Indeks cyklus

Indekscyklussen ( vascillation ) er et fænomen med hydrodynamisk ustabilitet i rotationen af ​​en ujævnt opvarmet væske eller gas, oprindeligt opdaget som en kvasi-periodisk ændring i atmosfærens zonecirkulationsindeks [1] [2] . Et karakteristisk træk ved en sådan ustabilitet er den periodiske udveksling af energi mellem ordnet og uordnet bevægelse. En lignende proces observeres i havstrømme, i laboratorieforsøg med roterende ujævnt opvarmet væske, i atmosfæren på andre planeter, muligvis i planetens flydende kerne, i roterende stjerner og i tilvækstskiver .

Atmosfæriske cirkulationsindekser

• Carl-Gustav Arvid Rossby foreslog at karakterisere atmosfærens rotation i forhold til Jorden ved "cirkulationsindekset" (Rossby)  - den gennemsnitlige zonegeostrofiske vindhastighed beregnet for hver zone ud fra atmosfærens gennemsnitlige meridionale trykgradient (eller højden) af den isobariske overflade). K.-G. Rossby anbefalede at opdele troposfæren i følgende breddezoner, som hver er karakteriseret ved sit eget cirkulationsindeks.

•  Ekaterina Nikitichna Blinova [3] foreslog at  evaluere atmosfærens relative rotation ved indekset (Blinova-indeksværdien A=1 svarer til en lineær vindhastighed på ~ 23 cm/s.)

• P. Webster og J. Keller [4] brugte forholdet mellem den kinetiske energi af turbulens og den kinetiske energi af ordnet bevægelse, målt i tre breddegrader: 30 o -40 o , 40 o -50 o , 50 o -60 o af den sydlige halvkugle.

• Graden af ​​orden i atmosfærisk cirkulation kan måles ved informationsentropi . Brugen af ​​den informative entropi af højden af ​​den isobariske overflade på halvkuglen [5] viste sig at være en meget bekvem metode til at studere fænomenet med indekscyklussen.

Der er andre metoder til at kvantificere typen af ​​generel cirkulation af atmosfæren.

Indekscyklusfænomen

• Tilbage i 1878 bemærkede J. B. Spindler , at cykloner kommer fra Atlanterhavet til det europæiske kontinent ikke én efter én, men i serier. Dette faktum indikerer indirekte, at der kan være en form for global periodisk proces i atmosfæren, der påvirker cyklogenese.
• I 1915 bemærkede B.P. Mul'tanovsky [6] , at synoptiske processer kan karakteriseres. Han introducerede begrebet "elementær synoptisk proces" i meteorologien, hvis varighed er cirka 2-4 dage. Ifølge B. P. Multanovsky er elementære synoptiske processer grupperet i en "naturlig synoptisk periode" - et koncept genereret af synoptiske processers cyklicitet.
• I 1944 blev H. Willett [7] [8] og K.-G. Rossby [9] (University of Chicago) fandt, at der observeres en kvasi-periodisk vekslen mellem forskellige typer atmosfærisk cirkulation i atmosfæren. Tilstanden med en øget hastighed af ordnet cirkulation ("højt indeks"), hvor energien af ​​turbulente strukturer reduceres, veksler med den modsatte situation ("lavt indeks"), hvor turbulensenergien (cyklogenese) når et maksimum . Det opdagede meteorologiske fænomen blev kaldt "indekscyklussen" .

I atmosfæren

Ifølge H. Willett og K.-G. Rossby-indekscyklusperioden er cirka 3-4 uger. For nøjagtigt at bestemme perioden for indekscyklussen blev spektret af observationsserier af både cirkulationsindekser og andre karakteristika for atmosfærens tilstand gentagne gange undersøgt. Spektret af atmosfæriske processer viste sig dog at være ret komplekst og indeholdt mange harmoniske i intervallet 5-50 dage. Det er ikke klart, hvilken særlig harmonisk der er ansvarlig for hovedprocessen, og hvilke der er sekundære. Tidsspektret af udsving i atmosfærens meteorologiske karakteristika indeholder distinkte daglige og årlige cyklusser og deres harmoniske. Eksistensen af ​​andre skjulte periodiske processer er yderst tvivlsom på grund af deres lave statistiske signifikans [10] . Bestemmelse af indeksets cyklusperiode ud fra spektret af tidsserier er kompliceret på grund af det faktum, at amplituden og perioden af ​​cyklussen ændrer sig i atmosfæren ikke kun i løbet af året, men også fra fluktuation til fluktuation, hvilket giver anledning til en generel skepsis over for eksistensen af ​​dette fænomen i naturen.

Studiet af atmosfærens energikarakteristika, især forholdet mellem turbulensenergien og energien af ​​ordnet bevægelse, viste sig at være mere informativ end Rossby-indekset eller Blinova-indekset. En analyse af perioden for indekscyklussen i EOL-eksperimentet udført på den sydlige halvkugle gav en værdi på 18-23 dage. En undersøgelse af varigheden af ​​indekscyklussen på den nordlige halvkugle ved hjælp af spektrene for kinetisk og tilgængelig potentiel energi [11] førte til værdien af ​​indekscyklusperioden på 20-26 dage.

Det er af interesse at studere spektret af fluktuationer i informationsentropien af ​​karakteristikaene for atmosfærens generelle cirkulation. Undersøgelsen af ​​informationsentropien af ​​højden af ​​den isobariske overflade på 500 hPa på en breddegrad på 50 o for vinterhalvåret på den nordlige halvkugle viste [5] , at denne værdi, som karakteriserer målet for atmosfærisk orden og er ansvarlig kun for fænomenet indekscyklus, har et distinkt spektral maksimum svarende til en periode på 23 24 dage.

Perioden og amplituden af ​​indekscyklussen afhænger af temperaturforskellen mellem ækvator og pol. Processen under undersøgelse finder sted i hver halvkugle separat. Den gennemsnitlige årlige værdi af perioden for indekscyklussen på den nordlige halvkugle er omkring 25 dage, og på den sydlige halvkugle - 20 dage. Om vinteren øges amplituden af ​​processen, om sommeren falder den. På den nordlige halvkugle er minimumsværdien af ​​indekscyklusperioden 22 dage og falder i januar. Om sommeren stiger svingningsperioden hurtigt og når op på et maksimum på 53 dage i juli [12] .

Indekscyklussen findes også i fluktuationer i den interlatitudinelle forskel i atmosfærisk tryk, kendt som den arktiske oscillation . Velkendt for navigatører, den periodiske stigning i vinde over oceanerne, manifesteret i "stormcyklussen" , især udtalt i det sydlige ocean [13]  - dette er indekscyklussen.

I havet

Den kvalitative lighed mellem jetstrømmenes ustabilitet i atmosfæren og i havet er blevet påpeget mere end én gang. Processen med udvikling af bugter i havstrømmen ligner fænomenet med indekscyklussen. Ligesom indekscyklussen udvikler sig i atmosfæren, observeres periodisk passage af hvirvelpakker med en periode på ~ 1,5 år i Nordatlanten [14] . Denne ustabilitet fører til udsving i temperaturanomalier og isdækningsindekset. Numeriske eksperimenter på mesoskala havdynamik baseret på den hvirvelopløselige kvasi-geostrofiske model [15] afslørede selvsvingninger, der kvalitativt ligner indekscyklussen. Et lignende resultat blev opnået i modellen for mesoskala-cirkulation i det åbne hav [16] . Det har vist sig, at naturlige svingninger opstår i havet med en periode på omkring 2 år, hvor der sker en periodisk udveksling af energi mellem turbulent og ordnet bevægelse.

Det er kendt, at Golfstrømmen mister sin stabilitet nord for Kap Hatteras [17] . Teorien om indekscyklusfænomenet indikerer, at de hydrologiske forhold i denne region af havet svarer til en oscillationsperiode på ~1,8 år [18] . Et lignende skøn for den antarktiske cirkumpolære strøm giver en periode med svingninger af denne type på omkring 3 år.

Perioden og amplituden af ​​oscillationer af denne type bestemmes af vandtæthedsgradienten i retningen vinkelret på strømhastighedsvektoren i det område, hvor det mister stabilitet. På den anden side afhænger selve tæthedsgradienten af ​​processens fase. Denne situation medfører variationen af ​​oscillationsperioden (kvasi-periodicitet). Ustabiliteten af ​​havstrømme fører til, at varmeoverførslen forbundet med disse strømme fra ækvator til polerne bliver variabel, hvilket påvirker de hydrologiske forhold og følgelig vejret, især på høje breddegrader.

I atmosfæren på andre planeter

I Jupiters atmosfære observeres globale udsving, der ligner en indekscyklus, med en periode på omkring 11-13 år (perioden for Jupiters revolution omkring Solen er ~ 12 år). Numeriske eksperimenter med modellering af dynamikken i Mars- atmosfæren giver grund til at tro, at fluktuationer med en periode på 4-6 dage under solhverv ikke er andet end en indekscyklus. I atmosfæren i Neptun er der påvist udsving med en periode på 21 år af uklar karakter. Komparativ analyse af fluktuationer af indekscyklustypen i planetariske atmosfærer giver grund til at tro, at disse processer kvantitativt og kvalitativt ligner hinanden og muligvis ligner den 11-årige cyklus af solaktivitet [19] .

Vascillation

I 1951 satte Raymond Hyde , mens han arbejdede på University of Cambridge med problemet med det geomagnetiske felts oprindelse, eksperimenter med konvektion i en ikke-ensartet opvarmet roterende væske. I hans eksperimenter blev en farvet væske anbragt i et mellemrum mellem to koaksiale cylindre fastgjort sammen, hvis akse er placeret lodret og falder sammen med rotationsaksen. En konstant temperaturforskel blev opretholdt mellem karvæggene. Med nogle kombinationer af rotationsvinkelhastigheden og temperaturforskellen mellem cylindrene opdagede R. Hyde et usædvanligt fænomen, som han kaldte "vagillation"  - fra  engelsk.  -  "vascillation, swinging" [20] [21] . Bølgelignende strukturer dukkede op i væsken, og de synlige parametre - længden, amplitude, form (hældning) af disse bølger - ændrede sig periodisk. Sekundære hvirvler dukkede op på bølgernes bøjninger. Fremkomsten, udviklingen og den efterfølgende dissipation af bølger og turbulente bevægelser i eksperimenterne med R. Hyde var en ny, hidtil ukendt selvoscillerende hydrodynamisk proces, hvor væskens kinetiske energi periodisk blev pumpet mellem de turbulente og ordnede komponenter. Harold Jeffreys henledte R. Hydes opmærksomhed på det faktum, at den vascillation, han opdagede, ligner meget et lignende fænomen observeret i atmosfæren - indekscyklussen.

I numeriske eksperimenter

For at afsløre den fysiske natur af fænomenet vascillation, anvendte Edward Lorentz en to-niveau spektral matematisk model af rotationen af ​​en ujævnt opvarmet væske, reduceret til et system af fjorten almindelige differentialligninger. Numeriske eksperimenter med denne model har vist, at afhængigt af omdrejningshastigheden og temperaturforskellen mellem midten og periferien af ​​den cylindriske beholder, hvori væsken er placeret, observeres fire hovedtyper af strømning [22] :

• R1 er et stabilt aksesymmetrisk flow (opkaldt efter George Hadley "Hadley Regime"),
• R2 er et stabilt bølgestrømsregime (kaldet "Rossby-regimet"),
• R3 - vascillation,
• R4 - uregelmæssig (aperiodisk) ("Rossby-bølgeregime").

Det numeriske eksperiment bekræftede, at et fænomen, der ligner indekscyklussen i atmosfæren, observeres ved stabilitetsgrænsen. Undervejs opdagede E. Lorentz, at hans numeriske model er ustabil med hensyn til små ændringer i parametre og startbetingelser (" Sommerfugleeffekt "). Ved at undersøge beregningsprocessen på fasediagrammer fandt han ud af, at løsningen af ​​ligningssystemet, der simulerer vascillation, har en særlig karakter, kaldet den "mærkelige Lorentz-attraktor" . Denne opdagelse gav på den ene side anledning til et nyt blik på mekanismen for turbulensforekomst, og på den anden side til rimelig tvivl om den grundlæggende mulighed for numerisk at forudsige udviklingen af ​​synoptiske processer i atmosfæren i perioder, der kan sammenlignes med perioden for indekscyklussen. Heraf følger, at forståelsen af ​​indekscyklussens mekanisme spiller en nøglerolle i udviklingen af ​​numeriske metoder til vejrudsigt .

Se også

• Rossby vinker

Litteratur

1. ↑ Indekscyklus - Meteorologisk ordbog
2. ↑ Haltiner J. Martin F. Dynamisk og fysisk meteorologi. M .: Udenlandsk Litteratur - 1960. - 436 s.
3. ↑ Blinova E. N. Generel cirkulation af atmosfæren og hydrodynamisk langsigtet vejrudsigt // Tr. GMTs, 1967.—Iss. 15.-s.3-26.
4. ↑ Webster PJ, Keller JL Atmosfæriske variationer: vaklende og indekscyklusser // J. Atmos. Sci., 1975.-32.-s.1283-1300.
5. ↑ 1 2 Kriegel A. M., Odintsov V. A., Sigarev S. M. Om bestemmelse af perioden for indekscyklussen i atmosfæren // Bulletin fra Leningrad State University. universitet. Ser. 7.-1991.-Udgave 4(Nr. 28).-S.84-86.
6. ↑ Multanovsky B.P. De vigtigste bestemmelser i den synoptiske metode til langsigtede vejrudsigter. M.: Forlaget TSUEGMS, 1933.—140 s.
7. ↑ Willett HC Mønstre af verdens vejrændringer // Trans. amer. Geofys. Union, 1948.—29.—Nr. 6.—P.803-805 .
8. ↑ Willett HC Deskriptiv meteorologi. New York: Akademisk presse, 1944.—310 s.
9. ↑ Rossby C. -G., Willett HC Cirkulationen af ​​den øvre troposfære og den nedre stratosfære // Science, 1948. - 108. -No 2815.-s.643-652.
10. ↑ Word F., Shapiro R. Meteorologiske periodiciteter // J. Meteorol . - 1961. - 18. - P.635-656.
11. ↑ McGuirk JP, Reiter EP En vakling af atmosfæriske energiparametre // J. Atmos. Sci.— 1976.—33.—Nr. 11. —P.2079—2093.
12. ↑ Kriegel A. M. Om sæsonvariabiliteten af ​​varigheden af ​​indekscyklussen // Bulletin fra Leningrad State University. universitet. Ser. 7.-1990.-Udgave 1 (nr. 7).- S.119-120.
13. ↑ Thompson DWJ, Barnes EA Periodisk variabilitet i den store sydlige halvkugles atmosfæriske cirkulation // Science.— 2014.— 343. —s.641—645.
14. ↑ Seyidov D. G. Modellering af havets synoptiske og klimatiske variation. L.: Gidrometeoizdat.—1985.—207 s.
15. ↑ Holland WR, Haidvogel DB Om vaklen af ​​et ustabilt baroklinisk bølgefelt i en hvirvelopløsende model af den oceaniske generelle cirkulation // J. Phys. Ocean.—1981.— 11. —Nr . 4.
16. ↑ Neelov I. A., Chalikov D. V. Model for mesoscale cirkulation i det åbne hav // Oceanology.— 1981.— 21. —No.1.—S.5-11.
17. ↑ Stommel H. Golfstrømmen. En fysisk og dynamisk beskrivelse. Univ. af California Press. Berckley.—1965.—248 s.
18. ↑ Kriegel A. M., Pigulevskiy Yu. V. Om ligheden mellem oscillationer af indekscyklustypen i atmosfæren og i havet. universitet. Ser. 7.-1990.-udgave. 4 (nr. 28).— S.95-97.
19. ↑ Kriegel A. M. Om ligheden mellem langsomme svingninger i planeternes atmosfærer og solaktivitetens cyklus // Bulletin fra Leningrad State University. universitet. Ser. 7.— 1988.—Iss. 3 (nr. 21).—S.122—125.
20. ↑ Skjul R. Nogle eksperimenter med termisk konvektion i en roterende væske // Quart J. Roy. Meteorol. Soc., 1953.- 79. -Nr.339.-s.161.
21. ↑ Hide R. En eksperimentel undersøgelse af termisk konvektion i en roterende væske // Phil. Trans. Roy. soc. London, 1958.— A 250. —s.441—478.
22. ↑ Lorenz EN Vaklens mekanik // J. Atmos. Sci., 1963.- 20. -s.448-464.

• Kriegel A. Atmosfære på grænsen til orden og kaos // Viden er magt.-1989.-№ 8.-s.30-35.