту информацию соответствующим органам по борьбе с чрезвычайными ситуациями.

75

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Человек появился и сформировался как биологический вид на Земле. В бескрайнем космосе у нас нет другого места для жизни. Среди миллионов видов живых организмов, населяющих тонкий приповерхностный слой Земли, толщиной всего несколько километров, - биосферу - человек всего лишь одно из звеньев. Но, будучи наделен разумом, человек активно преобразует окру­ жающую природу, строя города, железные дороги, плотины гидроэлектростан­ ций, каналы и дамбы. Многочисленные заводы и фабрики, транспорт выбрасы­ вают в атмосферу Земли ежегодно около 1% от всего углекислого газа, содер­ жащегося в атмосфере. Это порождает так называемый парниковый эффект, приводящий к перегреву земной поверхности. При существующих темпах про­ изводства энергии через двести лет ее будет вырабатываться ежегодно около 5% от энергии, получаемой Землей от Солнца. Если коэффициент полезного действия в ее использовании будет низок, то выброшенная в атмосферу она вы­ зовет повышение среднегодовой температуры на 3-5 градусов. Это вызовет усиленное таяние ледников и затопление многих низменных участков морского побережья. Человек разрушает озоновый слой планеты, используя различные аэрозоли и допуская их распыление в атмосфере. Это повышает частоту заболе­ ваний раком кожи другими онкологическими заболеваниями, причем не только у самого человека. Наконец, человек освоил расщепление атомного ядра, по­ строил многочисленные атомные электростанции, атомные ледоколы и подвод­ ные лодки, научно-исследовательские атомные реакторы. Возникла проблема захоронения радиоактивных отходов и реальная угроза технических аварий, приводящих к радиоактивному заражению местности. Таким образом, создавая среду для своего обитания, человек меняет ландшафт и климат планеты. Но на нашей не такой уж большой планете все взаимосвязано. Изменения ландшафта и очертаний материков могут сильно изменить характер ветров и морских течений, а те, в свою очередь, еще сильнее повлиять на климат. Но да­ же если не касаться глобальных изменений в природе, а ограничиться влиянием промышленных, транспортных, добывающих, перерабатывающих и других производств на местные природные условия, то и здесь мы сталкиваемся с не­ обходимостью принимать грамотные технические решения. Эти решения, обу­ словленные необходимостью инженерной защиты окружающей среды и рачи­ тельного природопользования, возможны только при наличии соответствую­ щих знаний о строении и механизмах функционирования атмосферы и гидро­ сферы Земли. В нашем небольшом спецкурсе мы рассмотрели лишь весьма узкий круг вопросов, относящихся к затронутой проблеме. Но даже они дают информацию для вдумчивого читателя. Что касается инженера, сделавшего защиту окру­ жающей среды своей профессией, то он, конечно, должен вникнуть в физику Земли более глубоко и целенаправленно. Автор надеется, что данная книга бу­ дет стимулировать этот интерес. 76

АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ Альфа-ритм мозга 39 Антициклон 24 - внетропический 24 - тропический 24 Апвеллинг 56-58 Атмосфера 9, 17, 25, 40, 48 -вторичная 15 -первичная 15 Бета-ритм мозга 39 Бернулли - Коши интеграл 61 Вихри циркумполярные 19 Волны - акустические 44, 47, 72 - альвеновские 47 - внутренние гравитационные 46, 47, 70 - гравитационные поверхностные 60 - длинные внутренние гравитационные 73 - короткие внутренние гравитационные 72 - Лэмба 44, 47 - на мелкой воде 64 - Россби 45, 46 - сейсмические 75 Гало 28 Гетеросфера 11 «Глаз бури» 23 Гомеосфера 11 Гроза 34 Даунвеллинг 56-58 Децибел 33 Звука - интенсивность 32 - сила 33 -скорость 31,41 Ионосфера 28 Конвекция 17 «Конские широты» 21 Кориолиса сила 18 Коэффициент - поглощения света 26 - Э к к а р т а 43, 71 - экстинкции света 26 Кривая гипсографическая 48

Ла-Нинья 58 Ленгмюровские колебания электронов 30 Мезопауза 12 Мезосфера 12 Мираж 25 Молния 35 Муссон 22 Оператор - Лапласа 40 - Стокса 42 Пальцы солевые 51 Параметр стратификации 42 Пассат 22 Промилле 49 Равнина абиссальная 49 Радуга 28 Рассеяние молекулярное света 25 «Ревущие сороковые» 22 Рефракция астрономическая 25 Рейнольдса число 54 Склон континентальный 49 Солитон 67-69, 74 Стратификация -атмосферы 12 - океана 30 Стратопауза 12 Стратосфера 12 Ступенчатый лидер молнии 35 Тайфун 24 Температура реверса 34 Термодиффузия 35 Термоклин сезонный 72 Термосфера 13 Течение - ветровое 53 - пассатное 56 - приконтинентальное 57 - экваториальное 56 Торнадо 24 Тропосфера 12 Уравнение - Буссинеска 67

77

- гидростатики 41 - движения Эйлера 40 - Кортевега - де Вриза 67 - Лапласа 40 - непрерывности 40 - Пуассона 40 Ураган 23 Феррела ячейка 20,22 Хэдли ячейка 20,22 Циклон - умеренных широт 24

- тропический 23 Цунами 74, 75 Частота - Брента - Вяйсяля 42, 71 - плазменная 30 Шельф континентальный 49 Шумана резонанс 37 Экзосфера 13 Экмана спираль 54, 55 Экстинкция 26 Эль-Ниньо 58

ГЛОССАРИЙ Антициклон - область повышенного атмосферного давления, характери­ зуемая системой ветров, дующих по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки - в Южном, малооблачной, сухой погодой и слабыми ветрами. Апвеллинг (от англ. upwelling) - подъем воды в океанских течениях, обусловленный действием кориолисовых сил, связанных с вращением Земли и направляющих поток жидкости перпендикулярно направлению ветра. Может наблюдаться также у берегов больших водоемов при касательном к берегу на­ правлении ветра. Гало (от греч. hаlds - круг, диск) - круги, дуги, столбы, пятна, наблюдае­ мые вокруг Солнца в морозную погоду. Вызываются преломлением и отраже­ нием света кристалликами льда, взвешенными в воздухе. «Глаз бури» - центральная часть циклона, в которой отсутствуют ветер и осадки. В мощных циклонах размер «глаза бури» может достигать 70 м. Даунвеллинг (от англ. down-welling) - опускание воды в океанских тече­ ниях и у берегов больших водоемов, обусловленное действием кориолисовых сил, направляющих поток жидкости перпендикулярно ветру. Децибел - десятая часть бела - десятичного логарифма отношения двух одноименных физических величин (например, мощностей). Обозначается дБ. Названа в честь изобретателя телефона А. Г. Белла. Конвекция (от лат. convectio - привнесение, доставка) - перенос вещест­ ва в условиях неоднородности среды, вызванной градиентом температуры, плотности и др. параметров. «Конские широты» - области штилей на море и пустынь на суше, соот­ ветствующие 25-30° по обе стороны от экватора, где царят антициклоны. На­ званы так моряками во времена парусного флота, когда корабли месяцами не могли выбраться из этих широт, и от жажды погибало много перевозимых мо­ рем лошадей. Ла-Нинья (от исп. La Nina - Малышка, Девочка) - фаза Южной осцил­ ляции температуры поверхностного слоя воды в экваториальной части Тихого океана, при которой область нагретых вод смещается к западу. Наряду с ЭльНиньо оказывает влияние на климат Земли. Мираж (фр. mirage) - появление в атмосфере одного или нескольких мнимых изображений отдаленных объектов (домов, деревьев, водоемов и пр.), чаще в искаженном виде. Возникает из-за полного внутреннего отражения све­ та атмосфере при инверсном распределении плотности воздуха в вертикальном направлении. Муссон (фр. mousson, от араб. маусим - сезон) - устойчивый сезонный ветер, изменяющий свое направление на противоположное два раза в год. Является причиной осадков летом и засухи зимой. Муссоны характерны для бассейна Индийского океана.

79

Пальцы солевые - вытянутые в вертикальном направлении области бо­ лее соленой воды в океане, образующиеся в тропических широтах из-за быст­ рого испарения воды с поверхности и разной скорости релаксации температуры и солености. Когда над холодной пресной водой оказывается слой более тяже­ лой теплой соленой воды, то граница раздела прогибается вниз, и в образую­ щуюся воронку вливаются дополнительные порции соленой воды с поверхно­ сти. Температура в «пальцах» сравнивается с температурой окружающей жид­ кости быстрее, чем соленость, поэтому они могут существовать продолжитель­ ное время. Пассат (нем. Passat от исп. viento de pasade - ветер, благоприятствующий переезду) - устойчивый на протяжении года ветер, дующий в приэкваториаль­ ных широтах в Северном полушарии с северо-востока, а в Южном - с югозапада. Пассаты вызываются термоконвекцией воздуха в атмосфере и вращени­ ем Земли. Промилле (от лат. pro mille - на тысячу) - тысячная часть чего-либо. Обозначается % о . В промилле измеряется содержание в растворе солей, спирта и ряда других веществ. «Ревущие сороковые» - западные ветры ураганной силы на 40°-х широ­ тах Южного полушария, не встречающие препятствий в виде материков. Названы так моряками. Солитон (от англ. solitary wave - уединенная волна) - одиночная волна, возникающая вследствие конкуренции диссипации и нелинейности и сохра­ няющая свою форму и размеры продолжительное время в процессе движения. Может возникать в различных средах (твердых телах, жидкостях, газах, плаз­ ме). В частности, солитонную природу имеет цунами. Стратификация (от лат. stratum - слой, настил) - слоистость среды, вы­ званная изменением температуры, плотности и других ее параметров. Ступенчатый лидер молнии - небольшой сгусток электрического заря­ да, рывками продвигающийся из грозовой тучи к Земле, с которого начинается молниевый разряд. По проложенному ступенчатым лидером проводящему ка­ налу устремляется затем основной заряд молнии. Тайфун (от кит. тай - сильный ветер) - название тропического циклона или урагана, распространенное на Дальнем Востоке. Торнадо - название смерча, принятое в Северной Америке. Ураган (от фр. ouragan - сильный ветер) - название тропического ци­ клона, принятое в восточной части Тихого океана. Скорость ветра в ураганах часто превышает 40 м/с. Циклон - область пониженного давления в атмосфере, образуемая сис­ темой ветров, дующих против часовой стрелки в Северном полушарии и по ча­ совой - в Южном. В зоне действия циклона преобладает пасмурная, дождливая погода с сильными, порывистыми ветрами. Цунами (в переводе с японского «волна в гавани») - уединенные волны огромной разрушительной силы, возникающие при подводных и прибрежных

80

землетрясениях. По мере приближения к берегу скорость движения цунами может достигать 1000 км/ч, а высота волны - до 70 м. Шумана резонанс - возникновение сверхнизкочастотных стоячих элек­ тромагнитных волн в сферическом резонаторе, образованном поверхностью Земли и ионосферой. Естественным источником возбуждения резонанса Шума­ на является глобальная грозовая активность. Ввиду близости частот резонанса Шумана и частот многих биоритмов (в частности, ритмов головного мозга че­ ловека) оказывает существенное влияние на протекание биологических процес­ сов и нервно-психическую деятельность человека. Экстинкция (от лат. exstinctio - гашение) ослабление (света) по мере распространения за счет бокового рассеяния на молекулах среды и частицах различных примесей. Эль-Ниньо (от исп. El Nino - Малыш, Мальчик) - фаза Южной осцилля­ ции температуры поверхностного слоя воды в экваториальной части Тихого океана, при которой область нагретых вод смещается к востоку. Явление назва­ но так перуанскими моряками, поскольку оно бывает наиболее заметно в дни католического Рождества. Оказывает глобальное влияние на климат планеты.

81

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Бялко, А. В. Наша планета - Земля / А. В. Бялко. - М. : Наука, 1983. 208 с. 2. Мак-Ивен, М. Химия атмосферы / М. Мак-Ивен, Л. Филипс. - М. : Мир, 1978.-375 с. 3. Уорк, К. Загрязнение воздуха. Источники и контроль / К. Уорк, С. Уорнер. - М. : Мир, 1980. - 539 с. 4. Chaisson, Е. Astronomy today / Е. Chaisson, S. McMillan. - Prentice-Hall, 2002. - 832 p. 5. Браже, P. А. Избранные лекции по физике. Ч. 4. Волновая оптика / Р. А. Браже, В. М. Прокофьев. - Ульяновск : УлГТУ, 2001. - 36 с. 6. Красильников, В. А. Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах / В. А. Красильников. - М. : Физматгиз, 1960. - 560 с. 7. Кошкин, Н. И. Справочник по элементарной физике / Н. И. Кошкин, М. Г. Ширкевич. - М. : Наука, 1988. - 256 с. 8. Мучник, В. И. Физика грозы / В. И. Мучник. - Л. : Гидрометеоиздат, 1974.-352 с. 9. Чалмерс, Дж.-А. Атмосферное электричество / Дж.-А. Чалмерс. - Л. : Гидрометеоиздат, 1974. - 420 с. 10. Фейнман, Р. Фейнмановские лекции по физике. Т. 5. Электричество и магнетизм / Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. - М.: Мир, 1977. - 304 с. 11. Браже, Р. А. Вихревые и солитонные явления в атмосферном электриче­ стве / Р. А. Браже. - Саратов : Изд-во СГУ, 1993. - 72 с. 12. Schumann, W. О. Uber die strahlungslosen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel, die von einer Luftschiht und einer Ionospharenhulle umgeben ist / W. O. Schumann // Z. Naturforsch. - 1952. - B. 7a. - S. 149. 13. Госсард, Э. Волны в атмосфере / Э. Госсард, У. Хук. - М. : Мир, 1978. 532 с. 14. Швед, Г. М. Циркуляция атмосферы / Г. М. Швед // Соросовский образо­ вательный журнал. - 1997. - №3. - С. 75-81. 15. Caviedes, С. N. El Nino in history: storming through the ages / C. N. Caviedes. - University Press of Florida, 2001. - 279 p. 16. Бондаренко, А. Л. Эль-Ниньо - Ла-Нинья: механизм формирования / А. Л. Бондаренко // Природа. - 2006. - №5. - С. 39-47. 17. Миропольский, Ю. В. Динамика внутренних гравитационных волн в океане / Ю. В. Миропольский. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 302 с. 18. Лайтхилл, Дж. Волны в жидкостях / Дж. Лайтхилл. - М. : Мир, 1981. 603 с. 19. Ле Блон, П. Волны в океане. Ч. 1 / П. Ле Блон, Л. Майсек. - М. : Мир, 1977.-480 с.

82

Учебное издание БРАЖЕ Рудольф Александрович Восемь лекций по физике атмосферы и гидросферы Учебное пособие ЛР №020640 от 22.10.97. Подписано в печать 01.09.2010. Формат 60 X 84/16. Усл. печ. л. 4,88. Тираж 60 экз. Заказ 873. Ульяновский государственный технический университет, 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, 32. Типография УлГТУ, 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, 32.