Иванов Б.Н. - Мир физической гидродинамики. От проблем турбулентности до физики космоса (1107606), страница 43
Текст из файла (страница 43)
Становится понятным также образование зональных течений в юпитерианской атмосфере (см. описание выше). «Двумерность вихревых «течений» на Юпитере стимулирует слияние мелких вихрей в крупные. Росту масштабов последних вдоль меридианов препятствуют силы Кориолиса, и образуются кольцевые «течения» вдоль параллелей. Вопрос о соотношении представлений двумерной турбулентности и колмогоровской теории трехмерной турбулентности (см. э 7.3) мы здесь не рассматриваем. Теперь об атмосферной конвекции у нас на Земле.
Неравномерное распределение температур воздушных масс как по высоте, так и отчасти вдоль поверхности, ведет к возникновению конвективных течений. Неизменная (в среднем) разница температур земной поверхности в экваториальной области и средних широтах формирует крупномасштабные конвективные ячейки. Горячий и влажный воздух тропиков поднимается вверх до высот около 17 км. «По дороге» сконденсированная влага образует мощную облачность, так что экваториальные широты практически всегда закрыты облачным поясом.
На высоте (где температура около — 75' С) осушенный воздух расходится к северу и югу, приобретая скорости до 200 м/с. 1 Говорить о «течениях» средиемасштабиых вихрей можно лишь условно. Это усредненное направление смешения аарождаюшихся вихревых структур. Особенно ато наглядно в смешениях циклонов и антициклонов в атмосфере планеты. з 20.
0 солнечна-земных связях и геофизической гидродинамике 185 Причина в том, что в экваториальной области воздушные массы, хорошо прогреваясь, обладают значительным запасом внутренней энергии. Излучая часть энергии в Космос, поток теряет скорость, опускается в средних широтах, и затем движется вдоль поверхности в направлении к экватору. Земная атмосфера есть термодинамически неравновесная система, в которой сугцествует постоянная циркуляция воздушных масс.
Отсюда ясно, почему для количественного описания крупномасштабного состояния атмосферы необходим гидродинамический подход. Теперь естественно затронуть принципиальные вопросы, связанные с явлениями погоды. Вначале о том, что такое погода? С точки зрения метеоролога, это совокупность данных о состоянии атмосферы и поверхности Земли (океана, суши) в данный момент времени. К параметрам состояния относят температуру, давление и влажность приповерхностного воздуха, направление и скорость ветра, характер облачности и осадков.
Для более или менее надежного предсказания погоды, а это делается с помощью численного решения сложной системы уравнений геофизической гидродинамики, необходима обширная информация о изначальных данных по состоянию атмосферы, океана и суши. Однако огромные океанические просторы (они занимают 2/3 земной поверхности) и полярные зоны лишены необходимого количества метеорологических станций. К тому же, замеры атмосферных параметров нужно производить по всем высотам воздушной оболочки Земли, что также затруднено. Но не только это обстоятельство делает предсказание разнесенных во времени состояний атмосферы вероятностным. Течения воздушных и океанских масс крайне турбулизованы; так, числа Рейнольдса для атмосферы порядка 1О'в, В з 7,6, на примере тепловой конвекции Бенара — Рэлея, мы видели, что, в зависимости от значений ряда критериев подобия, конвекция может протекать как в регулярном, так и хаотическом режимах.
Последнее означает, что как бы ни была мала неопределенность в исходных данных, рано или поздно она приводит к принципиальной непредсказуемости состояний системы. Причина в том, что сами уравнения гидродинамики нелинейны, а течения жидкости могут оказаться неустойчивыми. Однозначные предсказания состояния жидкости (и газа) в этом случае возможны только на коротком интервале времени, ибо исходные неопределенности возрастают со временем экспоненциально (подробней см, з 7.6). Метеорологический (гидродинамический) прогноз хорош на день вперед, удовлетворителен — на неделю вперед, месячный — совпадает лишь приближенно.
Для долгосрочных прогнозов погоды знание состояния Мирового океана является определяющим. Это видно хотя бы из того, что тепловые запасы вод Мирового океана примерно на три порядка превосходят тепловые запасы воздушной атмосферы (точнее, 1600: ! ). Указанное обстоятельство объясняется как большой массой вод океанов, так и большой теплоемкостью воды. 186 6 30. 0 солнечно-земных связях о геофозочесхо0 годродономохе Видимая область солнечного спектра излучения свободно проходит сквозь атмосферу (частично поглощаясь и рассеиваясь облаками) и является тем источником энергии, благодаря которому возникают ветры Земли и течения в ее океанах. Значительная часть энергии солнечного излучения поглощается океаническими водами. При этом существенно прогревается лишь приповерхностный слой, толщиной в несколько метров.
Прогретая вода не опускается в глубинные слои, будучи менее плотной по сравнению с нижележащей холодной водной средой. Так, в тропической зоне верхние слои океана могут иметь температуру 25' С, а на глубине 1 км около 5' С. Сезонные колебания температуры наблюдаются лишь в верхнем слое океанов (до глубины 100 м). Естественно, перемешиванию вод океана способствуют волнения водной поверхности, Какова роль Мирового океана в регулировании содержания СОз в атмосферном воздухе? Скорость диффузии атмосферного СОз в морскую воду примерно та же, что и скорость усвоения СОз морскими водорослями при фотосинтезе. Половина поступающего в атмосферу СОз (от сгорания органического топлива) поглощается растениями при фотосинтезе (5/6 водорослями и !/6 растениями на суше).
Взаимодействие атмосферы с океаном многообразно. В частности, постоянные ветры «ревущих» сороковых широт Южного полушария, где, вообще мало суши, вызывают устойчивое волнение поверхности океана. Здесь волны развиваются до высот !5 чу 20 м. Несомненно, ветровой режим влияет на океанические течения. Примером может служить Гольфстрим в Атлантике, теплые воды которого направлены вдоль «дороги циклонов». Однако есть и исключения из этого правила.
Следует иметь в виду, что тайфуны и ураганы черпают свою энергию от сильно нагретой поверхности океана. Дело в том, что тропический циклон вызывает интенсивное испарение океанской воды. Сам процесс испарения требует значительного тепла, поэтому вода в океане охлаждается. Водяные пары, поднятые вверх, конденсируются и отдают теплоту конденсации воздуху. Таким образом, океан и атмосфера взаимно влияют друг на друга. С позиций гидродинамики, налицо сложнейшая нелинейная система океан-атмосфера. Академик Л.М. Бреховских считает комплекс проблем, связанных с исследованием океана, вызовом науке. Так сложны итак многочисленны научные вопросы, требующие своего решения, и так велико их значение для человечества в целом.
В заключение кратко остановимся на следующем. Самые верхние, наиболее разреженные, слои атмосферы образуют ионизованный слой— ионосферу. Последняя содержит главным образом ионы О», О~з и свободные электроны. Эти компоненты являются результатом диссоциации и ионизации молекулы озона Оз, которая интенсивно поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца.
Сама ионосфера является связующим звеном между магнитосферой Земли и ее атмосферой. Новая Лебедя 1975 г. За четыре года до вспышки Новая была очень слабой: на снимке, где запечатлены звезды до 17-й величины, ее не видно (место Новой отмечено). В ночь с 12 на 13 августа 1975 г. Новая достигла 17-й величины, а в ночь с 29 на 30 августа блеск Новой Лебедя вблизи максимума вспышки превзошел все соседние звезды. Масштаб на снимках одинаковый и 21. Мир сверхвысоких пяотностед энергии и релятивистская гидродинамике В последние годы в физике атомного ядра возник новый раздел— релятивистская ядерная физика. Его задачей является изучение свойств ядерного вешества при предельно высоких энергиях.
Само понятие ядерного вещества илтеет какой-то смысл только для тяжелых ядер, содержаших сотни нуклонов. Крайне высокие возбуждения таких ядер могут возникнуть при их столкновении друг с другом. Теоретические оценки показывают 3'), что для ядерного вещества «скорость звука», определяемая через его «сжимаемость», равна О,! ис 0,2 скорости света.
Если относительная скорость сталкивающихся тяжелых ядер превышает скорость распространения звука в ядерном веществе, в образующемся составном сверхтяжелом ялре может возникнуть уплотнение, аналогичное ударной волне в макроскопической среде. Поставленные эксперименты показали, и! Сы, Приложение к а 2!. 188 з Л. Инр сверхввтсояох плотностей энергии что гидродинамические эффекты при сверхзвуковых столкновениях тяжелых атомных ядер существуют. При этом для описания этих эффектов необходимо релятивистское обобщение гидродинамики.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
