Поиск публикаций  |  Научные конференции и семинары  |  Новости науки  |  Научная сеть
Новости науки - Комментарии ученых и экспертов, мнения, научные блоги
Реклама на проекте

Основные закономерности формирования циклонов, тайфунов, торнадо, ураганов, смерчей волнами Россби Мирового океана

Sunday, 23 August, 00:08, oceanology.ru
Новый взгляд на закономерности формирования волнами Россби циклонов, тайфунов, торнадо, смерчей. Показано, что подъём воды в волнах формирует температуру поверхности океанов виде аномалий. В свою очередь эти аномалии формируют циклонические образования в атмосфере, которые поддерживаются и развиваются за счёт передачи тепловой энергии океана, создаваемой волнами. В атмосфере нередко формируются образования, воздух и содержащаяся в нём влага и твёрдые вещества вращаются циклонически в Северном полушарии и антициклонически — в Южном, т.е. в сторону, противоположную движению часовой стрелки в первом случае, и по её движению – во втором. К ним относятся циклоны тропические и средних широт, торнадо, тайфуны, тромбо, ураганы, смерчи и т. д. Природа этих образований во многом общая. Назовём их циклоническими образованиями. Тропические циклоны обычно в диаметре меньше, чем средних широт и составляют 100-300 км, но скорости движения воздуха в них большие, достигающие 50-100м/с. Циклонические образования с большими скоростями движения воздуха в районе субтропической зоны западной части Атлантического океана около Северной и Южной Америки получили название торнадо или ураганы, аналогичные около Европы — тромбо, около юго-западной части Тихого океана — тайфуны. Тропические циклоны образуются в восточной части океанов на широтах 5-200 и распространяются в западном направлении вплоть до западных границ океанов, а затем в северном полушарии движутся на север, в южном — на юг. Здесь они нередко превращаются в торнадо или тайфуны. Выходя на материк, они довольно быстро разрушаются, но успевают нанести значительный ущерб природе и людям. Подобные вращательные движения воздуха меньших размеров над морем или океаном получили название смерчей. Принятая гипотеза формирования циклонических образований Считается, что возникновение циклонов и пополнение их энергией происходит в результате подъёма больших масс тёплого воздуха и скрытой теплоты конденсации. Считается, что в районах образования тропических циклонов вода теплее атмосферы. В этом случае воздух нагревается от океана и поднимается вверх. В результате влага конденсируется и выпадает в виде дождей, давление в центре циклона падает, что и приводит к возникновению вращательных движений воздуха, влаги, твердых веществ, заключенных в циклоне [Грей, 1985, Иванов, 1985, Наливкин, 1969, Gray, 1975]. Эта общепринятая гипотеза формирования циклонических образований возникла без анализа натурной информации, путём логических умозаключений и представлений её авторов о физике развития подобных процессов. Естественно предположить: если воздух в образовании поднимается, что происходит в циклонических образованиях, то он должен быть легче, чем воздух на его периферии. Так и считается: воздух поднимается, влага конденсируется, давление падает, возникают вращательные движения циклонического образования. Некоторые исследователи видят слабые стороны этой гипотезы. Так, они считают, что локальные перепады температуры и давления в тропиках не настолько велики, чтобы только эти факторы могли сыграть решающую роль в возникновении циклона, столь значительно ускорить воздушные потоки [Юсупалиев, 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 тропического циклона [Моисеев и др., 1983]. Приверженцы этой гипотезы никак не объясняют закономерностей потоков тепла из океана в атмосферу, а просто предполагают их наличие. Мы же видим очевидный следующий недостаток этой гипотезы. Так, чтобы воздух нагревался от океана недостаточно, чтобы океан был теплее. Необходим поток тёплых вод с глубины к поверхности океана, а следовательно, и подъём воды. Вместе с тем, в тропической зоне океана вода на глубине всегда холоднее, чем у поверхности, и такого тёплого потока не существуeт. Поэтому, можно считать, что принятая гипотеза формирования циклонов в этом случае не может реализоваться. Мы провели анализ этих явлений и предлагаем иную гипотезу формирования и развития циклонических образований, на наш взгляд, правильнее объясняющую их природу. Активную роль в формировании и пополнении энергией циклонических образований играют волны Россби Мирового океана. Формирование циклонических образований (гипотеза автора) Как отмечалось, тропические циклоны и торнадо движутся по экваториальным и зонам западных пограничных течений, в которых волны Россби имеют наибольшие величины амплитуд колебаний скорости, а, следовательно, и наибольшую кинетическую энергию. Подъём в этих волнах глубинной воды на поверхность океана в тропических и субтропических зонах приводит к созданию на поверхности океана значительных отрицательных аномалий воды овальной формы, с температурой в центре ниже температуры вод, их окружающих, "температурных пятен". В экваториальной зоне Тихого океана аномалии температуры имеют такие параметры: ~ 2 – 3° C, диаметр ~ 500 км. Сам факт движения тропических циклонов и торнадо по зонам экваториальных и западных пограничных течений, а также анализ развития таких процессов, как апвеллинг – даунвеллинг, Эль-Ниньо – Ла-Нинья, пассатов и навёл нас на мысль, что циклонические образования как-то должны быть связаны физически с активностью волн Россби, а точнее должны ими порождаться, чему впоследствии мы нашли объяснение. bondarenko-pic1.jpg Рис. 1а, б. Меридиональная составляющая скорости течения, V (а) и температура воды (б) в пункте I (1400 з.д.) на горизонте 10 м. На рис. 1а зафиксированы колебания скорости течения волн Россби с периодом ~ 19 суток. Эти колебания формируют вертикальные движения воды и, соответственно, колебания температуры воды у поверхности океана (рис. 1б), которые и образуют температурные аномалии. Большим амплитудам колебаний скорости течений волн Россби соответствуют большие колебания температуры воды и, соответственно, аномалии температуры на поверхности океана с большой температурой, а малым – а малой температурой. Первые наблюдаются в основном летом, а вторые – зимой. Этим и объясняется частое появление циклонов летом и практическое отсутствие их зимой. Аномалии холодной воды охлаждают атмосферный воздух, создавая отрицательные аномалии овальной формы, близкой круговой, холодного воздуха в центре и более тёплого на периферии. В результате и давление внутри аномалии оказывается ниже, чем на периферии от неё. Как следствие этого возникают усилия, обусловленные градиентом давления, которые движут массы воздуха и содержащейся в нём влаги и твёрдых веществ в центр аномалии, Fд. На массы воздуха действует сила Кориолиса Fk, которая отклоняет их вправо в Северном полушарии и влево – в Южном. Таким образом, массы будут двигаться в центр аномалии по спирали. Чтобы циклоническое движение возникло, сила Кориолиса должна быть отлична от нуля. Так как Fk =2mωu Sinφ, где m – масса тела, ω – угловая частота вращения Земли, φ - широта места, u - модуль скорости движения тела (воздуха, влаги, твёрдых веществ). На экваторе Fk = 0, и поэтому циклонические образования там не возникают. В связи с движением масс по окружности образуется центробежная сила Fц, стремящаяся оттолкнуть массы от центра аномалии. В целом на массы будет действовать сила стремящаяся сместить их по радиусу, Fr = Fд - Fц и сила Кориолиса. Скорость вращения масс воздуха, влаги и твёрдых веществ в образовании и подачи их в центр циклона будет зависеть от градиента силы Fr. Чаще всего в аномалии Fд > Fц. Сила Fц достигает существенной величины при больших угловых скоростях вращения масс. Такое распределение усилий приводит к тому, что воздух с содержащимися в нём влагой и твердыми частицами устремляется в центр аномалии и там выталкивается вверх. Именно выталкивается, но не поднимается, как это считается в принятых гипотезах образования циклонов. Подъём воздуха вызывает конденсацию влаги и, соответственно, падение давления в центре аномалии, образование облачности над ней, выпадение осадков. Это приводит к уменьшению температуры воздуха аномалии и ещё большему падению давления в её центре. Возникает своего рода связь процессов, взаимно усиливающих друг друга: падение давления в центре аномалии усиливает подачу в нее воздуха и, соответственно, его подъём, что в свою очередь приводит к ещё большему падению давления и, соответственно, увеличению поступления масс воздуха, влаги и твёрдых частиц в аномалию. В свою очередь это приводит к сильному увеличению скоростей движения воздуха (ветра) в аномалии. Так образует циклон. Итак, мы имеем дело со связью процессов, взаимно усиливающих друг друга. Если процесс протекает без усиления, в вынужденном режиме, то, как правило, скорость ветра небольшая и составляет 5-10 м/с, но в отдельных случаях может достигать и 25 м/с. Так, скорость ветров – пассатов составляет 5 – 10 м/с при различиях температуры поверхностных вод океана 3-4° С на 300 – 500 км. В прибрежных апвеллингах Каспийского моря и в открытой части Черного моря ветры могут достигать 25 м/с при различиях температуры воды ~ 15° С на 50 – 100 км. При "работе" связи процессов, взаимно усиливающих друг друга в тропических циклонах, торнадо, смерчах скорость в них ветра может достигать существенных величин, свыше 100-200 м/с. Подпитка циклона энергией Мы уже отмечали, что волны Россби вдоль экватора распространяются на запад. Они формируют на поверхности океана отрицательные по температуре аномалии воды в диаметре ~ 500 км, которые поддерживаются отрицательным потоком тепла и массы воды поступающей с глубины океана. Расстояние между центрами аномалий равно длине волны, ~ 1500 км. Когда циклон находится над аномалией, то он подпитывается энергией. Но когда циклон оказывается между аномалиями, он теряет энергию, поскольку здесь отсутствуют вертикальные потоки воды и, соответственно, отрицательные потоки тепла. Эту зону он проскакивает по инерции, но с небольшой потерей энергии. Далее в очередной аномалии он получает дополнительную порцию энергии и так продолжается на всём пути движения циклона, переходящего нередко в торнадо. Разумеется, могут возникать условия, когда циклон не встретит аномалий или они будут малыми, и он может со временем разрушиться. Формирование торнадо После того, как тропический циклон достигнет западных границ океана, он движется на север. За счёт увеличения Кориолисовой силы увеличиваются угловая и линейная скорость движения воздуха в циклоне, давление в нём падает. Перепады давления внутри и вне циклонического образования достигают величин более 300 мб, в то время как в циклонах средних широт эта величина составляет ~ 30 мб. Скорости ветра превышают 100 м/с. Область подъёма воздуха и содержащихся в нём твёрдых частиц и влаги сужается. Она получила название хобота или трубы циклонического образования. Массы воздуха, влаги и твёрдых веществ поступают с периферии циклонического образования в его центр, в трубу. Такие образования с трубой получили название торнадо, тромбо, тайфун, смерч (см. рис. 2, 3). bondarenko-pic2.jpgРис. 2. Торнадо. Образования формы, изображённой на рисунке часто называют "воронкой торнадо". Образование от верхней части торнадо в виде облака до поверхности океана называют трубой или хоботом торнадо. При больших угловых скоростях вращения воздуха в центре торнадо возникают условия: Fд ~ Fц. Сила Fд стаскивает массы воздуха, влаги и твёрдых частиц с периферии торнадо на стенки трубы, сила Fц - с внутренней области трубы на ее стенки. В этих условиях влага и твердые вещества в трубе отсутствуют и воздух прозрачен. Такое состояние торнадо получило название "глаз бури". На стенках трубы результирующая сила, действующая на частицы, практически равна нулю, а внутри трубы она мала. Также мала угловая и линейная скорость вращения воздуха в центре торнадо. Это и объясняет отсутствие ветра внутри трубы. Но такое состояние торнадо, с "глазом бури" наблюдается не во всех случаях, а только тогда, когда угловая скорость вращения веществ достигает значительной величины, т.е. в сильных торнадо. bondarenko-pic3.jpgРис. 3. Вид сверху на торнадо, а точнее – на его облако. Частично оно расположено над п-ом Флорида Торнадо, как и тропический циклон, на всём пути следования над океаном подпитывается энергией температурных аномалий воды, создаваемых волнами Россби. На суше такой механизм подкачки энергии отсутствует и поэтому торнадо относительно быстро разрушается. Ясно, что для прогноза состояния торнадо по пути его следования над океаном необходимо знать термодинамическое состояние поверхностных и глубинных вод. Такую информацию дают съёмки из космоса. Тропические циклоны и торнадо обычно образуются летом и осенью, в это время в Тихом океане формируется Ла-Нинья. Почему? В экваториальной зоне океанов именно в это время волны Россби достигают наибольшей амплитуды и создают аномалии температуры значительной величины, энергией которых и питается циклон [Бондаренко, 2006]. Пока не известно, как ведут себя амплитуды волн Россби в субтропической части океанов, поэтому нельзя утверждать, что аналогичное происходит так и там. Но хорошо известно, что глубокие аномалии в этой зоне появляются летом, когда поверхностные воды нагреты сильнее, нежели зимой. В этих условиях возникают температурные аномалии воды и воздуха с большими перепадами температуры, чем и объясняется образование сильных торнадо в основном летом и осенью. Циклоны средних широт Это образования без трубы. В средних широтах циклон, как правило, не переходит в торнадо, поскольку выполняются условия Fr ~ Fk, т.е. движение масс - геострофическое. В этих условиях вектор скорости движения масс воздуха, влаги и твёрдых частиц направлен по окружности циклона и все эти массы только слабо поступают в его центр. Поэтому циклон не сжимается и не превращается в торнадо. bondarenko-pic4.jpgРис. 4. Поле температуры поверхностных вод Чёрного моря на время 19 ч. 29 сентября 2005 г. Нам удалось проследить образование циклона над Чёрным морем. Волны Россби нередко создают отрицательные температурные аномалии поверхностных вод в центральных районах западной и восточной его частях. Они и образуют над морем циклоны. Нередко температура в аномалиях достигает ~ 10 – 15° С, в то время, как над остальным морем температура воды ~ 23° C. Эти аномалии и создают циклоны, иногда с большими скоростями ветра. На рис.4 приведено распределение температуры воды Чёрного моря. На фоне относительно тёплого моря с температурой поверхностных вод до ~ 23° С в западной его части выделяется аномалия воды до ~ 10° С. Различия весьма существенны, что и сформировало циклон (рис.5). Этот пример формирования циклона свидетельствует о возможности реализации предложенной нами гипотезы формиро-вания циклонических образований. bondarenko-pic5.jpgРис. 5. Схема поля атмосферного давления, приведенного к поверхности уровня моря , соответствующее времени: 19 ч. 29 сентября 2005г. Давление в мб. В западной части моря находится циклон. Средняя скорость ветра в районе циклона равна 7 м/с и направлена циклонически вдоль изобар. Нередко к Чёрному морю со стороны Средиземного моря приходит циклон, который значительно усиливается над Чёрным морем. Скорее всего, так в ноябре 1854 г. образовалась знаменитая Балаклавская буря, потопившая Английский флот. Аналогичные, изображённым на рис. 4 температурные аномалии воды образуются и в Мексиканском заливе [Каменкович, Кошляков, Монин, 1982], которые часто усиливают Торнадо движущийся в сторону США. Для обоснования наших выводов приведём здесь дословно выдержку из одного сайта Интернета, который озаглавлен "Атмосферные процессы в Карибском море": "Ресурс представляет динамическое изображение тропического урагана Dean (торнадо), одного из наиболее мощных в 2007 году. Наибольшую силу ураган набирает над водной поверхностью, а при прохождении над сушей происходит его "размывание" и "ослабление". Смерчи Это циклонические 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 волн Россби на фоне очень тёплого моря приводит к образованию многочисленных и глубоких температурных аномалий поверхностных вод. Развитию смерчей в этой части моря также способствует очень влажный воздух. Выводы Циклонические образования формируются температурными аномалиями поверхностных вод с отрицательной температурой: в центре аномалии температура воды ниже, на периферии - выше. Аномалии формируются волнами Россби Мирового океана, в которых происходит подъём холодной воды с глубины океана к его поверхности. При этом температура воздуха в рассматриваемых эпизодах обычно бывает выше температуры воды. Впрочем, выполнение этого условия не обязательно, циклоны могут быть образованы, когда температура воздуха над океаном или морем ниже температуры воды. Главное условие образования циклона: наличие отрицательной аномалии воды и разности температур вода – воздух. В этих условиях и создаётся отрицательная аномалия воздуха. Чем больше разность температур атмосфера – вода океана, тем активнее развивается циклон. Если температура воды аномалии равна температуре воздуха, то циклон не образуется, а существующий циклон в этих условиях не развивается. Далее всё происходит так, как было описано. Не будем слишком категоричны в выводах. Мы сейчас не располагаем достаточной натурной информацией, чтобы убедительно опровергнуть прежнюю гипотезу формирования циклонических образований и обосновать нашу. Предложенная вниманию читателя информация, демонстрирующая образование циклона над Чёрным морем или поведение циклона в Карибском море позволяет только предположить, что так может быть. Но не категорично заявить: так и только так. Для этого нужно провести глубокий анализ поведения температурного поля поверхностных вод океана, температуры атмосферы, поля давления в моменты образования и развития циклонов. Лучше это сделать по информации тропической зоны океанов, т.е. там где в основном и формируются тропические циклоны. Но в настоящее время мы не располагаем подобной информацией по причине её отсутствия. Из изложенного ясно, что существует также необходимость изучения волн Россби Мирового океана. А пока будем только учитывать наличие нашей гипотезы альтернативной существующей. Литература Бондаренко А.Л. Эль-Ниньо – Ла-Нинья: механизм формирования // Природа. №5. 2006. С. 39 – 47. Грей В.М. Генезис и интенсификация тропических циклонов // Сб. Интенсивные атмосферные вихри. 1985. М.: Мир. Иванов В.Н. Зарождение и развитие тропических циклонов // C.: Тропическая метеорология. Труды III Международного симпозиума. 1985. Л. Гидрометеоиздат. Каменкович В.М., Кошляков М.М., Монин А.С. Синоптические вихри в океане. Л.: Гидрометеоиздат. 1982. 264с. 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. Наливкин Д.В. Ураганы, бури, смерчи. 1969. Л.: Наука. Юсупалиев У., Анисимов Е.П., Маслов А.К., Шутеев С.А. К вопросу формирования геометрических характеристик смерча. Часть II // Прикладная физика. 2001. №1. Gray W. M. Tropical cyclone genesis // Atmos. Sci. Paper, Colo. St. Univer. 1975. №234. Об авторе albert-bondarenko.jpg 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. N.B. Уважаемые читатели! Если у вас появились вопросы, которые вы хотите задать Альберту Леонидовичу – вы можете написать их в комментариях ниже или отправить мне по электронной почте. Я их обязательно передам Альберту Леонидовичу и опубликую ответы на блоге. Спасибо! Сделайте закладку, чтобы перечитать позже ?ak_action=api_record_view&id=1188&type=feedКомментариев на данный момент: 0. Вы можете добавить комментарий.Связанные записи Что такое ураган? Ураган "Билл" усилился до четвертой степени опасности Средневековые ураганы оказались мощнее современных Сила ураганов в Атлантике достигла тысячелетнего максимума Сезон ураганов в Атлантике поражает ученых своим спокойствием oceanology?d=7psxW5EE9d4 oceanology?d=yIl2AUoC8zA oceanology?d=qPPKJENmvh8
Читать полную новость с источника 

Комментарии (1)  

Юсуп - 2015-04-15 21:30:16

"Приливы и отливы-результат прецессии водоворотов". Форум Кафедры Океанологии Спбгу."Гипотезы, загадки, идеи, озарения". Воды озер, морей и океанов, северного полушария, вращаются против часовой стрелки, а воды южного полушария, вращаются по часовой стрелке, образуя гигантские водовороты. А все что вращается, в том числе и водовороты, обладают свойством гироскопа(юлы), сохранять вертикальное положение оси в пространстве независимо от вращения Земли.. Если смотреть на Землю со стороны Солнцa, водовороты вращаясь вместе с Землей опрокидываются, два раза в сутки, благодаря чему, водовороты прецессируют, (1-2 градусов) и отражают от себя приливную волну.. Воды Белого моря, вращаются против часовой стрелки, образуя огромный водоворот-гироскоп прецессируя отражающий приливную волну, по всему периметру Белого моря.. Аналогичная схема приливов и отливов, наблюдается во всех озерах, морях и океанах.. Приливную волну реке Амазонка, создает огромный планетарный водоворот диаметром несколько тысяч км, вращающийся между Южной Америкой и Северной Африкой, охватывая и устье реки Амазонка.. Ширина приливной волны, зависит от диаметра водоворота. А высота приливной волны, зависит от скорости опрокидывания водоворота (за 12часов), и скорости вращения водоворота. А скорость вращения водоворота, зависит от силы Кориолиса, от осевой и орбитальной скорости Земли, и от наклона оси Земли. А роль Луны косвенная, создание неравномерной орбитальной скорости Земли.. Воды Средиземного моря, вращаются против часовой стрелки, образуя приливы высотой 10-15 см. Но в заливе Габес, что у побережья Туниса, высота приливов достигает трех метров, а порой и больше. И это считается одной из загадок природы. Но в тоже время, в заливе Габес, вращается водоворот, прецессируя отражающий дополнительную приливную волну. Внутри постоянных планетарных океанических и морских водоворотов, вращаются небольшие постоянные и непостоянные вихри и водовороты, создаваемые впадающими в бухты реками, очертанием берегов и местными ветрами. И в зависимости от скорости, и направления вращения небольших прибрежных водоворотов, зависит календарь, амплитуда, и количество приливов и отливов в сутки.. Водоворотную гипотезу приливов, легко проверить, по связи амплитуды приливной волны, со скоростью вращения водоворотов.. По амплитуде приливной волны, можно определять местонахождение водоворотов.. Как правило положительные отзывы к гипотезе, пишут мыслители знающие о противоречиях в Лунной теории приливов и отливов, обладающие углубленными знаниями небесной механики, и свойств гироскопа.