Вихри в физике

Главная | Регистрация | Вход
Воскресенье, 22.10.2017, 22:05
Приветствую Вас Гость | RSS
Меню сайта
Категории раздела
Мои статьи [21]
Форма входа
Главная » Статьи » Мои статьи

Крупномасштабная циркуляция в океанах и морях. 1

Крупномасштабная циркуляция в морях и в океанах

(или всегда ли выполняется закон сохранения энергии?).

В океанологии уже не вызывает сомнений факт существования крупномасштабных циркуляций в океанах и в морях. При подведении же теоретической базы под эти циркуляции предложено достаточно много механизмов, в числе которых можно назвать вихревые волны Кельвина, вихревые волны Россби и др. [1], [2]. Не утихают споры и по поводу того, являются ли крупномасштабные циркуляции волнами, вихрями или просто реками в океане.

Но все эти споры беспредметны, т.к. самих вихрей, как таковых в этих спорах не существует. Ведь вращательное движение среды вихрем отнюдь не является. Вращение, скажем, применяется и в циклонах для разделения компонентов смеси. Но вне конструкции циклона это вращение самостоятельно существовать не может. Вихри же являются самодостаточными, упругими структурами, не спрашивая на то нашего разрешения возникающими в природе чуть ли не повсеместно.

Поэтому и непонятно о чём же собственно говорится в следующем высказывании [2] «Если бы дрифтёр двигался в вихре, то скорость его перемещения изменялась бы мало. На рис. 12 видно, что скорость изменяется как в волновом течении (Бондаренко А.Л. 2009). Скорость возрастает до максимального значения (1-2 м/сек), затем уменьшается до 5 см/сек, иногда поток почти останавливается, затем снова приходит в движение. Таким образом происходит движение в волновых течениях.»

О каком вихревом движении идёт речь? Вихревых движений существует всего два типа: вихри Тейлора и вихри Бенара. В вихре Тейлора частицы среды двигаются по окружностям. И в первом приближении можно считать, что тангенциальная скорость движения в вихре Тейлора практически постоянна (т.е. изменяется мало). В вихре же Бенара среда с одним направлением вращения двигается в одном направлении, а с другим направлением вращения среда двигается в противоположном направлении. О каком же вихревом движении идёт речь в приведённой цитате?

И в каком волновом течении скорость движения может изменяться от максимума до минимума? И почему она должна падать практически до нуля? В волновом движении от брошенного в воду камня течения как такового не существует. Поверхность воды по синусоиде двигается вертикально вверх и вертикально вниз, действительно останавливаясь в верхних положениях. Но где же здесь течение? К тому же дрифтёр это поплавок нейтральной плавучести, не имеющий возможности для вертикального волнового перемещения.

Волны, созданные ветром, двигаются со скоростью ветра (несколько от него отставая). А неужели эта ветровая волна когда-нибудь изменяет свою скорость или останавливается? Конечно же нет. Солитон? Но извините. Скорость распространения солитона практически постоянна и не может падать практически до нуля. Тогда каким же «Таким образом происходит движение в волновых течениях»??? И что понимается под волновым течением?

И всё же волна или вихрь?

Классическая волна является непрерывным образованием, в котором отдельно взятый любой из  её периодов автономно существовать и тем более перемещаться не может. Т.е. из классической волны не создать волнового течения (хотя скорость движения и изменяется в волне от максимума до минимума, в точках экстремума изменяя своё направление). Последовательность же солитонов можно рассматривать как последовательность частиц. Но солитон имеет форму округлого холма, который перемещается как единое целое, не изменяя своей формы [3]. Т.е. точки и на вершине холма, и у его основания двигаются с одной и той же скоростью. И никаких минимумов и максимумов скорости движения в солитоне не существует.

К тому же следует добавить, что внутренняя структура солитона в настоящее время всё ещё экспериментально не определена. Математическая же эквилибристика численных решений отнюдь не равноценна реальному натурному эксперименту. Поэтому в современной ситуации любое описание внутренней структуры солитона может осуществляться только на уровне ничем не подкреплённых домыслов.

Но прежде чем рассматривать к какому типу относятся крупномасштабные циркуляции морей и океанов, приведём несколько цитат. В работе [2] говорится «… движение крупномасштабной циркуляции показано в работе (Philip L. Richardson, 1991). На рис. 1 показаны траектории 230 дрифтёров, запущенных с 1972 по 1989 г.г. на глубинах до 2000 м. в северной Атлантике в районе Гольфстрима и прилегающих к нему. Статья начинается с фразы: «Здесь есть кое-что удивительное в поверхностных траекториях дрифтёров». Что же удивило авторов? Несмотря на то, что на одном рисунке приведены все траектории, что делает невозможным проследить за конфигурацией траектории каждого дрифтёра, ясно, что течение имеет вихревой и волновой характер. Из текста статьи следует, что половина дрифтёров совершали вращательное движение по часовой стрелке, другая половина против. Можно найти доводы в пользу вихревой структуры течений Гольфстрима, другие доводы свидетельствуют в пользу волновой природы наблюдаемых течений. Траектории дрифтёров имеют петлеобразный характер, авторы называют их Eddys

Рисунки 1, 2 и 3 взяты из работы [2].

Рисунок 1.

240 поплавков нейтральной плавучести

SOFAR (Sound Fixing And Ranging) в северной Атлантике на глубине от

700 до 2000 м. (Philip L. Richarson 1991).

Отметим, что удивившие авторов статьи экспериментальные данные свидетельствуют о том, что «половина дрифтёров совершали вращательное движение по часовой стрелке, другая половина против». И также отметим, что «Траектории дрифтёров имеют петлеобразный характер» (рис. 2).

Рисунок 2.

Три среднемасштабных вихря, проследовавших в восточной Атлантике

длительное время (Philip L. Richardson. 1991).

«Несмотря на то, что на одном рисунке приведены все траектории, что делает невозможным проследить за конфигурацией траектории каждого дрифтёра, ясно, что течение имеет вихревой и волновой характер.» Напротив абсолютно неясно, каким образом из приведённых рисунков можно сделать вывод о том, что движение имеет волновой характер. Изменение же направления вектора скорости на рис. 3 однозначно указывает на вихревой характер течения, но уж никак не на волновой его характер. Направление скорости в вихре изменяется непрерывно. В волновом же движении от брошенного в воду камня направление скорости движения меняется на противоположное дискретно (всего только дважды за период).

Рисунок 3

Временная серия векторов скорости течения. Дискретн. измерений-полчаса.

Май 1999 г. Зарегистрировано (сверху вниз): буй М на 2 м. буй N на глубине 9 м.,

29 м., 49 м., 69 м. и 94 м. По оси Y расположена шкала скорости в см/сек,

вверх-север, по оси X-время в сутках (Kelly et all, 2002).

Но если чего-то уж очень хочется, то почему бы и не сделать подарок себе любимому. И вопреки неопровержимым фактам делается вывод о волновом характере течения. А ларчик просто открывается. Ведь не одни  только авторы метеорологи понятия не имеют о том, что же собой представляют вихри. А ведь кроме вихрей Тейлора существуют ещё и вихри Бенара [4].

Рисунок 4.

Движение среды в вихре Бенара.

В классическом эксперименте Бенара вихри были расположены вертикально и имели два потока. По внутреннему потоку среда с одним направлением вращения поднималась вверх, а с противоположным направлением вращения опускалась вниз. На рис. же 4 вихрь Бенара уложен на бок, т.к. именно в таком положении он и может перемещаться в морях и в океанах.

При этом в центральном потоке скорость осевого движения постоянна на любом его радиусе. В периферийном же потоке скорость осевого движения уменьшается при увеличении радиуса. Тем не менее, скорость осевого движения на периферии вихря Бенара нулю не равна. А т.к. вихрь Бенара катится по своему окружению всей своей периферией, то скорость его перемещения в направлении движения внутреннего потока совпадает с абсолютной величиной скорости движения периферийного потока. В качестве примера можно привести колесо автомобиля, в котором в месте контакта с землёй колесо двигается в направлении противоположном направлению движения автомобиля.

Но в вершине и в основании вихря Бенара среда переходит из потока в поток. Как же она при этом двигается. При истечении воды из ванной формируется вихрь Бенара, который перемещается из ванны в трубу. Т.е. мы видим основание вихря. Во всей воронке вихря мы наблюдаем при этом одно направление вращения, совпадающее с направлением вращения внутреннего потока. Но в последний момент существования вихря в ванной мы видим противоположное направление вращения. Т.е. мы видим вершину вихря, направление вращения в которой совпадает с направлением вращения периферийного потока. Поэтому на рис. 4 направление вращения среды в основании и в вершине вихря выделено цветом, совпадающим с цветом соответствующего потока.

В работе [5] приведена схема течения в узкой приэкваториальной зоне (рис. 5).

Рисунок 5.

Линии токов волн Россби в узкой приэкваториальной зоне (2° – 3° от Экватора на север и юг) в виде эллипсов со стрелками (вектор волновых течений) и её окружение. Сверху – вид по вертикальному сечению вдоль Экватора (А), снизу – вид сверху на течение. Голубым и синим цветом выделена область подъёма на поверхность холодных глубинных вод, желтым – область опускания на глубину теплых поверхностных вод [Бондаренко, Жмур, 2007].

Если схема поверхностного течения ещё как-то похожа на природные реалии, то схема вертикального разреза течения к природным реалиям никакого отношения не имеет. Не может один и тот же природный объект иметь черты как вихря Тейлора (вертикальный разрез течения), так и вихря Бенара (горизонтальное сечение течения). К тому же согласно рис. 5А апвеллинг и даунвеллинг  происходят с постоянством восхода и захода солнца. Следовательно, поверхностный слой океана должен равномерно этим перемешиваться. И при таком характере течения холодных пятен на поверхности океана быть не может.

На самом же деле рис. 5 абсолютно нереален. Согласно рис. 5А получается, что вихрь непонятно по чему катится. Если он катится по нижележащему слою воды, то почему направление распространения волн противоположно направлению движения крупномасштабного течения? Другими словами, автомобиль катится в том же направлении, в котором двигается колесо в месте контакта с землёй. Такого же быть не может. Т.е. согласно рис. 5А получается, что колесо вихря катится по ???твёрдой??? поверхности воздуха. Ещё более абсурдно.

Но рис. 5Б уже не столь абсурден. Два колёсных вихря катятся в месте контакта друг по другу. Т.е. ничего и никуда они перемещать не могут. Значит, перемещение обоих колёсных вихрей может осуществляться только их противоположными сторонами. Следовательно, направление движения крупномасштабного течения должно совпадать с направлением движения вихревых колёс в месте их контакта. Это и изображено на рис. 5Б.

Но судя по пятну апвеллинга и рис. 5А, и рис. 5Б представляют одну и ту же природную конструкцию, разрезанную в одном случае по вертикали и в другом случае по горизонтали. Но каким же образом двурогого быка рис. 5Б можно скрестить с единорогом рис. 5А? Лично у меня пространственного воображения для этого не хватает. К тому же рис. 5 описывает, скажем, только северную часть крупномасштабного течения или на рис. 5 изображены обе стороны от экватора? Но тогда как течение рис. 5А может делиться на северную и на южную части? Подобных же проблем не возникает для осесимметричного вихря Бенара.

Рисунок 6.1

Схема осевого движения среды в вихре Бенара.

Рисунок 6.2

Схема тангенциального движения среды в вихре Бенара.

На рисунке 6.1 показаны осевые направления среды в вихре Бенара. На рис. же 6.2 показаны тангенциальные направления движения среды в вихре Бенара. А чтобы не загромождать рисунок, внутренний поток на рис. 6.2 размещён не в центре наружного потока, а рядом с ним. Внешний же поток является кольцом, а не кругом. При этом, конечно же, как будет показано ниже, во внешнем потоке среда делает большее число оборотов по сравнению с числом оборотов во внутреннем потоке.

Вспомним, что «Траектории дрифтёров имеют петлеобразный характер». Движение среды в вихре Бенара как раз и формирует петлеобразный характер движения дрифтёров. Ведь площадь сечения внутреннего потока вихря Бенара меньше площади сечения кольца его внешнего потока. А в первом приближении сколько среды проходит по внутреннему потоку, столько же среды проходит и по внешнему потоку. Т.е. осевая скорость движения среды во внутреннем потоке больше осевой скорости движения среды во внешнем потоке. А т.к. сам вихрь перемещается в направлении движения внутреннего потока, то дрифтёр, попадая из внутреннего потока во внешний поток (т.е. двигаясь в нём в обратном направлении) и обратно во внутренний поток, демонстрирует петлеобразное движение.

Рисунок 7

Траектория дрифтёра, переходящего из потока в поток.

Горизонтальными стрелками на рис. 7 показаны направления движения во внутреннем и во внешнем потоках. Красным цветом выделена траектория движения дрифтёра, переходящего из внутреннего потока в наружный и обратно. Красной горизонтальной стрелкой показано общее направление движения дрифтёра. Ведь скорость внутреннего потока больше скорости наружного потока. Поэтому в целом дрифтёр двигается в направлении внутреннего потока, отставая от него за счёт времени нахождения в наружном потоке (стоит отметить, что дрифтёр перемещается из потока в поток не по тому же радиусу, по которому он входил в него: вращательная компонента движения переместит его на другой радиус). А т.к. вихрь Бенара в своём движении опережает движение дрифтёра, то последний обязательно попадёт в основание вихря, переходя в нём в вершину следующего вихря.

Находясь во внутреннем потоке вихря, дрифтёр двигается со скоростью суммы скорости движения внутреннего потока и абсолютной величины скорости движения наружного потока (ведь наружный поток катится по окружающей водной среде в направлении движения внутреннего потока). В наружном же потоке скорость движения дрифтёра должна падать практически до нуля (ведь его движение с наружным потоком в обратном направлении практически компенсируется его движением в составе вихря в целом в направлении движения внутреннего потока). Отметим, что в наружном потоке вихря Бенара скорость движения среды несколько уменьшается в направлении периферии.

 Причём, попав в основание или в вершину вихря Бенара, дрифтёр переходит из потока одного вихря в поток другого вихря (что изображено на рис. 7 вертикальной стрелкой). К тому же «половина дрифтёров совершали вращательное движение по часовой стрелке, другая половина против». А это является неотъемлемым признаком вихря Бенара: направления вращения среды в его потоках прямо противоположны друг другу (как это и изображено на рис. 6.2). А т.к. дрифтёр двигается от вершины вихря к его основанию, то направление скорости его вращения  постоянно изменяется, что и демонстрирует рис. 3.

Т.к. дрифтёр является поплавком нейтральной плавучести, то он способен перемещаться только в горизонтальном направлении. Поэтому в горизонтальном направлении дрифтёр, попавший в центральную часть вихря, часть пути вращался по часовой стрелке, а часть пути (попав во внешнюю часть вихря) вращался против часовой стрелки (а т.к. на рис. 1 дрифтёры двигались на глубине от 700 до 2000 м., то  они и разделились поровну по направлению вращения). Попав же в сектора вихря, в которых присутствовал только его внешний поток, дрифтёр мог вращаться в одном направлении.

Вихрь же Тейлора имеет следующий вид.

Рисунок 8.

Движение среды в вихре Тейлора.

Движение среды в вихре Тейлора действительно осуществляется по кругу (причём по внутренним окружностям вращение идёт по тому же направлению), как это принято на рис. 5 для вертикального разреза течения. Но существует одно очень маленькое, но весьма неприятное для рис. 5 НО… Если вихрь Бенара двигается в направлении оси, то ось вихря Тейлора всегда направлена поперёк направления движения вихря. А диаметр вихря Тейлора существенно меньше его длины по оси. К тому же в вертикальном направлении можно с одиночного вихря получить течение и противотечение. Но абсолютно неясно как получить противотечения по горизонтали.

Поэтому о крупномасштабной циркуляции порядка сотен км. (расположенной в направлении перпендикулярном направлению движения крупномасштабной циркуляции) в случае вихря Тейлора нечего и говорить. Поэтому все течения в океанах могут формироваться только и только последовательностями вихрей Бенара, двигающимися в направлении оси. Для последовательности же вихрей Бенара естественно возникают противотечения как по вертикали, так и по горизонтали.

Рисунок 9

Последовательность вихрей Бенара

На рис. 9 изображена последовательность из 4 вихрей Бенара. Т.к. на рис. 6.2 уже продемонстрировано вращение внутреннего и внешнего потоков, то на рис. 9 внутренний поток изображён внутренним потоком. Между первым и вторым вихрем оставлен просвет. Наружный поток вихря Бенара вроде бы двигается в направлении обратном направлению движения самого вихря. Но вихрь это аналог подшипника, трение скольжения заменяющий трением качения. А т.к. по окружению вихрь катится своей периферией, то последовательность вихрей двигается справа налево в направлении движения внутреннего потока. Направления же вращения внутреннего и наружного потоков противоположны друг другу, что показано стрелками разного цвета.

Т.е. и в вертикальном, и в горизонтальном направлениях противотечения действительно существуют. Причём, образно говоря, противотечения симметричны относительно центра (если не учитывать изменения величины давления с глубиной, что отменяет симметрию). Но тем не менее, противотечение внешнего потока вихря Бенара по отношению к его внутреннему потоку перемещает сам вихрь в направлении движения его внутреннего потока. Следовательно, и сам внешний поток, катясь по окружению, всё же перемещается в направлении движения внутреннего потока. Повторим ещё раз. Из классического эксперимента Бенара очевидно, что направления движения внутреннего и внешнего потока вихря противоположны. А тем не менее, сам вихрь (в том числе и его внешний поток) перемещается в направлении движения внутреннего потока.

Литература.

  1. Бондаренко А.Л. Крупномасштабные течения и долгопериодные волны Мирового Океана. 2011г. http://meteoweb.ru/articles.php 8 http://lib.oceanographers.ru/component/option,com_booklibrary/task,view/id,82/catid,29/Itemid,39/
  2. Виктор Шевьёв. Основные закономерности образования крупномасштабных циркуляций в океанах и морях. http://www.randewy.ru/gml/shev1.html
  3. Библиотечка квант. Выпуск 48 А.Т. Филиппов. Многоликий солитон.
  4.   Г. Шлихтинг. Теория пограничного слоя. "Наука”, М. 1969.
  5.   Бондаренко А.Л. Основные закономерности формирования атмосферных вихрей http://meteoweb.ru/2010/aao004.php
  6.  Sirovich L., Ball K. L., Keefe L. R. Plane waves and structures in turbulent channel flow. Phys Fluids A2 (12), December 1990, 2217-2226
  7. Ю.С. Потапов, Л.П. Фоминский, С.Ю.Потапов «Энергия вращения», гл. 6 http://www.twirpx.com/file/42276/?rand=2666677
  8.   Букреев В.С. Механизм формирования ураганов. http://bvas81240.ucoz.ru/publ/mekhanizm_formirovanija_uraganov/1-1-0-14
  9. FAQ о тропических циклонах (ураганах, тайфунах) Игорь Кибальчич (г. Одесса) http://meteoweb.ru/2010/phen072.php
  10. http://planeta.moy.su/blog/vizualizacija_beskonechnogo_tanca_okeanskikh_techenij/2012-04-03-17580
  11. И. Кибальчич. Суперячейки. http://meteoweb.ru/2010/phen071.php

Категория: Мои статьи | Добавил: Василий (05.05.2012)
Просмотров: 4713 | Комментарии: 1 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 1
1  
Замечена строгая закономерность, там где есть водовороты, в океанах морях и озерах, там есть приливы и отливы, а там где нет водоворотов, там нет приливов и отливов...Просторы мирового океана, сплощь покрыты водоворотами, а водовороты обладают свойством гироскопа(юлы) сохранять вертикальное положение оси в пространстве, независимо от вращения Земли...Если смотреть на Землю со стороны Солнца, водовороты вращаясь вместе с Землей, опрокидываются два раза в сутки, благодаря чему ось водоворотов прецессирует (1-2 градусов) и отталкивает от себя волну-солитон. В результате образуются приливы и отливы, стоячие волны и вертикальное перемещение океанических вод. Волна убийца, результат столкновения солитонов, двух соседних водоворотов... Средиземное море считается без приливным, но около Венеции и на проливе Эврипос, на востоке Греции, приливы и отливы бывают до одного метра и больше. И это считается одной из загадок природы, но в тоже время, Итальянские физики, обнаружили на востоке Средиземного моря, на глубине более трех километров цепочки подводных водоворотов, по десять километров в диаметре каждый. Из этого можно сделать вывод, что вдоль побережья Венеции, на глубине нескольких километров, находится цепь подводных водоворотов... Причиной приливов и отливов в Белом море, полагаю является не Лунная приливная волна движущаяся с Сибири, а волна создаваемая подводными или надводными водоворотами, вращаемые ветрами и впадающими в бухты Белого моря реками. Порой в Белом море приливы и отливы в некоторых местах таинственно исчезают, на целую неделю.. Если бы в Черном море сушествовали водовороты как и в Белом море, то приливы и отливы были бы более значительней... Поверхность Земли вращается относительно Луны со скоростью около 1500км. в час. И если допустить что приливной горб всегда направлен в сторону Луны, то волна высотой 0,5метров и шириной 25км. движущаяся со сверхзвуковой скоростью, выравняла бы все континенты. А движения приливного горба с меньшей скоростью, допустить не возможно, тогда горб будет вращаться, в сторону врашения Земли, независимо от тяготения Луны... ОТЗЫВЫ НА ГИПОТЕЗУ: Пивоваров В И. http://fizika97.narod.ru/news/besedy_o_sushhnosti_fiziki_polja_beseda_11/2013-06-19-12 Мысль очень интересная. Водовороты, конечно же, существуют. Понятно и то, что они прецессируют. Это ясно без доказательства. Эти колебания просто обязаны создавать волны. Причём, именно в виде солитонов с огромной длиной волны. По-моему, вполне приемлимоеь объяснение приливов. Поздравляю, ибо до сих пор приливам нет достойного объяснения. И ещё. Столкновение длинноволновых солитонов вполне может привести к коротковолновым цунами. По-моему, и тут Вы правы.... Форум-"Гипотеза: Приливы и отливы. Волны убийцы.Солитоны". http://x-faq.ru/index.php?topic=3038.0 . "Безопорный движитель"-YouTube. http://www.youtube.com/watch? v=Cdswu5cSM4k&app=desktop

Имя *:
Email *:
Код *:
Поиск
Друзья сайта
  • Официальный блог
  • Сообщество uCoz
  • FAQ по системе
  • Инструкции для uCoz

  • Бесплатный хостинг uCoz