Лунно-солнечные приливы и атмосферные процессы
Н.С.Сидоренков
Если бы различные части Вселенной не относились между собой как органы одного и того же тела, они не обнаруживали бы взаимодействий — они, так сказать, взаимно игнорировали бы друг друга, и мы, в частности, знали бы только одну из них. Поэтому мы должны задавать вопрос не о том, едина ли природа, а о том, каким образом она едина.
Анри Пуанкаре. «Наука и гипотеза»
В последние десятилетия экстремальные погодно-кли-матические процессы возникают все чаще, длятся все дольше, протекают все интенсивнее. Катастрофические наводнения, засухи, ураганы, сели, резкие изменения температуры, пыльные бури, цунами и другие катаклизмы уносят жизни людей и тормозят экономическое развитие. По данным Росгидромета количество опасных природных явлений в России выросло за последние 30 лет на 20%.
Погода в 2007 г. столь экстремальна, что каждый месяц обновляются абсолютные рекорды самых разнообразных гидрометеорологических характеристик. Как правило, такое необычное течение гидрометеорологических процессов связывают с глобальным потеплением атмосферы. Однако исследования автора указывают на существование и другого важного фактора — многолетней изменчивости лунно-солнечных приливных сил.
Непостоянство синоптических процессов
Около ста лет назад Б.П.Мультановский [1] обратил внимание на то, что синоптические процессы эволюционируют не непрерывно, а скачкообразно. Анализируя сборно-ки-
© Сидоренков Н.С., 2008
Николай Сергеевич Сидоренков,
доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией планетарной циркуляции и гелиогеофизиче-ских исследований Гидрометцентра России. Основные работы посвящены исследованиям неравномерности вращения Земли, движения полюсов и глобальных геофизических процессов. Неоднократно публиковался в «Природе». В декабре отметил свой семидесятилетний юбилей, с чем его сердечно поздравляет редакция!
нематические карты, он заметил, что положение барических полей удерживается в течение нескольких дней, а затем быстро (за 12 —36 ч) радикально трансформируется. Возникшая картина снова сохраняется несколько дней — до следующей перестройки. В пределах изучаемого им Первого естественного синоптического района (е.с.р.), от Гренландии до р.Енисея и к северу от 30°с.ш., несколько дней — это тот интервал времени, в течение которого характер эволюции не меняется, и в 1915 г. Мультановский назвал его естественным синоптическим периодом (е.с.п.). Другими словами, е.с.п. есть длительность существования однотипного атмосферного процесса в данном е.с.р. [1].
В 40-х годах XX в. стали строить высотные карты барической топографии. Обнаружилось, что картина высотного термобарического поля в тропосфере тоже сохраняется в течение е.с.п. Поле давления и температуры обусловливает перемещение барических образований у земной поверхности и сохранение географического расположения их центров в пределах е.с.р. По окончании периода термобарическое поле тропосферы быстро перестраивается, что вызывает новую локализацию центров барического поля и изменение траекторий барических образований у земной поверхности. Вид сборно-кинематической карты меняется от текущего е.с.п. к следующему за один-два дня,
т.е. «скачкообразно» по сравнению с длительностью е.с.п., которая варьирует от 5 до 8 дней [2]. Природа е.с.п. до последнего времени оставалась неизвестной.
Приливы во вращении Земли
В 80-е гг. XX в. после введения новых методов астрономических измерений в космической геодезии и астрометрии точность определения параметров вращения Земли (длительности суток, координат полюса и поправок нутации) увеличилась на два порядка. В итоге появилась возможность изучать короткопериодные колебания скорости вращения Земли с суточным разрешением. Помимо уже известных межгодовых и сезонных вариаций были зафиксированы быстрые колебания скорости суточного вращения Земли в пределах месяца [3, 4]. По амплитуде они лишь немного уступают сезонным колебаниям, но их период в десятки раз короче сезонных — приблизительно 14 сут (рис.1).
Напомним, что скорость вращения Земли характеризуется относительной величиной
8ш О
ш - О О
п з - т
8П
т
(1)
где пз — длительность земных суток; Т — длительность стандартных (атомных или эфеме-ридных) суток, которая равна 86400 с;
ш =
2 п „ 2 п —— и О = пз
86400
рад/с —
угловые скорости, соответствующие земным и стандартным суткам [3—5]. Поскольку величина ш изменяется только в де-вятом-восьмом знаке, значения V имеют порядок 10-9—10-8.
Внутримесячные колебания обусловлены лунно-солнечными зональными приливами. При-ливообразующая сила растягивает Землю вдоль прямой, соединяющей ее центр с центром возмущающего тела — Луны или Солнца. Сжатие Земли увеличивается, когда ось растяжения совпадает с плоскостью экватора, и умень-
Рис.1. Измеренные и прогнозируемые (цветная кривая) приливные колебания скорости вращения Земли с 1 октября 2006 г. по 31 декабря 2007 г. Для совпадения обеих шкал относительных отклонений угловой скорости V ко всем измеренным значениям прибавлена постоянная величина 1501010. Некоторые расхождения в ходе кривых возникают из-за влияния атмосферной циркуляции. Если исключить эффект атмосферы, можно констатировать, что теория хорошо воспроизводит приливные колебания угловой скорости вращения Земли.
V =
шается, когда ось растяжения отклоняется к тропикам. Момент инерции сжатой Земли больше, чем недеформированной шарообразной планеты. Напомним, что момент инерции элемента объема относительно оси вращения равен произведению его массы на квадрат расстояния до оси. Момент инерции Земли — сумма моментов инерции составляющих ее частиц. А поскольку момент импульса Земли (произведение ее момента инерции на угловую скорость) должен оставаться постоянным, скорость вращения сжатой Земли меньше, чем недеформиро-ванной. Приливообразующая сила колеблется во времени. Соответствующим образом изменяется и величина сжатия Земли, что в результате и вызывает приливную неравномерность ее вращения. Из этих изменений скорости вращения Земли наиболее значительны колебания с полумесячным и месячным периодами. Как видно из рис.1, на протяжении лунного месяца сменяют друг друга четыре режима вращения: Земля дважды ускоряет и дважды замедляет свое вращение. Длительность этих режимов варьирует (как и продолжительность е.с.п.) от пяти до восьми дней, но в сумме она всегда равна лунному тропическому месяцу (27.32 сут). Средняя продолжительность одного режима вращения составляет 6.8 сут [3—5]. Вариации длительности режимов вращения обусловлены движением перигея лунной орбиты.
Дирижеры синоптических процессов
По нашим многолетним наблюдениям, большая часть перестроек синоптических процессов в атмосфере происходит, когда приливные колебания угловой скорости вращения Земли экстремальны (минимальны или максимальны). А значит, изменения режимов вращения Земли совпадают с трансформациями атмосферных процессов. Автор
/>, 1СРкг-м2-г'
Рис.2. Годовой ход норм шести часовых значений экваториального компонента Л1 относительного момента импульса атмосферы.
регулярно следил за приливными колебаниями скорости вращения Земли, эволюцией синоптических процессов в атмосфере и вариациями гидрометеорологических характеристик во времени. При более углубленном изучении выяснилось, что каждому квазинедельному режиму вращения Земли соответствует некоторый естественный синоптический период. Но режимы вращения Земли обусловлены зональными приливами, значит, не исключено, что и е.с.п. вызываются ими же. Нужна была проверка этого предположения на независимых материалах наблюдений.
В 1999 г. в США завершились грандиозные по объему и стоимости работы по повторному анализу метеорологических наблюдений с 1948 г. Получены уникальные объективные картины полей ветра на всех стандартных изобарических поверхностях (1000 гПа, 925 гПа, 850 гПа и т.д. вплоть до 10 гПа) с шагом 6 ч. Основываясь на этих данных, Д.Салстейн (Бюро атмосферного углового момента США) вычислил шестидесятилетние временные ряды компонентов момента импульса ветров всей атмосферы с шагом 6 ч.
Относительный момент импульса атмосферы характеризует вращение всей атмосферы вокруг поверхности Земли. Компонент йз характеризует вращение атмосферы относительно оси вращения Земли, т.е. интенсивность зональной циркуляции. Компоненты Й1 и Ьг — вращение атмосферы по отношению к осям, лежащим в экваториальной плоскости и направленным из центра Земли соответственно на меридиан Гринвича и 90°в.д., т.е. они дают представление об интенсивности меридиональной циркуляции. В книгах [3—4] показано, что проекция й вектора относительного момента импульса атмосферы на экваториальную плоскость (йе = + й2) вращается с востока на запад, вслед за Солнцем, с суточным периодом. Поэтому можно счи-
тать, что компоненты й и Ь2 колеблются с суточным периодом. Амплитуды этих колебаний изменяются (модулируются) с периодами год, полгода, треть года, полмесяца и семь дней. Рис.2, заимствованный из [3—4], иллюстрирует годовой ход норм (средних срочных значений за период 1958—2000 гг.) компонента Й1. Видны сложные модулированные по амплитуде суточные колебания й 1 с двумя пучностями около летнего и зимнего солнцестояний и двумя узлами в начале марта и начале
октября. Амплитуда суточных колебаний в июне почти в два раза больше, чем в декабре.
На рис.3, где представлены исходные шестичасовые ряды компонентов й 1 и й2 за весь 60-летний период наблюдений, просматриваются как годовые, так и более длительные периоды модуляции амплитуд суточных колебаний.
Автор провел спектральный анализ этих рядов и показал [3—4], что в колебаниях момента импульса ветров действительно преобладают гармо-
Рис.3. Ход экваториальных компонентов Л1 и И2 (цветная кривая) относительного момента импульса атмосферы с 1948 по 2006 г.
Рис.4. Спектр модуля экваториальной проекции вектора относительного момента импульса атмосферы Ле = VЛ2 + Лг2 (слева) и его близсуточная область (справа). Слева видны составляющие зональных приливов с периодами 365, 182, 121, 14, 7 сут. Справа видны гармоники суточн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.