| |
Новое в исследованиях закономерностей
формирования атмосферных вихрей
Автор: А.Л. Бондаренко
Опубликовано на Meteoweb.ru 01-02-2015
Приведено новое объяснение формирования атмосферных вихрей (циклонов средних широт и тропических, торнадо, тайфунов и т. д.),
в соответствии с которым они образуются атмосферными и океанскими долгопериодными волнами солитонами.
В атмосферных волнах частицы воздуха совершают циклонические движения, которые при определённых условиях в атмосфере превращаются в вихри - циклоны [Бондаренко, 2013].
Возможен и другой механизм формирования атмосферных вихрей.
Подъём океаническими долгопериодными волнами солитонами глубинной холодной воды на поверхность океана формирует температуру его поверхности в виде отрицательных аномалий,
в центре которых вода холоднее, чем на периферии.
Эти аномалии создают отрицательные аномалии температуры воздуха, которые создают атмосферные вихри [Бондаренко, 2013, Бондаренко и др, 2011, Бондаренко, Серых, 2011].
Эти же механизмы не только создают атмосферные вихри в начальной их стадии, но и подпитывают их энергией в дальнейшем.
Введение
В атмосфере нередко формируются образования, в которых воздух и содержащаяся в нём влага и твёрдые вещества
вращаются циклонически в Северном полушарии и антициклонически – в Южном, т.е. против часовой стрелки в первом случае и по её движению – во втором.
Это атмосферные вихри, к которым относятся циклоны тропические и средних широт, ураганы, торнадо, тайфуны, смерчи и т. п.
Вихри с большими скоростями движения воздуха в районе тропической и субтропической зон западной части Атлантического океана около Северной и Южной Америки
называют ураганами, торнадо, аналогичные около Европы – тромбо, около юго-западной части Тихого океана – тайфунами, около Филиппин – бегвизами,
около берегов Австралии – вили-вилли, в Индийском океане – орканами.
Существующие гипотезы
формирования атмосферных вихрей
Наиболее популярная гипотеза зарождения тропических циклонов, да и в целом вихрей, такова [Иванов, 1985, Моисеев, Сагдеев, 1983, Наливкин, 1969, Юсупаев, 2001, ay, 1975].
Существует механизм начального зарождения вихря, в данном случае тропического циклона, обеспечивающий подъём воздуха вверх.
Иногда его называют «пусковым механизмом». Считается, чтобы воздух поднимался, он должен быть легче, чем воздух, его окружающий, а, следовательно, теплее.
Считается, что в тропической зоне океан тёплый, и он передает своё тепло воздуху. Нагретый тёплый воздух поднимается.
Это и есть в данном случае пусковой механизм, который создаёт условия для работы следующего механизма, обеспечивающего пополнение энергией развивающегося вихря, циклона.
Он заключается в следующем. Подъём воздуха в вихре приводит к конденсации в нём влаги и, соответственно, падению давления.
В результате увеличивается перепад давления между центром циклона и его периферией, что приводит к увеличению подачи воздуха в циклон и дальше, усиливаясь, всё повторяется.
При этом воздух и содержащиеся в нём твёрдые и жидкие вещества поступают в циклон по спиралевидной траектории, что обеспечивается действием силы Кориолиса,
которая уравновешивает силу градиента давления воздуха, направленную внутрь вихря, циклона.
Выполняется процесс самовозбуждения циклона, а энергией, обеспечивающей его работу, является конденсация влаги.
Этот механизм иногда называют «механизмом накачки».
С этим механизмом всё ясно, его состоятельность ни у кого не вызывает сомнения, в том числе и у автора статьи. Поговорим о «пусковом механизме».
Условия подъёма воздуха и развития циклона в тропической зоне океана и, следовательно,
создание пускового механизма и циклона следующие: наличие тёплой воды в океане с температурой более 26 °С [Бондур, 2014].
Слой тёплой воды с температурой больше 26 °С должен быть толще 50 м., т.е. располагаться от поверхности до глубины более 50 м.
Как считают авторы гипотезы, в этом случае поток тёплого воздуха будет направлен вверх, от океана в атмосферу, и количество тепла будет достаточным для создания тропического циклона.
Можно считать, что с некоторой натяжкой такие условия могут выполняться в западной части Тихого океана. Здесь вода на поверхности океана тёплая и она достигает большой глубины, ~ 200 м.
Однако эти условия никак не выполняются в восточной части Тихого океана.
Здесь на поверхности океана вода практически всегда холоднее, 26 °C.
Термоклин с холодной водой находится недалеко от поверхности, на горизонте ~20 – 30 м.
В этих условиях поток тёплого воздуха направлен из атмосферы в океан.
Всё это указывает на то, что подъёма теплого воздуха нет, и он не является пусковым механизмом тропических циклонов.
Вместе с тем, тропические циклоны в Тихом океане равновероятно образуются как в восточной, так и западной части экваториальной зоны Тихого океана.
Отсюда вполне естественно напрашивается вывод: подъём воздуха происходит не за счёт того, что он тёплый, а по другой причине.
Естественно, создатели этой популярной и практически общепринятой гипотезы образования атмосферных вихрей ничего не знали об океане и его тропической зоне,
а выстраивали свою гипотезу только на предположениях, без ориентации на натуру. Сейчас мы видим, что они ошибались.
Гипотеза неверна в описании начальной стадии развития процесса.
Исследователи видели и ранее слабые стороны этой, хотя и общепринятой, гипотезы.
Так, они считали, что локальные перепады температуры и давления в тропиках не настолько велики,
чтобы только эти факторы могли сыграть решающую роль в возникновении циклона, т. е. значительно ускорить воздушные потоки [Юсупаев и др., 2001].
До сих пор остаётся неясным, какие физические процессы протекают на начальных стадиях развития тропического циклона,
каким образом усиливается исходное возмущение, как возникает система крупномасштабной вертикальной циркуляции,
подводящая энергию в динамическую систему циклона [Моисеев, Сагдеев и др., 1983].
Гипотезы автора
о формировании атмосферных вихрей
Автор данной статьи предлагает две новые гипотезы формирования и развития атмосферных вихрей, на наш взгляд, правильнее объясняющие реальность.
Обязательное условие образования циклона: подъём воздуха в начальной стадии его образования.
Подъём воздуха может происходить не только потому, что он тёплый, есть и другие причины.
Например, схождение воздушных масс, в результате которого воздух поднимается вверх. Так происходит, например, в тропиках.
Ветры пассаты Северного и Южного полушария, образованные в результате разности температур воздуха у Экватора и за его пределами,
перемещают массы воздуха к Экватору, а там они сходятся и поднимаются, причём очень интенсивно.
Подъём воздуха происходит и при его вращении циклонически, т.е. против движения часовой стрелки в Северном полушарии, и по её движению – в Южном.
Всё это хорошо доказано теоретически (математически) и натурой.
Эти объяснения позволили автору разработать и обосновать натурой, пусть далеко не всегда строго доказательно, две гипотезы формирования атмосферных вихрей.
Первая гипотеза.
Замечено, что западные и экваториальные области океанов динамически активнее остального океана.
В этих областях океанов на поверхности воды активно формируются отрицательные температурные аномалии воды, в то время, как в остальном океане они менее заметны.
Эти аномалии образуются вертикальными движениями воды океанических долгопериодных волн солитонов, часто они имеют округлую форму
[Бондаренко, 2013, Бондаренко, Серых, 2011, Бондаренко и др. 2011, Нечволодов и др., 1999, Незлин, 1986, Russel, 1838].
Обычно принято эти долгопериодные океанические и атмосферные волны относить к волнам Россби [Rossby, 1939].
Образовавшиеся в тропиках циклоны движутся далеко на Север именно по западным областям океанов, а в восточных областях циклоны, покидая тропики, быстро прекращают своё существование.
Всё это дало основание автору предположить, что холодные океанические аномалии могут формировать циклоны в атмосфере.
Механизм формирования простой. Над холодной водой в океане образуется холодный воздух.
Это образование принято называть отрицательной аномалией воздуха, часто она имеет округлую форму.
В этом случае в аномалии воздуха давление низкое, и воздух будет поступать в неё, поднимаясь вверх.
А далее всё будет развиваться по сценарию, описанному раньше, будет работать «механизм подкачки» за счёт конденсации влаги.
В данном случае пополнение циклона энергией будет происходить за счёт конденсации влаги, а также за счёт охлаждения воздуха в циклоне при нахождении его над холодной аномалией воды.
Вторая гипотеза.
Атмосферные вихри, тропические циклоны образуются атмосферными долгопериодными волнами солитонами [Бондаренко, 2013, Незлин, 1986, Russel, 1838].
Немного об этих волнах. Всю атмосферу, да и океан тоже, заполняют долгопериодные волны, которые следует отнести к волнам солитонам.
Нас будет интересовать тропическая и субтропическая климатические зоны Северного и Южного полушарий.
Тропическая зона расположена между ~ 12° с. и ю. ш., субтропическая – между ~ 12° и ~ 35° с. и ю. широт (рис. 2).
Волны прогрессивные и раcпространяются в западном направлении. Линии токов (силовые линии) атмосферных волн солитонов изображены на рис. 2.
В Северном полушарии тропической зоны силовое поле волн перемещает частицы воздуха и содержащиеся в нём вещества против часовой стрелки, а в южном - наоборот, по часовой.
В тропической зоне происходят циклонические движения частиц воздуха волн солитонов, которые создают в этой зоне подъём воздуха и конденсацию влаги.
Отсюда в этой зоне влажный воздух и обильное выпадение осадков в виде дождей. Циклонические движения частиц воздуха волн солитонов создают тропические циклоны.
Эти движения являются пусковым механизмом тропических циклонов, и механизмом пополнения циклонов энергией.
В Северном полушарии субтропической зоны силовое поле волн перемещает частицы воздуха и содержащиеся в нём вещества по часовой стрелке, а в южном - наоборот, против часовой стрелки.
Это зоны антициклонических движений воздуха и его опускания, за счёт этого уменьшается количество влаги в воздухе и выпадение дождей. В этих зонах формируются антициклоны.
Таким образом, фактором образующим атмосферные вихри, могут быть атмосферные и океанические волны солитоны.
Подпитка энергией вихрей может осуществляться этими волнами, а также за счёт конденсации влаги в вихре.
Атмосферные вихри в естественной среде
Циклоны средних широт и тропические.
Вихри, получившие название циклонов средних широт и тропических циклонов, в основном сформированы атмосферными долгопериодными волнами (в соответствии с первой гипотезой автора).
По их параметрам и свойствам следует различать атмосферные волны солитоны тропических и субтропических широт,
между ~ 35° с. и ю. ш., и волны средних широт от ~ 35° с. и ю. ш. до ~ 65° с. и ю. ш.
Соответственно, они образуют тропические циклоны и циклоны средних широт [Бондаренко, 2013].
Циклоны средних широт и тропические существенно различаются по своим свойствам и параметрам.
Так, например, скорости движения воздуха в циклоне средних широт редко достигают 30 м/c, в то время как в тропических – 100 – 200 м/с.
Тропические циклоны существенно меньше циклонов средних широт. Так, первые имеют диаметр порядка 100 – 200 км, а вторые – тысячу.
Если посмотреть на синоптические карты средних широт, то увидим, что они сплошь заполнены циклонами и антициклонами.
Циклоны средних широт подпитываются энергией циклонических движений атмосферных волн солитонов и за счёт конденсации влаги, содержащейся в атмосфере. Механизмы их образования рассмотрены [Бондаренко, 2013].
Тропические циклоны.
Тропические циклоны образуются приблизительно на 5° – 12° северной и южной широты, т. е. в зоне циклонических движений атмосферных долгопериодных волн солитонов (рис. 3).
Далее циклоны распространяются преимущественно в северо-западном направлении в Северном полушарии и в южном направлении в Южном полушарии.
Тропические циклоны, образовавшиеся в западных частях тропической зоны Северного полушария Тихого и Атлантического океана проходят над океанами вдоль Северной Америки и Азии,
проникая далеко на Север, иногда до ~ 60° с.ш.
Во всех остальных частях океанов тропические циклоны, покидая тропическую зону, быстро прекращают существование, распространяясь не дальше 20° с. и ю. ш.
Как всё это можно объяснить? Севернее и южнее области циклонических движений воздуха, т.е. за пределами 12° с. и ю. ш., находится область антициклонических движений воздуха,
которые работают на замедление тропических циклонов и тем самым уменьшают их энергию.
Таким образом, циклоны, покидая тропическую зону, теряют энергию за счёт действия антициклонических движений воздуха.
Циклоны, проходящие по западным частям Тихого и Атлантического океана активно подпитываются энергией за счёт конденсации влаги и
за счёт действия отрицательных аномалий воды, образованных океаническими волнами солитонами.
Ранее мы отмечали, что западные области океанов динамически активные, в них присутствуют глубокие отрицательные аномалии воды.
Кроме того, воздух здесь очень влажный. Всё это способствует развитию тропических циклонов или созданию новых.
За пределами тропической зоны в остальных частях океанов воздух относительно сухой и здесь в океанах отсутствуют глубокие отрицательные аномалии воды.
Наряду с антициклоническими движениями воздуха, всё это не способствует развитию циклонов, а больше их разрушению.
Далее приведём пример, подтверждающий возможность создания вихря или его подпитки энергией океаническими волнами солитонами.
Морские волны солитоны нередко создают крупные отрицательные температурные аномалии поверхностных вод в центральных частях замкнутых бассейнов.
Автору данной работы удалось проследить формирование над Чёрным морем циклона, образованного отрицательной аномалией воды моря (рис. 4а, б).
Температура воды в аномалии составляет ~ 10 – 15 °C, в то время как над остальным морем ~ 23 °C. Различия весьма существенны, они сформировали циклон (рис. 4б).
Этот пример свидетельствует о возможности реализации предложенной автором гипотезы формирования циклонических образований температурными отрицательными аномалиями воды (вторая гипотеза).
Следует отметить, что на Чёрном море довольно часто неожиданно образуются сильные штормы. Вероятно, причиной тому отрицательные температурные аномалии.
Так, скорее всего, в ноябре 1854 г. образовалась знаменитая «Балаклавская буря», потопившая английский флот.
Нередко также приходят циклоны со стороны Средиземного моря, которые значительно усиливаются над Чёрным морем в результате подпитки энергией температурными аномалиями моря.
Подобные отрицательные аномалии часто образуются и в других замкнутых и полузамкнутых морях и заливах.
Такие аномалии нередко образуются в Карибском море и Мексиканском заливе. Они усиливают, и порой очень сильно, тропические циклоны, распространяющиеся с юга в сторону Северной Америки.
Тропические циклоны, распространяющиеся от тропиков к берегам Северной Америки, обычно называют торнадо или ураганами.
На суше такой механизм подкачки энергии отсутствует, и поэтому, торнадо, распространяясь над сушей, относительно быстро разрушаются.
Для обоснования этих выводов приведём дословно выдержку из сайта Интернета «Атмосферные процессы в Карибском море»:
«Ресурс представляет динамическое изображение тропического урагана (торнадо) Dean, одного из наиболее мощных в 2007 году.
Наибольшую силу ураган набирает над водной поверхностью, а при прохождении над сушей происходит его «размывание» и «ослабление».
Ясно, что для прогноза состояния торнадо по пути его следования над океаном необходимо иметь информацию о температуре поверхностных вод океана.
Её предоставляют съемки температуры поверхности воды из космоса (рис. 4а). Прогнозистам циклонов, торнадо предлагаем воспользоваться нашими выводами.
С позиций изложенного попытаемся сформулировать закономерности формирования и развития атмосферных вихрей, тропических циклонов,
перерастающих в торнадо, ураганы, тайфуны при движении их на север и юг из тропической зоны.
Тропические циклоны всегда образуются в тропической зоне в пределах от 12° северной до 12° южной широты.
Не вызывает сомнения, что они в основном созданы циклоническими движениями воздуха волн солитонов. Более заметного механизма их образования нет.
Перемещаясь по экваториальной зоне, циклоны усиливаются циклоническими движениями атмосферных волн солитонов,
а также за счёт конденсации влаги в циклоне и температурными аномалиями воды, созданными океаническими волнами солитонами.
Если циклон выходит за область тропической зоны на север и попадает в западные области Северной части Тихого и Атлантического океанов, то он будет двигаться на Север,
усиливаясь за счёт конденсации влаги в циклоне или/и действия температурных отрицательных аномалий воды, создаваемых океаническими волнами солитонами.
В этих областях океанов, как отмечалось, циклоны проникают далеко на север (рис. 3).
В остальных частях океанов циклоны, выходя из тропической зоны океана, попадают в области океанов с антициклоническими движенииями воздуха, создаваемого атмосферными волнами солитонами.
Сухой воздух и слабые температурные отрицательные аномалии не подпитывают циклон энергией, а антициклонические движения воздуха его гасят.
Поэтому циклоны, покидая тропическую зону, очень быстро прекращают своё существование, обычно доходят не далее, как до 20° северной или южной широты (рис. 3).
Смерчи
Это вихревые образования небольших размеров.
Как и торнадо, они имеют трубу, образуются над океаном или морем, на поверхности которых возникают температурные аномалии небольших по площади размеров.
Автору монографии приходилось многократно наблюдать смерчи в восточной части Чёрного моря,
где большая активность морских долгопериодных волн солитонов на фоне очень тёплого моря приводит к образованию глубоких температурных отрицательных аномалий поверхностных вод.
Развитию смерчей в этой части моря также способствует большая влажность воздуха.
Образование атмосферных вихрей над сушей
В данной работе рассмотрены процессы образования атмосферных вихрей над океаном или морем.
Но известно, что вихри возникают и над сушей, хотя гораздо реже. Сценарии их возникновения схожи.
В начальный момент должны существовать условия, создающие область холодного воздуха, окружённого тёплым воздухом.
Чаще всего она возникает в условиях образования над сушей облачности.
Такая ситуация приводит к падению давления в центре холодного воздуха, под облаками, а далее всё развивается по сценарию,
который ранее рассмотрен в разделе «Гипотезы автора о формирования атмосферных вихрей», Первая гипотеза.
Однако, подпитка энергией вихря осуществляется только за счёт конденсации влаги, содержащейся в воздухе.
Выводы
Атмосферные вихри (тропические циклоны и циклоны средних широт, ураганы, торнадо, тайфуны и пр.),
в основном формируются циклоническими движениями атмосферных долгопериодных волн солитонов и зарождаются в тропической зоне океанов и зоне средних широт.
Подпитка энергией вихря может осуществляться этими циклоническими движениями, а также отрицательными температурными аномалиями воздуха,
созданными океаническими долгопериодными волнами солитонами и за счёт конденсации влаги в вихре.
Вихри могут быть образованы также температурными аномалиями воздуха над океаном, морем или же сушей.
Литература
1. Бондаренко А.Л. Лето 2010 года: жара в России и наводнения в Пакистане// Наука в России. март-апрель, № 2. 2013. С.112.
http://www.oceanographers.ru/images/stories/pdf/bondarenko_rossby.doc
http://meteoweb.ru/articles/bondarenko_05_2013.pdf
2. Бондаренко А.Л., Серых И.В, Борисов Е.В., Суркова Г.В., Филиппов Ю.Г., Щевьёв В.А.
О влиянии волн Россби Мирового океана на термодинамику его вод и атмосферы, погоду и климат Земли// Метеорология и гидрология. 2011. № 4 С. 75 – 81.
http://www.oceanographers.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=1639&Itemid=265
3. Бондаренко А.Л., Серых И.В. О формировании явления Эль-Ниньо – Ла-Нинья Тихого океана// Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из Космоса. 2011. Т8. №2. С.57-63.
4. Бондур В.Г., Крапивин В.Ф. Космический мониторинг тропических циклонов. М.: Научный мир. 2014. 508 с.
5. Иванов В.Н. Зарождение и развитие тропических циклонов// C.: Тропическая метеорология. Труды III Международного симпозиума. Л. Гидрометеоиздат. 1985.
6. Моисеев С.С., Сагдеев Р.З., Тур А.В., Хоменко Г.А., Шукуров А.В. Физический механизм усиления вихревых возмущений в атмосфере// Доклады Академии наук СССР. 1983. Т.273. №3.
7. Наливкин Д.В. Ураганы, бури, смерчи. Л.: Наука. 1969. 210 с.
8. Незлин М.В. Солитоны Россби// Успехи физических наук. 1986. Том 150, вып. 1. Сентябрь. 46 с.
http://ufn.ru/ufn86/ufn86_9/Russian/r869a.pdf
9. Нечволодов Л.В., Лобов А.Л., Овинова Н.В., Разорёнова О.А., Чумакова Л.В. О связи аномалий меридионального переноса тепла в Северной Атлантике с явлением Эль-Ниньо – южное колебание// Метеорология и гидрология. 1999. № 6, С.53 – 65.
10. Юсупалиев У., Анисимов Е.П., Маслов А.К., Шутеев С.А. К вопросу формирования геометрических характеристик смерча. Часть II// Прикладная физика. 2001. №1.
11. Gray W. M. Tropical cyclone genesis// Atmos. Sci. Paper, Colo. St. Univer. 1975. №234.
12. Rossby C.G. collaborators. Relation between variations in the intensity of the zonal circulation of the atmosphere and the displacements of the semi-permanent centers of action. 1939. J.Mar. Res. V. 2. №1. 38-55.
13. Russell J.S. Report of the committee on waves, Report of the 7th Meeting of British Association for the Advancement of Science, John Murry, London, 1838, pp. 417 – 496.
Сведения об авторе
Альберт Леонидович Бондаренко, океанолог, доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Института водных проблем РАН.
Область научных интересов: динамика вод Мирового океана, взаимодействие океана и атмосферы.
Достижения: доказательство существенного влияния океанических волн Россби на формирование термодинамики океана и атмосферы, погоды и климата Земли.
E-mail: albert-bond@mail.ru
Оригинал статьи >> (874 КБ, pdf)
Назад в раздел
|
|
Экспедиции с Astrocamp
АТМОСФЕРА И ОКЕАН