Связь приливных волн и океанических течений

Связь приливных волн и океанических течений

 © Владимир Ерашов
Мы уже рассматривали вопрос о влиянии приливных волн натечения в океане в работе [7]. Где доказали существование такого влияния. Ноэто как оказалось всего лишь частный случай. В этой работе мы хотим сновавернуться к этому вопросу, но рассмотреть совершенно другой механизм влияния неохваченный первой работой. Для чего затронем теорию самого колебательногопроцесса.

 
Маятниковые волны
Вначале о маятниковых колебаниях. Теория таковых разработанана все случаи жизни и вряд ли нам удастся добавить что-то новое. Сразуоговоримся, а мы и не будем пытаться это сделать. Просто рассмотрим одинчастный случай: физическое тело под действием собственного веса колеблется(скользит туда сюда) около положения равновесия по внутренней дуговойповерхности (см. Рис.1), иначе говоря по желобу.

 

 
Колебания данного тела будут описываться законамифизического маятника. Мы не будем рассматривать эти законы, они есть в любомучебнике физики. Нас интересует другой момент: а можно ли абстрактноефизическое тело заменить жидким. А почему бы и нет, нужно только начальныйимпульс приложить ко всем частицам жидкости одновременно с одинаковой силой и водном направлении, например, качнуть дуговую поверхность. Да, чтобы жидкость неразлилась, мы должны были спереди и сзади желобу нарастить борта. В жизникаждый человек такие колебания видел многократно, когда нес тарелку с борщом,ведра с водой, чашку с чаем и так далее и тому подобное. Читатель можетвоскликнуть: "Да, конечно, но какая же здесь наука, все просто и обыденно”. Воти ученые так посчитали, и никто такой обыденщиной не стал заниматься. А,оказывается, даже в таких простых вещах есть много интересного и для ученого.
Когда колеблется жидкость это уже волна, а рассмотренный нами случай неподпадает ни под поперечные ни под продольные волны. Вот и получается, в жизнитакие волны есть, напомним, возмущающая сила действует на все частицы жидкостиодновременно, однонаправлено и с одинаковой силой, а в науке их нет. По этой причиненам пришлось ввести понятие маятниковые волны.
Маятниковые волны – это колебания жидкости в ограниченномповерхностью объеме под действием возмущающей силы, действующей на все частицыжидкости одновременно, однонаправлено и с одинаковой силой.
Чем же примечательны такие волны? А тем, что данныеколебательные движения жидкости очень легко превращаются в поступательноедвижение, они как бы и состоят из поступательного движения жидкости, толькопеременного направления. Вот еще один пример маятниковых волн. Нальем в шлангжидкости (желательно для наглядности в прозрачный), концы шланга поднимемвверх, чтобы жидкость не вытекла, поддернем один конец шланга резко вверх,жидкость начнет колебаться. Вот вам и маятниковые волны. Если бы взять шлангочень длинный и большого диаметра, налить в него воды, и несколько сутокпонаблюдать за ним, то мы в этом шланге должны обнаружить маятниковые волны,вызванные притяжением Луны и вращением Земли, как говорят вызванные приливнымисилами. Что это так, убедимся, рассмотрев схему (Рис.2). 

 
На схеме показан шланг с водой и направление действия силыпритяжения Луны во время восхода из-за горизонта. Если пренебречь длиннойсамого шланга, которая бесконечно мала по сравнению с расстоянием до Луны, силапритяжения Луны действует на все молекулы воды одинаково. Вода под действиемсилы притяжения сдвинется навстречу к Луне, уровень в близлежащей к Луне ветвишланга поднимется, а в отдаленной опустится. Мы получили прилив в одной ветвишланга, и отлив в другой. Обратите внимание прилив и отлив происходятодновременно, объем жидкости меняться не может, жидкость несжимаемая. По меретого как Луна поднимается над горизонтом, проекция горизонтальной составляющейсилы притяжения уменьшается, а вертикальная растет. Но вертикальная составляющаядаже в верхней точке гораздо меньше силы притяжения Земли, поднять воду она неможет. И если считать удаленность концов шланга от Луны практически одинаковой,то вертикальная составляющая на движение воды в шланге существенно не влияет. Вмомент захода Луны за горизонт, горизонтальная составляющая силы притяженияЛуны опять достигает максимального значения, но в обратном направлении. Поддействием этой силы вода в шланге качнется в обратную сторону, прилив и отливпоменяются местами. Чтобы более точно определить движение воды в шланге мыдолжны будем еще высчитать частоту собственных колебаний водяного маятника.
Теоретически может возникнуть три ситуации:Частота собственных колебаний больше частоты действиявозмущающей силы, в данном случае коей является горизонтальная составляющаясилы притяжения Луны.
Частота собственных колебаний совпадает с частотойвозмущающей силы.
Частота собственных колебаний меньше частоты возмущающейсилы.
Далее отметим, чем длиннее шланг, тем частота собственныхколебаний водяного маятника меньше, а размах колебаний больше, это связано сувеличением массы воды, а следовательно ее кинетической энергии, при той жескорости. Эта энергия переходит в потенциальную энергию, которая будетопределяться разностью уровней воды в ветвях шланга. Трением пока пренебрегаем. Рассмотрим процессколебания маятниковой волны, приняв условие, что в момент восхода Луны вода вшланге находилась в состоянии покоя. Далее под действием силы притяжения Луныуровень в восточной ветви шланга начнет расти, а в западной падать. В какоймомент времени рост уровня в восточной шланга части прекратиться, сказать точнонельзя, все зависит от параметров шланга. Можно точно сказать, что принахождении Луны в зените, суммарная энергия волны-маятника будет больше нуля,следовательно, при переходе в западную ветвь волна увеличит размах уровней,иначе говоря, западная приливная волна мощнее восточной. Далее Луна уходит загоризонт, и когда снова восходит, маятник повторит колебания, но уже не с нуля.
Но у нас есть все основания утверждать, что западная приливная волна так иостанется мощнее восточной, хотя бы потому, что, двигаясь с запада на восток загоризонтом, Луна на целый земной диаметр дальше от волны-маятника.
Следовательно, сила ее притяжения в эти пол оборота будет слабее, чем в полоборота от восхода до заката. Еще нужно учитывать, что вертикальнаясоставляющая лунного притяжения восточную часть прилива приподнимает послемаксимума горизонтальной силы, а западную вдавливает, способствуя еерастеканию.

  На Рис.3 шланг вообщепреобразован в открытую емкость или океан и мы утверждаем, что приливныеколебания в океане под действием силы притяжения Луны, если отбросить эффектывторого порядка малости, походят на колебания воды в ведре под действиемпериодической горизонтальной силы. Сделать такое утверждение нам позволяютзаконы гидродинамики, которые от размеров емкости не зависят.

 

 
На рисунке видно, как маятниковая волна в какой-то точкепересекает линию горизонта. Т.е. при маятниковых колебаниях волны, должна бытьточка, где уровень ее не меняется. Такие точки в реальном океане давно известныи называются они амфидромическими. Но до нас никто не объяснил их причинупоявления. Сделаем оговорку, кроме маятниковых колебаний в реальных приливах втой или иной степени присутствует и поперечная волна, но присутствиемаятниковых колебаний значительно весомей.
Рассмотрим случай, если маятниковой волне встречаетсяпрепятствие, расположенное под углом к вектору скорости (см. Рис.4.). Имеется ввиду, что наблюдатель находится сверху над волной, т.е. поверхность океаналежит в плоскости листа. Наклонный берег отразит маятниковую волну в сторону.
Преобразование кинетической энергии в потенциальную энергию не произойдет, илипроизойдет в очень малой степени. Представьте себе, что мы струю воды направилив стену, не перпендикулярно поверхности стены, а под углом. Нечто подобноепроизойдет и с маятниковой волной, потому что маятниковая волна – это и естьструя воды. Можно сказать, что маятниковая волна превратилась в течение.

 

 
Если быть более точным, то какая-то часть маятниковой волныпревратится в поперечную волну, но эта часть относительно небольшая. Такимобразом, мы с вами пришли к заключению, что океанические течения – эторезультат деятельности приливных сил, которые через маятниковые волны течениясоздают.
Подведем краткий итог всему выше изложенному. В природепомимо продольных и поперечных жидкостных волн существуют маятниковые волны.
Эти волны легко превращаются в течения. На поверхности водоема (и океана в томчисле) всегда есть точка или область где при колебании маятниковых волн уровеньне меняется.
Приливные течения Если маятниковаяволна приходит не перпендикулярно берегу, а под острым углом, она создасттечение ( как теннисная ракетка, в какую сторону ее повернешь, в ту и полетитшарик). Вот почему приливы создают течения вдоль побережья океанов, береготражает набежавшую волну в ту же сторону, куда имеет наклон и сам. Оченьбольшой и продолжительный наклон имеет восточное побережье Южной Америки по обестороны от экватора, наклон повернут к Северному полушарию, туда и текут теплыеводы, которые, в конечном счете, обогревают Западную Европу. Приливные волныАтлантического океана у берегов Канады создают Лабрадорское течение,направленное на юг. Приливы Индийского океана у берегов Сомали создает южноетечение, но летом, когда дуют сильные пассаты и муссон, они пересиливаетприливное течение и поворачивает его на север. Этот список можно продолжить, номы дальше подробно остановимся только на течении у берегов Перу.

 
Зарождение Эль-Ниньо
Перуанский берег повернут на юг, следовательно, маятниковаяволна будет создавать южное прибрежное течение, которое направлено противтечения Гумбольдта. Наибольшую силу оно должно иметь, когда траектория орбитыСолнца проходит у линии берега максимально повернутого на юг. Это позднейосенью и ранней весной. За счет инертности океана, как показывает статистика,маятниковое течение набирает силу к концу декабря. Маятниковое течение отжимаеттечение Гумбольдта от Перуанского побережья. Что, в конечном счете, отжимаетхолодное течение Гумбольдта и от экватора. На экваторе зона затишьярасширяется, Южное и Северное пассатные течения удаляются друг от друга.
Тропическое солнце нагревает зону застоя, что часто приводит к явлениюЭль-Ниньо. Эль-Ниньо – это когда по ряду совокупных факторов нагревэкваториальных вод превышает среднюю многолетнюю температуру поверхности океанаа этом районе на несколько градусов. Подробнее механизм нагрева экваториальныхвод рассмотрен доктором географических наук Бондаренко А.Л. в работе [6]. Можноли прогнозировать Эль-Ниньо? Да можно. Одно Солнце сильного маятниковоготечения создать не может, ему в этом деле помогает Луна. Как проходиттраектория Луны в том или ином месяце, особенно в октябре ноябре, в какойпериод года перигей совпадает с новолунием или полнолунием, это все отражаетсяна величине маятникового течения. Как показала статистика, на Эль-Ниньо сильновлияет также биение полюсов Земли. Биение полюсов создает раскачивание водокеана, когда раскачка и маятниковое течение совпадают по фазе и направлениютечение Гумбольдта сильнее отжимается от Перуанского побережья, а следовательновероятность возникновения Эль-Ниньо повышается. На возникновение Эль-Ниньовлияет также разность уровней западной и восточной части Тихого океана. Чемвыше уровень в западной части океана и ниже в восточной части, тем вышевероятность зарождения Эль-Ниньо. Казалось бы невероятный факт, на фазуЭль-Ниньо влияет Индийский океан. Но если присмотреться, то ничего в этомневероятного нет, все дело в том, что на востоке у широты экватора Индийскийокеан имеет форму раструба. Маятниковые волны восточного направленияконцентрируются этим раструбом на узком участке, в том месте где Индийскийокеан соединяется с Тихим океаном. Получается огромный гидродинамический насос,Который нагнетает теплые поверхностные воды Индийского океана в Тихий океан.
Причем есть два основных варианта событий.
Воды Индийского океана нагнетаются через пролив междуАвстралией и островом Новая Гвинея.
Воды Индийского океана нагнетаются через пролив междуостровами Калимантан и Новая Гвинея. Какой из вариантовпреобладает в какой-то момент времени, зависит в основном от приливообразующихсил. Если уровень Тихого океана ниже у берегов Австралии воды направляютсятуда, если уровень Тихого океана ниже на севере от Австралии, у островаКалимантан, воды устремляются на север. Не вдаваясь в глубокие тонкости,отметим только, когда воды Индийского океана устремляются в Тихий океан попервому варианту, они подпирают Южное пассатное течение, а то в свою очередьподжимает течение Гумбольдта к экватору и способствует развитию фазы Эль-Нинья.
Вот этим и объясняется наличие связи между атмосферным давлением у порта Дарвини у побережья Перу (Южные атмосферные качели). Если воды Индийского океана устремляютсяв Тихий океан по второму варианту, то это способствует развитию фазы Эль-Ниньо. Вот такое оно сложноеэто явление Эль-Ниньо – Ла-Нинья, почему долго и не удавалось ученым егорасшифровать. И только после открытия маятниковых волн картина значительнопрояснилась. Теперь это явление больше не будет считаться непредсказуемым. 30.01.2011г.

 
Литература. (Выписка из книги)
Полный хронологический список наводнений в Санкт -Петербурге (Петрограде, Ленинграде), сайт nevariver.ru.

  2. Проблемы окружающейсреды и природных ресурсов: Обзорная информация. - М., 2005. - № 5. - С. 57-76,

  3. А.Гордон, Р.Форд.
Спутник химика. Издательство "Мир”, М, 1976.

  4. К.Э.Циолковский
Второе начало термодинамики. Калуга типография С.А.Семенова, 1914.

  5. К.Э.Циолковский.
Второе начало термодинамики. || ЖРФМ. 1991 №1, с.23-39.

  6. А.Л.Бондаренко.
Эль-Ниньо – Ла-Нинья: механизмы формирования// Природа. №5. 2006. С. 39 – 47.
Сайт randewy.ru

  7. В.М.Ерашов. Законпетербургских наводнений. Кингисепп, 2007. Сайт randewy.ru

  8. В.М.Ерашов. Безоглядки на авторитеты. Кингисепп, 1996.

  9. В.Г.Демин. Судьба
Солнечной системы. "Наука”, М, 1969.

  10. А.Н.Матвеев.
Механика и теория относительности. "Высшая школа”, М, 1976.