Ciclul index

Ciclul index ( vascilația ) este un fenomen de instabilitate hidrodinamică a rotației unui lichid sau gaz încălzit neuniform, descoperit inițial ca o modificare cvasi-periodică a indicelui de circulație zonală a atmosferei [1] [2] . O trăsătură caracteristică a unei astfel de instabilitati este schimbul periodic de energie între mișcarea ordonată și dezordonată. Un proces similar este observat în curenții oceanici, în experimentele de laborator cu lichid rotativ încălzit neuniform, în atmosferele altor planete, eventual în nucleul lichid al planetei, în stelele rotative și în discuri de acreție .

Indicii de circulație atmosferică

Iarnă Vară Vânt
20 o −25 o 20 o −40 o oriental
35 o −55 o 40 o −65 o vest
55 o −70 o > 65 aproximativ oriental

Există și alte metode de cuantificare a tipului de circulație generală a atmosferei.

Fenomenul ciclului index

În atmosferă

Potrivit lui H. Willett și K.-G. Perioada ciclului indicelui Rossby este de aproximativ 3-4 săptămâni. Pentru a determina cu precizie perioada ciclului indicelui, spectrul serii de observații atât a indicilor de circulație, cât și a altor caracteristici ale stării atmosferei a fost studiat în mod repetat. Cu toate acestea, spectrul proceselor atmosferice s-a dovedit a fi destul de complex, conținând multe armonice în intervalul de 5-50 de zile. Nu este clar care anume armonică este responsabilă pentru procesul principal și care sunt secundare. Spectrul de timp al fluctuațiilor caracteristicilor meteorologice ale atmosferei conține cicluri zilnice și anuale distincte și armonicile acestora. Existența altor procese periodice ascunse este foarte îndoielnică din cauza semnificației lor statistice scăzute [10] . Determinarea perioadei de ciclu a indicelui din spectrul seriilor temporale este complicată din cauza faptului că amplitudinea și perioada ciclului se modifică în atmosferă nu numai în timpul anului, ci și de la fluctuație la fluctuație, ceea ce dă naștere la o evoluție generală. scepticism cu privire la existența acestui fenomen în natură.

Studiul caracteristicilor energetice ale atmosferei, în special raportul dintre energia turbulenței și energia mișcării ordonate, s-a dovedit a fi mai informativ decât indicele Rossby sau indicele Blinova. O analiză a perioadei ciclului index în experimentul EOL efectuat în emisfera sudică a dat o valoare de 18-23 de zile. Un studiu al duratei ciclului index în emisfera nordică folosind spectrele energiei cinetice și potențiale disponibile [11] a condus la valoarea perioadei ciclului index de 20-26 de zile.

Este de interes să studiem spectrul de fluctuații în entropia informațională a caracteristicilor circulației generale a atmosferei. Studiul entropiei informaționale a înălțimii suprafeței izobare de 500 hPa la o latitudine de 50 o pentru semestrul de iarnă în emisfera nordică a arătat [5] că această valoare, care caracterizează măsura ordinii atmosferice și este responsabilă numai pentru fenomenul ciclului index, are un maxim spectral distinct corespunzător unei perioade de 23 24 de zile.

Perioada și amplitudinea ciclului index depind de diferența de temperatură dintre ecuator și pol. Procesul studiat are loc în fiecare emisferă separat. Valoarea medie anuală a perioadei ciclului index în emisfera nordică este de aproximativ 25 de zile, iar în emisfera sudică - 20 de zile. Iarna, amplitudinea procesului crește, vara scade. În emisfera nordică, valoarea minimă a perioadei ciclului index este de 22 de zile și cade în ianuarie. Vara, perioada de oscilație crește rapid, ajungând la maximum 53 de zile în iulie [12] .

Ciclul indicelui se găsește și în fluctuațiile diferenței interlatitudinale ale presiunii atmosferice, cunoscute sub numele de oscilația arctică . Familiar navigatorilor, creșterea periodică a vântului peste oceane, manifestată în „ciclul furtunii” , mai ales pronunțat în Oceanul de Sud [13]  - acesta este ciclul indicelui.

În ocean

Asemănarea calitativă dintre instabilitatea fluxurilor cu jet din atmosferă și cea din ocean a fost subliniată de mai multe ori. Procesul de dezvoltare a meandrelor în curentul oceanic seamănă cu fenomenul ciclului index. La fel cum ciclul index se dezvoltă în atmosferă, în Atlanticul de Nord se observă trecerea periodică a pachetelor turbioare cu o perioadă de ~ 1,5 ani [14] . Această instabilitate duce la fluctuații ale anomaliilor de temperatură și ale indicelui de acoperire cu gheață. Experimentele numerice asupra dinamicii oceanelor de mezo scară bazate pe modelul cvasi-geostrofic cu rezoluție turbioare [15] au relevat auto-oscilații calitativ similare cu ciclul indicelui. Un rezultat similar a fost obținut în modelul circulației mezo-scale în oceanul deschis [16] . S-a constatat că în ocean apar oscilații naturale cu o perioadă de aproximativ 2 ani, în care are loc un schimb periodic de energie între mișcarea turbulentă și cea ordonată.

Se știe că Gulf Stream își pierde stabilitatea la nord de Capul Hatteras [17] . Teoria fenomenului ciclului index indică faptul că condițiile hidrologice ale acestei regiuni a oceanului corespund unei perioade de oscilație de ~1,8 ani [18] . O estimare similară pentru Curentul Circumpolar Antarctic oferă o perioadă de oscilații de acest tip de aproximativ 3 ani.

Perioada și amplitudinea oscilațiilor de acest tip este determinată de gradientul de densitate a apei pe direcția perpendiculară pe vectorul viteză curent în regiunea în care își pierde stabilitatea. Pe de altă parte, gradientul de densitate în sine depinde de faza procesului. Această situație atrage după sine variabilitatea perioadei de oscilație (cvasi-periodicitate). Instabilitatea curenților oceanici duce la faptul că transferul de căldură asociat acestor curenți de la ecuator la poli devine variabil, ceea ce afectează condițiile hidrologice și, în consecință, vremea, mai ales la latitudini mari.

În atmosferele altor planete

În atmosfera lui Jupiter se observă fluctuații globale, asemănătoare unui ciclu index, cu o perioadă de aproximativ 11–13 ani (perioada de revoluție a lui Jupiter în jurul Soarelui este de ~ 12 ani). Experimentele numerice de modelare a dinamicii atmosferei marțiane dau motive de a crede că fluctuațiile cu o perioadă de 4-6 zile în timpul solstițiilor nu sunt altceva decât un ciclu index. În atmosfera lui Neptun au fost detectate fluctuații cu o perioadă de 21 de ani de natură neclară. Analiza comparativă a fluctuațiilor tipului ciclului index în atmosferele planetare dă motive să credem că aceste procese sunt asemănătoare cantitativ și calitativ între ele și, posibil, similare cu ciclul de 11 ani al activității solare [19] .

Vascilație

În 1951, Raymond Hyde , în timp ce lucra la Universitatea din Cambridge la problema originii câmpului geomagnetic, a pus la punct experimente privind convecția într-un fluid rotativ încălzit neuniform. În experimentele sale, un lichid colorat a fost plasat într-un spațiu între doi cilindri coaxiali fixați împreună, a cărui axă este situată vertical și coincide cu axa de rotație. S-a menținut o diferență constantă de temperatură între pereții vasului. Cu unele combinații ale vitezei unghiulare de rotație și diferenței de temperatură dintre cilindri, R. Hyde a descoperit un fenomen neobișnuit, pe care l-a numit „vacilație”  - din  engleză.  -  „vascilație, balansare” [20] [21] . Structurile sub formă de valuri au apărut în lichid, iar parametrii vizibili - lungimea, amplitudinea, forma (panta) acestor unde - s-au schimbat periodic. Pe coturile valurilor au apărut vârtejuri secundare. Apariția, dezvoltarea și disiparea ulterioară a mișcărilor ondulatorii și turbulente în experimentele lui R. Hyde a fost un proces hidrodinamic auto-oscilant nou, necunoscut anterior, în care energia cinetică a fluidului era pompată periodic între componentele turbulente și ordonate. Harold Jeffreys i-a atras atenția lui R. Hyde asupra faptului că vascilația descoperită de el este foarte asemănătoare cu un fenomen similar observat în atmosferă – ciclul indicelui.

În experimente numerice

Pentru a dezvălui natura fizică a fenomenului de vacilație, Edward Lorentz a aplicat un model matematic spectral pe două niveluri al rotației unui fluid încălzit neuniform, redus la un sistem de paisprezece ecuații diferențiale obișnuite. Experimentele numerice cu acest model au arătat că, în funcție de viteza de rotație și de diferența de temperatură dintre centrul și periferia vasului cilindric în care este plasat lichidul, se observă patru tipuri principale de curgere [22] :

Experimentul numeric a confirmat că la limita de stabilitate se observă un fenomen similar cu ciclul indicelui din atmosferă. Pe parcurs, E. Lorentz a descoperit că modelul său numeric este instabil în ceea ce privește micile modificări ale parametrilor și condițiilor inițiale („ efectul fluture ”). Investigând procesul de calcul pe diagramele de fază, el a descoperit că soluția sistemului de ecuații care simulează vascilația are un caracter special, numit „atractor ciudat de Lorentz” . Această descoperire a dat naștere, pe de o parte, la o nouă privire asupra mecanismului de apariție a turbulențelor și, pe de altă parte, la îndoieli rezonabile cu privire la posibilitatea fundamentală de a prezice numeric dezvoltarea proceselor sinoptice în atmosferă pentru perioade comparabile cu perioada ciclului indicelui. Din care rezultă că înțelegerea mecanismului ciclului indicelui joacă un rol cheie în dezvoltarea metodelor numerice de prognoză a vremii .

Vezi și

Literatură

  1. ↑ Index Cycle - Dicționar meteorologic
  2. ↑ Haltiner J. Martin F. Meteorologie dinamică și fizică. M .: Literatură străină.- 1960. - 436 p.
  3. ↑ Blinova E. N. Circulația generală a atmosferei și prognoza meteo hidrodinamică pe termen lung // Tr. GMT-uri, 1967.—Iss. 15.-p.3-26.
  4. ↑ Webster PJ, Keller JL Variații atmosferice: cicluri de vacillare și index // J. Atmos. Sci., 1975.-32.-p.1283-1300.
  5. ↑ 1 2 Kriegel A. M., Odintsov V. A., Sigarev S. M. Despre determinarea perioadei ciclului index în atmosferă // Buletinul Universității de Stat din Leningrad. universitate. Ser. 7.-1991.-Numărul 4(Nr. 28).-S.84-86.
  6. ↑ Multanovsky B.P. Principalele prevederi ale metodei sinoptice a prognozelor meteo pe termen lung. M.: Editura TSUEGMS, 1933.—140 p.
  7. ↑ Willett HC Patterns of world weather changes // Trans. amer. Geophys. Unirea, 1948. —29.—Nr 6.—P.803-805 .
  8. ↑ Willett HC Meteorologie descriptivă. New York: Academic Press, 1944.—310 p.
  9. ↑ Rossby C. -G., Willett HC The circulation of the upper troposphere and low stratosphere // Science, 1948. - 108. -No 2815.-p.643-652.
  10. ↑ Cuvântul F., Shapiro R. Periodicități meteorologice // J. Meteorol .- 1961. - 18 . - P.635-656.
  11. ↑ McGuirk JP, Reiter EP O fluctuație a parametrilor energiei atmosferice // J. Atmos. Sci.— 1976.—33.—Nr. 11. —P.2079—2093.
  12. ↑ Kriegel A. M. Despre variabilitatea sezonieră a duratei ciclului indicelui // Buletinul Universității de Stat din Leningrad. universitate. Ser. 7.-1990.-Numărul 1 (Nr. 7).- P.119-120.
  13. ↑ Thompson DWJ, Barnes EA Periodic variability in the large-scale Southern hemisphere atmospheric circulation // Science.— 2014.— 343. —p.641—645.
  14. ↑ Seyidov D. G. Modelarea variabilității sinoptice și climatice a oceanului. L.: Gidrometeoizdat.—1985.—207 p.
  15. ↑ Holland WR, Haidvogel DB Despre oscilația unui câmp de undă baroclinic instabil într-un model de rezoluție turbionar al circulației generale oceanice // J. Phys. Ocean.—1981.— 11. —Nr . 4.
  16. ↑ Neelov I. A., Chalikov D. V. Model of mesoscale circulation in the open ocean // Oceanology.— 1981.— 21. —Nr . 1.—S.5-11.
  17. ↑ Stommel H. The Gulf Stream. O descriere fizică și dinamică. Univ. de la California Press. Berckley.—1965.—248 p.
  18. ↑ Kriegel A. M., Pigulevskiy Yu. V. Despre asemănarea între oscilațiile tipului ciclului index în atmosferă și în ocean. universitate. Ser. 7.-1990.-număr. 4 (Nr. 28).— P.95-97.
  19. ↑ Kriegel A. M. Despre asemănarea dintre oscilațiile lente din atmosferele planetelor și ciclul activității solare // Buletinul Universității de Stat din Leningrad. universitate. Ser. 7.— 1988.—Iss. 3 (Nr. 21).—S.122—125.
  20. ↑ Ascundeți R. Câteva experimente privind convecția termică într-un lichid rotativ // Quart J. Roy. Meteorol. Soc., 1953.- 79. -Nr.339.-p.161.
  21. ↑ Hide R. Un studiu experimental al convecției termice într-un fluid rotativ // Phil. Trans. Roy. soc. Londra, 1958.— A 250. —p.441—478.
  22. ↑ Lorenz RO Mecanica vacillarii // J. Atmos. Sci., 1963.- 20. -p.448-464.