Массачусетский технологический институт, февраль 1967 г. 11 страница

Поэтому мы должны относиться к какой-либо теории как к ценному вкладу в науку того времени, если она не противо­речит явно законам физики и согласуется с эксперименталь­ными данными, имевшимися в то время, когда она была со­здана. Необходимым, но недостаточным условием, чтобы теория удовлетворяла сформулированным выше требованиям, является удовлетворение соотношениям баланса в соответствии с резуль­татами наблюдений. Предложенная схема циркуляции может правильно описывать меридиональный перенос момента количе­ства движения, водяного пара и энергии и тем не менее быть несовершенной в других отношениях. Поэтому в какой-то мере все-таки можно оценить предложенную схему, исходя из того, удовлетворяет ли она соотношениям баланса.

Картина циркуляции, нарисованная Хэдли (1735) и детально рассмотренная в первой главе, согласуется с условиями ба­ланса, вытекающими из анализа имевшихся тогда данных на­блюдений, хотя и не согласуется полностью с данными более поздних наблюдений. Поток воздуха на верхних уровнях пере­носит по направлению к полюсу такое же количество массы, какое на нижних уровнях переносится по направлению к эква­тору. Перенос момента количества движения на верхних уров­нях должен быть интенсивнее, так как западный поток более интенсивен наверху. В случае, если стратификация устойчива, на верхних уровнях переносится также большее количество тепла и внутренней энергии.

В схеме циркуляции, предложенной Хэдли, не рассматрива­ется ни более слабый перенос момента количества движения к экватору, имеющий место в высоких широтах, ни полярные восточные ветры, обуславливающие этот перенос. Хэдли не при­нимал во внимание переноса влаги. Вероятно, его схема приво­дила бы к тому, что за счет меридионального переноса по направлению к экватору через каждую широту переносилось бы больше водяного пара, чем по направлению к полюсу. Это вы­звало бы избыток осадков на экваторе и, возможно, их дефицит не только в субтропиках, но также и в полярных районах, что противоречит результатам наблюдений.

Картина циркуляции, по Хэдли, схематически показана на рис. 30. В работе Хэдли схематического изображения циркуля­ции не приводилось, здесь рис. 30 дан лишь для удобства срав­нения с многочисленными последующими работами.

В схеме Хэдли горизонтальный перенос, удовлетворяющий требованиям баланса, осуществляется простейшим из возмож­ных путей — меридиональной циркуляцией. Однородное течение

в полярном направлении на одной высоте переносит количество субстанции, отличное от количества субстанции переносимой однородным направленным к экватору потоком на другой вы­соте. Так как рассматриваемая атмосфера не настолько упро­щена, чтобы свойства ее не зависели от времени и долготы, возможен и другой механизм переноса. Где бы ни существовал крупномасштабный вихрь, такой, как циклон, поток к полюсу на одной долготе сопровождается потоком к экватору на другой долготе (в то же самое время и на той же высоте). Противопо­ложно направленные потоки могут переносить различные коли­чества какой-либо субстанции. Теории общей циркуляции, поэ­тому сводятся к одной или двум главным схемам. В одной из них вихревые движения отсутствуют или не оказывают никакого влияния, в другой — они влияют на зонально осредненное дви­жение, поскольку переносят некоторые субстанции с одной ши­роты на другую.

В течение почти полувека после опубликования статьи Хэдли ученые не подозревали о ее существовании. Объяснение циркуляции, подобное объяснению Хэдли, было заново дано такими учеными, как Иммануил Кант (1756) и Джон Дальтон (1793). Позднее Дальтон познакомился со статьей Хэдли. Признавая полностью приоритет Хэдли, Дальтон обратил внимание на су­ществовавшую в те годы тенденцию ученых дорабатывать более старые и неудовлетворительные теории и в то же время игно­рировать более поздние и более приемлемые. Его замечание остается справедливым и в наши дни.

Однако постепенно объяснение общей циркуляции, данное Хэдли, стало широко использоваться учеными. Учитывая огра­ниченное количество данных наблюдений, имевшееся до XIX ве­ка, можно понять, почему было мало оснований подвергать сомнению основные черты этого объяснения.

По мере развития науки в XIX веке стало обнаруживаться, что схема Хэдли до некоторой степени не согласуется с резуль­татами наблюдений. В особенности росла уверенность в том, что ветры в западном воздушном течении, преобладающем в север­ном полушарии, скорее, являются юго-западными, а не северо-западными, как в схеме Хэдли. Несомненно, анализ имевшихся тогда очень ограниченных (особенно в океанических районах) данных наблюдений не подтверждал этот вывод. Тем не менее, это заключение было совершенно правильным. Оно подтверж­дается современными значительно более полными наблюде­ниями.

Когда стало ясно, что поверхность, отделяющая области с пассатными ветрами от расположенной выше области юго-за­падных ветров, понижается к северу, и что эта поверхность ка­сается Земли в «конских» широтах, возникло представление, согласно которому приземное юго-западное течение в средних широтах является просто продолжением течения, расположен­ного выше пассатов. Тогда возникает вопрос, каким образом воздушные массы возвращаются из высоких широт.

Ответ на этот вопрос был дан выдающимся метеорологом и климатологом Г. В. Довэ (1837). В 1835 г. Довэ независимо от Хэдли дал объяснение пассатных ветров, предположив также, что при отсутствии сил, направленных к востоку, должен скорее сохраняться абсолютный момент количества движения, а не абсолютная скорость. Он полностью принял идеи Хэдли относи­тельно движения в низких широтах. Однако он присоединился к господствовавшему тогда мнению о том, что юго-западные ветры в средних широтах являются продолжением юго-запад­ных ветров, расположенных выше пассатов, так как считал, что теплый и влажный воздух этих течений должен быть идентичен (по происхождению). В то время Довэ вообще не понимал, что воздушные массы, поднявшиеся до больших высот и затем опу­стившиеся, должны потерять большое количество влаги.

Отсюда, естественно, вытекало, что пассатные ветры сами по себе должны быть продолжением возвратного течения, берущего начало в высоких широтах. Довэ считал, что это течение не рас­пространяется на верхние уровни, так как казалось невозмож­ным, чтобы противоположно направленные течения пересекали «конские» широты, не изменяясь при этом. Таким образом, Довэ пришел к схеме циркуляции, по которой области юго-западных и северо-восточных ветров в средних широтах расположены, скорее, рядом, т. е. на одном уровне (но на различных долго­тах), чем одна над другой. Теплое и влажное экваториальное течение при этом поддерживалось юго-западными ветрами, рас­положенными выше пассатов, а холодное полярное течение под­держивало пассаты. Экваториальное течение в основном было расположено над океанами и западными побережьями матери­ков, а полярное течение — над внутренними областями и во­сточными побережьями материков. Однако долгота, на которой расположены течения, не фиксировалась, и хорошо известные локальные изменения погоды сопровождались сменой одного течения другим. Довэ смог бы объяснить наличие суммарного потока, направленного к северу, тем, что экваториальный воз­дух имеет больший удельный объем, но он предполагал, что этот поток может в действительности не существовать, так как наблюдаемое направленное к северу течение могло бы компен­сироваться течением, направленным к югу, над внутренними областями континентов (над которыми данных наблюдений в то время было недостаточно).

Довэ полагал также, что в средних широтах преобладают два направления ветра — северное и южное; ветры других на­правлений он рассматривал как разновидности этих двух. Та­ким образом, получалось, что воздушные массы в полярном и экваториальном течениях есть ничто иное, как массы полярного и тропического воздуха. Он определял эти массы, скорее, по движениям, в которых они участвуют, чем по их квази-консервативным термодинамическим свойствам. Штормы средних ши­рот Довэ рассматривал как результат столкновения этих двух течений. Картина циркуляции по Довэ схематически представ­лена на рис. 31.

Схема Довэ, несомненно, может удовлетворять условиям ба­ланса энергии, так как экваториальное течение теплее, чем по­лярное. Эта схема может соответствовать балансу момента количества движения, так как юго-западные ветры переносят его больше, чем северо-восточные. Если принять, что экватори­альное течение не может переносить влагу на верхних уровнях в низких широтах, но должно терять влагу и затем снова полу­чать ее от океанов, схема Довэ удовлетворяет и условиям ба­ланса влаги.

Все же схема Довэ была не так убедительна, как схема Хэдли. Довэ был скорее наблюдателем (экспериментатором), чем теоретиком, и не дал удовлетворительного объяснения схемы циркуляции, которую он так тщательно описал. Его до­воды, включая учет вращения Земли, применимы скорее к схеме циркуляции Хэдли, чем к его собственной.

Одним из многих, кто прилежно систематизировал данные о погоде, был морской офицер Меттью Мори. Составленные им карты ветров над океанами позволили значительно сократить время, необходимое для того, чтобы проплыть под парусами между двумя удаленными друг от друга пунктами. В 1885 г. он предложил свою схему общей циркуляции, существенно отли­чающуюся от схемы Хэдли, но содержащую в точности те

же основные особенности циркуляции, которые Довэ отверг не­сколькими годами раньше. Эта схема приведена на рис. 32. Вместо меридиональных ячеек в каждом из полушарий или встречных потоков, расположенных рядом, в этой схеме имеются две ячейки: прямая ячейка, подобная ячейке Хэдли, в тропиках, и обратная ячейка в высоких широтах. Воздушное течение, рас­положенное над северо-восточными пассатами, обуславливается юго-западными ветрами. Течение на верхних уровнях в высоких широтах, как, по-видимому, предполагалось, возникало из се­веро-восточного течения.

Как и Довэ, Мори не пользовался математическими форму­лировками. Однако Мори был чрезвычайно внимателен к усло­виям баланса влаги. Отличительной чертой его схемы были ме­ридиональные течения, пересекающиеся при подъеме в «кон­ских» широтах и при опускании в экваториальной штилевой полосе. Мори прилагал большие усилия, чтобы объяснить это пересечение течений. Он очень верил в свой проект и, основы­ваясь на том, что циркуляция не должна быть совершенно случайной, отвергал возможность того, что пересекающиеся течения могли бы смешиваться и затем отклоняться как от своего пер­воначального, так и от противоположного направления. Мори не мог объяснить, почему воздушные течения должны пере­секать друг друга, вместо того чтобы двигаться далее в другом направлении; но он настаивал на том, что отсутствие баланса между осадками и испарением в низких и высоких широтах

указывает на взаимное пересечение течений. Подобно Довэ, Мори не подозревал, что течение на верхних уровнях не может сохранить ту же влажность, которой оно обладало на нижних уровнях. Он полагал, что воздушные течения могут пересекать друг друга не перемешиваясь, так как при этом вертикальные столбы воздуха проходят один мимо другого. Ему казалось, что эти вертикальные столбы должны иметь такую же протяжен­ность, как кучево-дождевые облака.

Однако Мори не мог объяснить именно то, что сейчас ка­жется нам главной особенностью его схемы — обратную ячейку в высоких широтах. Он принял объяснение пассатных ветров, данное Хэдли, и отметил, что причина возникновения обратных ячеек еще не объяснена учеными.

По-видимому, схема Мори удовлетворяла бы условиям ба­ланса момента количества движения, если бы существовали, как предполагается в этой схеме, пересекающие друг друга течения в «конских» широтах и восточные ветры на верхних уровнях в высоких широтах. Это, однако, противоречит современным данным наблюдений. Несомненно, требования энергетического баланса были бы удовлетворены лишь в том случае, если бы ат­мосфера нагревалась у экватора и полюса и охлаждалась в районах средних широт. Тем не менее, работа Мори представ­ляла существенный интерес. Она стала очень популярной еще при его жизни. Идеи Мори послужили толчком к возникнове­нию новых, более рациональных теорий.

Одним из тех, кто читал книгу Мори и у него впоследствии возник интерес к проблемам атмосферной циркуляции, был школьный учитель Уильям Феррел. Он, прежде всего, узнал, что давление над земной поверхностью не постоянно: оно выше всего в «конских» широтах, а ниже в зоне экваториальных штилей и особенно в полярных районах. Феррел не согласился с некото­рыми идеями Мори, в частности, с возможностью пересечения меридиональных течений, которую он сразу же отбросил. Феррел предположил, что существует перемешивание, а не пересечение потоков. В следующем (1856) году он сделал еще один шаг вперед.

Схема циркуляции, предложенная Феррелом, показана на рис. 33. Она несколько напоминает схему Мори, за исключением того, что здесь имеется по три ячейки циркуляции в каждом из полушарий. Феррелу казалось, что это вытекает из анализа на­блюдений. В отличие от Мори, он полагал, что может дать ис­черпывающее объяснение такой схеме циркуляции.

Большим достижением Феррела явилось введение в этой статье понятия «новой» силы — меридиональной компоненты силы Кориолиса, которую он вначале отождествлял с последним из членов в уравнении приливов Лапласа, сформулированном за­долго до Кориолиса. Он полагал, что эта сила не была введена ранее в исследованиях в области метеорологии. В действитель­ности, это было уже сделано в оставшейся незамеченной статье Трейси (1843). Трейси, хотя и недостаточно аргументируя это, получил правильное направление отклоняющей силы. Феррел полагал, что при соответствующем учете этой «новой» силы можно было понять казавшиеся ранее необъяснимыми особен­ности не только общей циркуляции в целом, но и таких систем, как циклоны и возмущения еще более мелкого масштаба.

Феррел был согласен с Хэдли, что первичной вынуждающей силой в атмосферной циркуляции является сила градиента да­вления, направленная от полюса к экватору и обусловленная притоком тепла от Солнца. Феррел предполагал, что это должно было бы приводить к возникновению меридиональных течений, а затем под действием силы Кориолиса — к восточным и запад­ным ветрам, расположенным в основном так, как и предпола­гал Хэдли. Однако Феррел не нашел в теории Хэдли какого-либо

объяснения существующего распределения давления. Феррел отметил, что в результате действия новой силы восточные тече­ния в низких и западные в высоких широтах должны были бы отклоняться от экватора (и полюса соответственно) в направле­нии субтропиков. Поэтому создается наблюдаемый в действи­тельности дефицит давления на экваторе и в полярных районах и избыточное давление в субтропиках. Объясняя отклонение западных приземных ветров к полюсу, Феррел заметил, что за счет поверхностного трения ветры у поверхности Земли были бы значительно слабее, чем ветры на более высоких уровнях, в то же время градиент давления оставался бы однородным. Направленная к югу компонента силы Кориолиса вблизи поверх­ности Земли поэтому должна быть достаточно большой по вели­чине, чтобы уравновесить силу барического градиента. Западные воздушные течения при этом должны были бы отклоняться в на­правлении полюса, затем подниматься на более высокие уровни и возвращаться обратно к экватору.

Феррел, ссылаясь на соотношение гидростатики, заметил, что широта, соответствующая наибольшим значениям давления, на высотах должна смещаться по направлению к экватору. Он, по-видимому, чувствовал, что для того, чтобы поддержать высокое давление, на верхних уровнях должны встречаться два противо­положно направленные воздушные течения. Поэтому он и счел необходимым ввести наклонные границы между ячейками, рас­положенными в низких и средних широтах.

В схеме Феррела, как и в его истолковании этой схемы, имеются некоторые очевидные недостатки. Обратные ячейки в средних широтах должны переносить энергию и момент коли­чества движения по направлению к экватору, т. е. они не могут удовлетворять условию баланса энергии. Вначале предполага­лось, что на верхних уровнях в средних широтах существуют западные воздушные течения, поддерживаемые за счет влияния силы Кориолиса на направленные к полюсу воздушные течения. Однако теперь известно, что (взамен этих течений) существуют воздушные течения, направленные к экватору. В то же время и западные течения действительно имеют место.

Тем не менее, трудно переоценить значение работы Феррела. Он впервые в метеорологии дал правильную оценку силы Корио­лиса, количественное описание геострофического ветра и час­тично объяснил его возникновение. Он показал на примере, что поле давления могло бы само по себе перестраиваться, адапти­руясь к полю ветра, а не вынуждать действительный ветер адап­тироваться к полю давления. Это обстоятельство часто оставля­лось без внимания последующими поколениями метеорологов.

Другим ученым, прочитавшим книгу Мори, был физик и изо­бретатель Джеймс Томсон, который не согласился с некоторыми идеями Мори. Томсон, разумеется, не подозревал о работе Фер­рела, которая была опубликована в местном медицинском жур­нале. Однако он присутствовал на лекции, прочитанной Марфи (1856), который был знаком с книгой Мори. Марфи полагал, что низкое давление у полюсов обусловлено воздействием центро­бежной силы на западные течения, которые можно было бы рас­сматривать как большие циркумполярные вихри. Вскоре Томсон (1857) представил свою схему циркуляции, которая показана на рис. 34.

Заметив ошибку Хэдли относительно сохранения угловой ско­рости, он, с другой стороны, согласился с его доводами относи­тельно циркуляции в большей части атмосферы, но утверждал, что западные ветры вблизи поверхности, ослабевая за счет дей­ствия силы трения, будут обладать дефицитом центробежной силы по отношению к более сильным западным ветрам, лежащим непосредственно над ними, и будут, поэтому отклоняться к по­люсу. В этом отношении его объяснение аналогично данному Феррелом и только по-другому сформулировано. Направленная

к северу или к югу компонента силы Кориолиса, как отметил Феррел, является просто избытком или дефицитом центробеж­ной силы по сравнению с центробежной силой частицы, враща­ющейся с Землей. Этот избыток силы Кориолиса, характерный для сильного западного ветра, по сравнению с силой Кориолиса, действующей при слабом западном ветре, является, поэтому таким же, как и избыток центробежной силы у сильного ветра по сравнению со слабым.

Так же как во времена Хэдли было слишком мало доказа­тельств, опровергающих его схему, так и во времена Томсона было мало противоречащих ему доводов. В силу своей простоты схема Томсона была предпочтительнее и, кроме того, она удовлетворяла требованиям баланса. Обратные ячейки существовали в таких мелких слоях, что перенос ими момента количества дви­жения или энергии был очень мал. В то же время они могли осуществлять необходимый перенос влаги к полюсу, так как со­держание водяного пара очень быстро убывает с высотой.

Было опубликовано лишь краткое изложение работы Том­сона. Позже в Бакерианской лекции, прочитанной им за два года до смерти, он вернулся к проблемам циркуляции атмосферы и

снова подтвердил, что доверяет своей первой схеме. Томсон кри­тически рассмотрел другие предложенные схемы и отметил за­труднения, связанные с предположением Мори и Феррела о кон­вергенции на верхних уровнях воздушных течений.

---

Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 52; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!