СОЛИТОН РОССБИ, БОЛЬШОЕ КРАСНОЕ ПЯТНО ЮПИТЕРА И АНОМАЛЬНОЕ ЛЕТО РОССИИ

Прошедшее аномальное лето вызвало множество вопросов и множество различных предположений о причинах произошедшего. Попытки объяснения, которые во множестве присутствуют как в СМИ, так и в интернете, иногда приводят к довольно нелепым выводам и заключениям, начиная от “климатического оружия”, используемого различными “врагами”, и заканчивая вмешательством разного рода инопланетян. И именно этот момент заставил автора взяться за перо. Попробуем попытаться объяснить погодные аномалии этого лета, не прибегая ни к “климатическому оружию”, ни к внеземным источникам различного происхождения. Так что же произошло с погодой этим летом? Начнем с того, что не подвергается сомнениям ни одной из сторон. Над Россией на два летних месяца “завис” блокирующий антициклон, или блокинг. Но мало кому, за исключением специалистов, известно, что подобный блокирующий антициклон является типичным представителем такого природного явления, как солитон (пространственная уединенная волна) Россби, что подобные образования не являются чем–то исключительным и проявляют себя на различных уровнях организации материи, в частности, именно солитон Россби определяет спиральную структуру галактик. Самым ярким и широко известным представителем солитона Россби является Большое Красное Пятно Юпитера, наблюдаемое уже более 300 лет.

Рис.1. Большое Красное пятно Юпитера.

На фото отчетливо видны широтные зоны в атмосфере Юпитера, отличающиеся силой и направлением ветров. Фото с сайта cryazone.com.

 И уж конечно это явление не обошло и нашу Землю, на которой именно оно во многом определяет процессы, проходящие как в атмосфере, так и в океанах нашей планеты. И не секрет, что подобные блокирующие антициклоны  с огромными временами жизни существуют на нашей планете и в настоящее время. Примером такого блокинга является антициклон, “висящий” над Сахарой и Аравией уже не одну тысячу лет.

Посмотрим на эту проблему глазами физика. Поговорим о структурах, являющимся, с одной стороны, вихрями, а с другой – уединенными волнами, или солитонами. Их возникновение, вихревые свойства и долгие времена жизни обусловлены силой Кориолиса, связанной с глобальным вращением их среды “обитания”, а солитонные свойства – равновесием между дисперсией и нелинейностью. С волновой точки зрения эти образования принадлежат к семейству дрейфовых волн Россби, существующих в океанах и атмосферах планет. Частоты этих волн всегда малы по сравнению с частотой глобального вращения планеты, а длины волн могут иметь планетарный масштаб. Они весьма велики по сравнению с глубиной океана или атмосферы. При большой амплитуде эти волны могут превращаться в планетарные вихри. Наиболее крупным из них является Большое Красное Пятно Юпитера, по своим размерам превосходящий нашу Землю. Ту же природу имеют и синоптические вихри в земных океанах, а так же стоячие планетарные вихри – блокинги, ответственные за длительные засухи на Земле. Стоит подчеркнуть, что по отношению к столь большим структурам земная атмосфера или океан являются квазидвумерными средами. Этим, а так же относительно медленным вращением, планетарные вихри отличаются от смерчей, которым присуща большая, по сравнению с планетарной, скорость вращения. Любопытному читателю, желающему лучше отличать смерчи и ураганы от обсуждаемых планетарных вихрей можно порекомендовать, например, замечательную книгу Дж. Уизема «Линейные и нелинейные волны», имеющуюся в русском переводе.

  Теоретически эти волны были известны с конца 19-го века. Еще в 1893 году в трудах Венской академии наук появилась статья М.Маргулиса (M.Margules), в которой было показано, что во вращающейся жидкой или газовой  среде возникают дрейфовые волны, порождаемые глобальным вращением среды, в которой они развиваются. Несколько позже они были рассмотрены в работах немецкого геофизика и океанолога Б.Гурвица (B.Haurwitz) в приложении к океану Земли. Но впервые на важнейшую роль этих волн в процессах глобальной циркуляции атмосферы  в 1939 году указал шведский геофизик Россби (C.G.Rossby). И с тех пор эти дрейфовые волны, а так же порождаемые ими глобальные вихри носят его имя. Стоит упомянуть, что волны Россби физически аналогичны  дрейфовым волнам в пространственно неоднородной замагниченной плазме, что заставляет учитывать их, например, при попытках осуществления термоядерной реакции. Скорее всего, волны Россби так же имеют отношение к генерации магнитных полей в природе.

Попробуем понять, что такое солитон Россби. Вообще говоря, солитон Россби – это уединенная планетарная волна, или нерасплывающийся нелинейный пакет волн Россби, в котором  дисперсионное расплывание, свойственное линейному волновому пакету,  уравновешивается нелинейным самосжатием. Смысл данного утверждения заключен в следующем. В обычном линейном случае из волн, имеющих разную длину можно собрать локализованный в пространстве волновой пакет. Но, в силу того, что волны с разной длиной волны имеют различную скорость распространения, такой волновой пакет не будет стабильным. С течением времени он будет расплываться, распадаясь на свои составляющие. С солитоном Россби ситуация иная. В его случае, волновой пакет, его образующий, будет удерживаться нелинейными силами Кориолиса, поскольку он развивается во вращающейся среде. Это можно представить и несколько по-другому. Внутри вихря Россби, в силу его вращения, возникает градиент давления, который и компенсируется кориолисовыми силами. Возникает, так называемое, геострофическое равновесие.  Таким образом, в условиях существования волн Россби решающую роль играет сила Кориолиса. Волны Россби возникают вследствие пространственной неоднородности этой силы, связанной с зависимостью вертикальной компоненты вектора угловой скорости вращения Земли от широты места. Этот эффект так же определяет формирование в атмосфере широтных зон, отличающихся силой и направлением преобладающих ветров (зональные ветра). В отсутствие ветра, т.е., в спокойной атмосфере, волны Россби распространяются на запад, против глобального вращения планеты. Это распространение представляет собой дрейф, происходящий перпендикулярно векторам угловой скорости вращения планеты и направлению изменения силы Кориолиса. Механизм этого дрейфа полностью аналогичен механизму дрейфа заряженных частиц в скрещенных электрическом и магнитном полях.

Вернемся к понятию геострофического равновесия. Это понятие позволит нам понять такое интересное явление, как циклон – антициклонная асимметрия. Все дело заключается в том, что в циклоне и антициклоне возникающие градиенты давления направлены в противоположные стороны, а пространственная неоднородность силы Кориолиса постоянна. Направление этой неоднородности в случае циклона совпадает с направлением градиента давления, а в случае антициклона – противоположно ему. Это означает, что если существует солитон Россби, уединенная волна с большим временем жизни, то он может быть только антициклоном, т.е. только солитоном возвышения, как и исторически первый наблюдаемый Расселом солитон на мелкой воде. И это утверждение полностью подтверждается наблюдениями. Например, Большое Красное Пятно Юпитера – антициклон. В отличие от антициклона, в силу изложенных выше причин, циклоны имеют относительно малое время жизни, или, другими словами, существование долгоживущего циклона невозможно.

Обратимся к наиболее интересующему нас вопросу – проявлению волн Россби на Земле. И начнем с синоптических вихрей в океанах, открытых Обуховым А.М., Курганским М.В. и Мониным А.С. в 1982 году, оказывающих существенное влияние на циркуляцию воды в мировом океане. Для того, чтобы понять, как развиваются солитоны Россби в океане, нужно вспомнить, что плотность воды в океане неоднородна по вертикали. Эта неоднородность обусловлена зависимостью плотности воды от температуры, давления и концентрации растворенных в ней солей. Эта неоднородность приводит к необходимости рассмотрения волнового движения в волнах Россби не только по горизонтали, но и по вертикали. Учет такого движения приводит к интересному результату, а именно, во-первых, значительно уменьшаются горизонтальные размеры вихря. Если в атмосфере его характерный размер примерно равен 2000 км, то в океане он достигает примерно 50 км.. Во–вторых, такой вихрь может оказаться ограниченным не только по горизонтали, но и по вертикали и развиваться в глубинах океана. В этом случае развивается внутренний бароклинный антициклонический вихрь (линза). И именно благодаря своим малым, по сравнению с атмосферными (баротропными) волнами Россби, размерам, они помещаются в земных океанах. Заметим так же, что вихрь Россби, “живущий” в тропических широтах Атлантического океана, во многом определяет направление и даже само существование больших течений в океане. В частности, во многом благодаря нему существует и Гольфстрим, греющий северную Европу многие века. В этом несложно убедиться, посмотрев на карту течений Атлантического океана.

Обратимся теперь к более важному для нас вопросу о формировании стоячего планетарного вихря, вследствие остановки волны Россби ветром, дующим ей навстречу. Пусть вихрь Россби распространяется в среде, которая сама движется относительно планеты с некоторой скоростью. Если без движения среды (т.е., в отсутствие ветра) атмосфера была бы однородной, то  наличие ветра сделает ее неоднородной, поскольку на ветер также будет действовать сила Кориолиса, уравновешивающая силу гидростатического давления в вихре. Оценки этих величин показывают, что волна Россби, распространяющаяся на запад в отсутствие ветра, может остановиться относительно Земли. В условиях Земли получается следующее. Для волны Россби длиной порядка 3000 км. это условие может выполниться при скорости ветра всего в несколько метров в секунду. Причем, с ростом длины волны Россби скорость ветра, останавливающего вихрь, падает. Теперь учтем, что волна Россби достаточно большой амплитуды обладает свойствами вихря. Она сохраняет “свои” частицы и не пропускает в себя посторонние. При этом, после того, как выльются “свои” осадки, в районе локализации вихря Россби могут наблюдаться застойные явления типа длительной засухи, поскольку вся, испаряющаяся на территории локализации блокинга, влага будет “выдавливаться” антициклоном на его периферию и там выливаться. Подобная картина и наблюдалась этим летом, когда на территории, окружающей блокирующий антициклон наблюдались ливни и наводнения.

 Если скорость ветра станет хоть немного больше, то волна Россби начнет двигаться на восток. Есть еще один момент, о котором нельзя не упомянуть. В случае очень длинных волн Россби влияние ветра на скорость и направление их движения исчезает. Снос волны ветром в точности компенсируется увеличением скорости волны относительно ветра под влиянием возникающего градиента гидростатического давления. По этой причине, солитон Россби перестает сноситься ветром и может превратиться в блокинг с огромными временами жизни. Именно таким блокингом и является антициклон, накрывший территорию Сахары и Аравии около 10 000 лет назад и превративший некогда зеленую и процветающую землю с влажным климатом в пустыню. Остается заметить, что этот блокинг находится на Земле примерно в тех же широтах, что и Большое Красное Пятно Юпитера. Однако Большое Красное Пятно Юпитера блокингом не является. Оно, пусть и с небольшой скоростью, но дрейфует по периметру планеты.

И в заключение несколько слов об “уникальности” погодных условий, имевших место этим летом на территории России. Позволю себе привести следующую цитату из Википедии:

Небывалая жара пришла в среднюю полосу России после формирования так называемого “блокирующего антициклона”, что произошло в первой декаде июля. В это же время выпали последние осадки. За лето температура превысила +30 °C в Москве 26 раз, и выпало летом всего 82 мм осадков, из них 62 мм — в июне. За июль и август выпало всего 20 мм осадков.

Засуха разразилась вскоре после прихода антициклона. За полтора месяца не выпало практически ни капли осадков.  Начались пожары торфяников и лесов, и Москву на длительный срок заволокло дымом. К тушению пожаров привлекли армию, но пожары уничтожали целые деревни.

Смог был настолько плотный, что нельзя было увидеть с одного конца Москвы-реки другой. Засуха охватила небывалую территорию — Поволжье, где зной достигал почти 40 °C , Урал  и в несколько меньшей степени — Северо-Запад России

Данная цитата, к  огорчению сторонников разного рода экзотических причин, породивших погодные “аномалии”  прошедшего лета, описывает засуху, разразившуюся в нашей стране в 1972 году. Автор в то время находился в Москве и может добавить  к приведенному описанию только такую мелкую подробность. Стоять на одном месте на тротуаре было невозможно. Асфальт находился в расплавленном состоянии и вел себя как тонкий слой зыбучих песков. Единственное отличие от  2010 года, которое отмечается метеорологами – это бесснежная зима 1971 – 1972 годов, что и привело к катастрофическим последствиям. Далее можно вспомнить и жаркое лето 2002 года. Наиболее дотошные читатели могут немного поискать в литературе и даже в древних летописях обнаружить упоминания о жестоких засухах, являющихся косвенными свидетельствами образования блокингов над различными территориями.

Отсюда несложно сделать вывод, что этим летом ничего супераномального и сверхъестественного не произошло. Формирование в летний период над территорией России блокирующего антициклона это периодически повторяемое явление.

Написано специально для ОКО ПЛАНЕТЫ

Автор: gopman

Литература.

1. М.В.Незлин Солитоны Россби. - УФН, т.150, №1, с.3 – 60, 1986 г.
2. Ф.В.Должанский, В.А.Крымов, Д.Ю.Манин Устойчивость и вихревые структуры квазидвумерных сдвиговых течений. - УФН, т.160, №7, с 1 – 47, 1990г.
3. С.А.Солдатенко Синоптические вихри в атмосфере и океане.- Соросовский образовательный журнал, №2, с. 78 – 84, 1999 г.
4. Е.Ю.Банникова, В.М.Конторович Тороидальный вихрь как структурный элемент активных галактик.- Радиофизика и астрономия, т.11, №1, с.42 – 48, 2006 г.
5. С.В.Антипов, М.В.Незлин, В.К.Родионов, Е.Н.Снежкин, А.С.Трубников Устойчивость солитонов Россби.- Письма в ЖЭТФ, т.35, №12, с. 321-354, 1982 г.
6. Дж. Уизем Линейные и нелинейные волны,- М. Мир, 1977 г.

При цитировании и  копировании ссылка на ОКО ПЛАНЕТЫ обязательна.