В.И. Трухин, К.В. Показеев, В.Е. Куницын - Общая и экологическая геофизика (1119248), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Такие структуры получили название диссипативных. Их изучение является предметом нелинейной неравновесной термодинамики, которая стала быстро развиваться с начала 70-х годов ХХ в. Общим для всех явлений образования упорядоченных структур при необратимых процессах в нелинейных открытых системах является совместное движение большого количества (групп) молекул. Немецким ученым Хаккеном для таких процессов самоорганизации был предложен специальный термин -. синергетика (от греческого вупегша - совместное или кооперативное действие). Физическая природа синергетики состоит в том, что в нелинейной области, вдали от равновесного состояния система теряет устойчивость, и малые флуктуации приводят к новому режиму, а именно к совокупному движению многих частиц. Совместное упорядоченное движение обеспечивает более эффективные энергетические потоки, чем молекулярные процессы.
Описанные выше копвективные движения в многокомпонептной среде являются хорошим примером диссипативных структур. Важным моментом многокомпонентной конвекции является также смена режимов конвекции. Самоорганизация диссипативных структур имеег место и в атмосфере, и в океане, а именно на границе их раздела, охватывая при этом пограничные слои приводный пограничный слой атмосферы и приповерхностпый слой океана. Второе начало термодинамики дает возможность пока лишь качественно описать формирование диссипативных структур, охватывая весь огромный пространственно-временной диапазон масштабов этих структур, начиная от микроструктурных образований до глобальных, определяющих климат и погоду.
Применительно к системе океан — атмосфера можно привести следующие примеры: микроконвективные ячейки Марангони, возникающие в миллиметровом поверхностном слое воды; крупномасштабные структуры, такие как облачные системы, ураганы и тайфуны, возникающие па границе раздела двух неравновесных сред; циркуляционныс структуры Ленгмюра и термобар. Процессы формирования и эволюции неравновесных диссипативных систем до настоящего времени остаются малоизученными. Находясь в термически неравновесном состоянии, океан и атмосфера обмениваются энергией и массой. И в атмосфере, и в океане при этом формируются условия, приводящие к возникновению крупномасштабных движений воздушных и водных масс, которые и составляют общую циркуляцию атмосферы и оксана.
Циркуляции Ленгмюра, повсеместно наблюдаемые в широком диапазоне гидрометеорологических условий на поверхности морей и озер, также являются примером диссипативных структур. Возникновение циркуляций Ленгмюра обеспечивает более интенсивное вертикальное перераспределение тепла и импульса в приповерхпостном слое водоема. 170 Гл. о. Терлеодиналеика океана Циркуляции Ленгмюра, которые иногда называют также вихрями Ленгмюра, представляют собой разнонаправленные когерентные вихревые структуры с горизонтальными осями, параллельными направлению приводного ветра.
Циркуляции Ленгмюра создают особый гидрофизический, гидрохимический и гидробиологический режимы в верхних слоях океанов, морей, озер и водохранилищ [12, 1041. Другим явлением, которое можно трактовать, как проявление диссипативных структур, является термический бар. В отличие от циркуляций Ленгмюра термобар обеспечивает перенос тепла в горизонтальном направлении из теплоактивной зоны в теплоинертную зону озера. Формирование термобара в пресных водоемах связано с аномальным состоянием пресных вод максимальной плотностью вод при температуре 3,98'С. Термобар может формироваться в весенний и осенний периоды.
Глава 9 Динамика океана Общая циркуляция атмосферы и вод океана Систему океан -атмосфера можно рассматривать как тепловую машину с нагревателем океаном, холодильником атмосферой н рабочим веществом — водяным паром (156, 1571. Коэффициент полезного действия этой машины невелик. При разности температур Ь'Г между температурой поверхности океана Т, и атмосферы Т, на высоте образования облаков, равной 6К, КПД паровой машины океан атмосфера будет не более 2Уо. Вот эта часть тепла и преобразуется в механическую работу и расходуется па поддержание всех динамических процессов в атмосфере и океане глобальной циркуляции воздушных и водных масс, течений, вихрей и т. д. Остальные 98% тепла идут на обеспечение стационарного термического состояния нашей планеты, т.
е. на обеспечение стационарного климата. Общей циркуляцией атмосферы называют систему устойчивых воздушных течений большого масштаба, размеров, сравнимых с размерами материков и океанов, и охватывающих значительные слои атмосферы. Формируется общая циркуляция в результате глобального (в масштабе всей Земли) взаимодействия океана и континентов с атмосферой. Такие явления, как волны в атмосфере, циклоны, муссоны и ряд других, следует рассматривать как возмущения общей циркуляции атмосферы, и относятся они к движениям среднего масштаба.
Схема общей циркуляции атмосферы приведена на рис. 9.1. Подробное объяснение механизмов формирования потоков воздушных масс дано в гл. 12. Под влиянием пассатов в области широт у = ~15' образуются устойчивые пассатные течения, направленные на запад (рнс. 9.2). Это так называемые Северное и Южное пассатные течения. Движущей силой этих течений является ветер. На глубине под Северным и Южным пассатными течениями существует обратный ток воды. Эти глубинныс течения выходят на поверхность вблизи экватора вследствие малости скоростей ветра здесь и отсутствия силы Кориолиса.
Так формируется Экваториальное противотечение. рл. 9. динамика океана 172 тропопауза я 15 и 19 и в аз , Широта зона пассатов внутритропическая зона конвергенции 90 слаб,и 60 западныи 30 восточный перенос перенос пояс низкого давления пояс высокого давления 90ч" полярная ячейка ) ячейка 'чФерреля ячейка Хэдли -~ область l, низкого /давления l Г область высокого ) давления область низкого давления 0' Зо 90ч -. ю Рис.9.1. Схема глобальной циркуляции атмосферы: а) высотный раз- рез; б) направление ветров Причиной Экваториального противотечения являются также материки, в которые упираются пассатные течения.
У восточных берегов материков пассатиые течения обоих полушарий отклоняются к северу и к югу и движутся вдоль материков приблизительно до широт уэ = ~40 — 45'. Так начинаются мощные течения средних широт; Гольфстрим, Куросио, Бразильское, Восточно- Австралийское, Мадагаскарское течения (рис. 9.2). Основной движущей силой этих течений является уже не ветер, как у пассатных течений, а напор воды у континентов. Разница уровней океана у западных и восточных берегов континентов составляет 60 — 70 см. И еще одна особенность течений умеренных широт опи прослеживаются до глубин 1,5 2,0 км и только ниже обнаруживается слабое противотечение. Для чисто же ветрового течения !'л.
9. Динамика океана о о о х о о о о ое й ,"Е ка к Ю еа с Р о х С'4 174 (пассатного) обязательно наличие достаточно сильного противо- течения. Таким образом, причиной возникновения устойчивых пассатных течений в океане является первая ячейка атмосферной циркуляции (ячейка Хэдли). Пассатные течения, в свою очередь, дают начало мощным теплым течениям умеренных широт. Эти течения, как упоминалось выше, движутся вдоль материков до широт у = ~40 — 45', а затем поворачивают на восток, вновь пересекают океан, принося теплые воды в район широт ~р = ~60'. Если пассаты — восточные ветры, то на широтах ~р = ~60' будут преобладать западныс ветры.
В Южном полушарии условия для беспрепятственного распространения этих ветров гораздо лучше, чем в Северном, так как там меньше континентов -- препятствием служит только полоска Анд в Южной Америке. Поэтому западные ветры в Южном полушарии разгоняются до ураганной силы, а область, где они господствуют, получила название «ревущих сороковых».
В 1Ожном полушарии все западные течения сливаются в один кольцевой поток вокруг земного шара -- Антарктическое циркумполярпое течение, которое почти не имеет континентов на своем пути и подгоняется северо-западными ветрами. Океанским течениям свойственно образовывать узкие, шириной всего в 100 — 300 км струи, текущие со скоростью — 2 м/с, причем образование таких течений происходит пе только в прибрежной зоне, но и вдали от берегов. Примером такой струи является Гольфстрим.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
