Цикл индекса — явление гидродинамической неустойчивости вращения неравномерно нагретой жидкости (или газа), первоначально обнаруженное как квазипериодическое изменение индекса зональной циркуляции атмосферы. Характерной особенностью такой неустойчивости является периодический обмен энергией между упорядоченным и неупорядоченным движением. Аналогичный процесс наблюдается и в океанических течениях, в лабораторных экспериментах с вращающейся неравномерно нагретой жидкостью, в атмосферах других планет, возможно, во вращающихся звездах и аккреционных дисках.
Карл-Густав Арвид Россби предложил характеризовать вращение атмосферы относительно Земли «индексом циркуляции» (Россби) — средней зональной геострофической скоростью ветра, вычисляемой для каждой зоны по среднему мередиональному градиенту давления атмосферы (или высоты изобарической поверхности). К.-Г. Россби рекомендовал разделить тропосферу на следующие широтные зоны, каждая из которых характеризуется своим индексом циркуляции.
Зима
Лето
Ветер
20о−25о
20о−40о
восточный
35о−55о
40о−65о
западный
55о−70о
> 65о
восточный
Екатерина Никитична Блинова[1] предложила оценивать относительное вращение атмосферы индексом , где — средняя в широтной зоне 45о−65о угловая скорость вращения тропосферы относительно Земли, — угловая скорость вращения Земли. (Значению индекса Блиновой A=1 соответствует линейная скорость ветра ~ 23 см/с.)
П. Вебстер и Дж. Келлер[2] для анализа общей циркуляции атмосферы по наблюдению за движением уравновешенных аэростатов в международном эксперименте «ЭОЛ» (1972 год), использовали в качестве индекса циркуляции отношение кинетической энергии турбулентности к кинетической энергии упорядоченного движения, измеренное в трех широтных зонах: 30о−40о, 40о−50о, 50о−60о Южного полушария.
Известны и другие методы количественной оценки типа общей циркуляции атмосферы.
Явление цикла индекса
Ещё в 1878 году Шпиндлер заметил, что циклоны приходят на континент не по-одиночке, а сериями. Этот факт указывает на то, что в атмосфере существует какой-то глобальный периодический процесс, влияющий на циклогенез.
В 1915 году Б. П. Мультановский[3] заметил, что синоптические процессы поддаются типизации. Б. П. Мультановским ввел в метеорологию понятие «элементарного синоптического процесса», продолжительность которого составляет 2—4 дня. Элементарные синоптические процессы группируются в «естественный синоптический период» — понятие, порожденное периодичностью синоптических процессов.
В 1944 году Х. Виллетт[4][5] и К. —Г. Россби[6] (Чикагский университет) обнаружили, что в атмосфере наблюдается квазипериодическое чередование разных типов атмосферной циркуляции. Состояние с повышенной скоростью упорядоченной циркуляции («высокий индекс»), при котором энергия турбулентных структур понижена, чередуются с обратной ситуацией («низкий индекс»), при которой энергия турбулентности (циклогенез) достигает максимума. Обнаруженное метеорологическое явление получило название «цикл индекса».
По оценкам Виллетта и Россби период цикла индекса составляет примерно 3—4 недели. Для точного определения периода цикла индекса многократно проводился спектральный анализ рядов наблюдений как за индексами циркуляции, так и за другими характеристиками состояния атмосферы. Однако, спектр атмосферных процессов оказался довольно сложным, содержащим в интервале 5—50 суток много гармоник. Не ясно, какая именно гармоника отвечает за основной процесс, а какие — вторичны. Анализ периода цикла индекса в эксперименте «ЭОЛ» дал значение 18—23 дня. Исследование продолжительности цикла индекса в северном полушарии по спектрам кинетической и доступной потненциальной энергии[7] привел к значению периода цикла индекса в 20—26 дней. Энергетические характеристики атмосферы, особенно — отношение энергии турбулентности к энергии упорядоченного движения, оказались более информативными по сравнению с индексом Россби или индексом Блиновой. Представляет интерес исследование спектра колебаний информационной энтропии высоты изобарической поверхности[8]. Оказалось, что этот показатель, характеризующий меру упорядоченности атмосферы, имеет один размытый спектральный максимум 23—24 суток и отвечает только за явление цикла индекса.
Период и амплитуда цикла индекса зависят от разности температуры между экватором и полюсом. Исследуемый процесс протекает в каждом полушарии отдельно и зависит от сезона. Зимой амплитуда процесса увеличивается, а период — падает[9].
Васцилляция
В 1951 году Раймонд Хайд, работая в Кембридском университете над проблемой происхождения геомагнитного поля, поставил эксперименты по конвекции в неравномерно нагретой вращающейся жидкости. В его экспериментах подкрашенная жидкость помещалась в зазор между двумя скрепленными между собой коаксиальными цилиндрами, ось которых расположена вертикально и совпадает с осью вращения. Между стенками сосудов поддерживалась постоянная разность температур. При некоторых сочетаниях угловой скорости вращения и разности температуры между цилиндрами, Хайд обнаружил необычное явление, которое он назвал «vacillation» — «васцилляция» (качание)[10][11]. В жидкости возникали волноподобные структуры, причем видимые параметры — длина, амплитуда, форма (наклон) этих волн периодически менялся. На изгибах волн появлялись вторичные вихри. Возникновение, развитие и последующая диссипация волновых и турбулентных движений в экапериментах Хайда явилось новым, неизвестным ранее, автоколебательным гидродинамическим процессом, в котором кинетическая энергия жидкости периодически перекачивалась между турбулентной и упорядоченной компонентами. Хэрольд Джефриз обратил внимания Хайда на то, что открытая им васцилляция весьма похожа на аналогичное явление, наблюдаемое в атмосфере — цикл индекса.
Литература
↑Блинова Е. Н. Общая циркуляция атмосферы и гидродинамический долгосрочный прогноз погоды // Тр. ГМЦ, 1967.—Вып. 15.—С.3—26
↑Webster P. J.,Keller J. L. Atmospheric variations: vacillation and index cycles // J. Atmos. Sci., 1975.—32.—p.1283—1300
↑Мультановский Б. П. Основные положения синоптического метода долгосрочных прогнозов погоды. М.: Издательство ЦУЕГМС,1933.—140 С.
↑Willett H. C.Patterns of world weather changes // Trans. Amer. Geophys. Union, 1948.—29.—No 6.—p.803-805
↑Willett H. C. Descriptive meteorology. New York: Academic press, 1944.—310 p.
↑Rossby C. —G.,Willett H. C. The circulation of the upper troposphere and lower stratosphere // Science, 1948.—108.—No 2815.—p.643—652
↑McGuirk J. P., Reiter E. P. A vacillation of atmospheric energy parameters // J. Atmos. Sci., 1976.—33.— No 11.— p.2079—2093
↑Кригель А. М., Одинцов В. А., Сигарев С. М. Об определении периода цикла индекса в атмосфере // Вестник Ленинградского гос. университета. Сер. 7.—1991.—Вып.4(№ 28).—С.84—86
↑Кригель А. М. О сезонной изменчивости продолжительности цикла индекса // Вестник Ленинградского гос. университета. Сер. 7.—1990.—Вып.1(№ 7).—С.119—120
↑Hide R. Some experiments on thermal convection in a rotating liquid // Quart J. Roy. Meteorol. Soc., 1953.—79.—No.339.— p.161
↑Hide R. An experimental study of thermal convection in a rotating dluid // Phil. Trans. Roy. Soc. London,1958.—A 250.—p.441—478
Кригель А. М. Атмосфера на грани порядка и хаоса // Знание—сила.—1989.—№ 8.—С.30-35.
Это заготовка статьи.Вы можете помочь проекту, дополнив её.
Это примечание по возможности следует заменить более точным.
