Эмил Станев - По программе ПОЛИМОДЕ в Бермудском треугольнике

Быстрое развитие океанографии в последние двадцать лет привело к коренным изменениям в этой области. Ранее считалось, что существующие теории достаточно доступно и правильно объясняют явления, обусловливающие специфический характер движения в океане. С расширением и углублением исследований положение существенно изменилось. Сегодья в океанографической теории и практике главный упор делается на изучение внутренней структуры течений. Отсюда и главная трудность. Оказывается, что течения меняются во времени и пространстве, поэтому кажется, что невозможно раз и навсегда определить динамический облик океана.

Взять хотя бы кольца Гольфстрима. Как уже известно, они образуются после того, как течение выйдет за пределы континентального шельфа. Но одни из них образуются западнее, другие — восточнее. Одни кольца распространяются севернее течения, другие — на юг от него. Пути колец в океане различны, как и различно время их существования. Кроме того, кольца отличаются друг от друга размерами и т. д. Означает ли это, что все океанические течения хаотичны и абсолютно не поддаются описанию? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны хотя бы вкратце рассмотреть некоторые общие свойства движущейся жидкости.

Движение жидкости можно разделить на два вида — ламинарное и турбулентное. У ламинарных течений (обычно медленных) струя представляет собой единое целое и обмен между разными слоями течения происходит на молекулярном уровне. Это означает, что из одного слоя молекулы — носители определенных свойств переходят в соседний слой, тем самым передавая молекулам этого слоя свои свойства. При возрастании скорости силы молекулярного трения не могут «погасить» возмущения, возникающие в струе, вследствие чего ее устойчивость уменьшается. Таким образом создаются условия для проникновения целых объемов из одного слоя теченйя в другой, с сохранением специфических характеристик (температура, соленость, содержание газов и др.). Этот вид движений называется турбулентным. В отличие от ламинарных, которым присуща упорядоченность движущихся частиц, турбулентное движение отличается хаотичностью.

При изучении некоторых сложных явлений в науке очень часто используется метод сравнения их с более простыми. Случай с турбулентным движением аналогичен. При этом считается, что «перескакивающие» из слоя в слой частицы подобны молекулам в ламинарном потоке. Разница, однако, в том, что при турбулентном движении диффундирующие объемы несоизмеримо крупнее молекул. Иными словами, переносимая субстанция гораздо больше, чем в ламинарном потоке. Существуют и другие принципиальные различия. В то время как за молекулой можно наблюдать длительное время (примером тому — движение макромолекул), турбулентные порции, или как их еще называют — турбулентные вихри, спустя некоторое время растворяются в окружающей их жидкости.

Принято считать, что роль турбулентных вихрей аналогична роли молекул в медленно движущихся средах. Как движение молекул приводит к выравниванию в пространстве всех характеристик, так и турбулентный обмен ведет к полному смешиванию жидкостей. Подобно молекулярному трению, существует и турбулентное, только оно намного сильнее первого.

По мнению советского ученого А. Н. Колмогорова, турбулизация в жидкой среде происходит следующим образом. После того, как струя теряет свою устойчивость, от нее начинают отрываться большие турбулентные вихри. Они также являются неустойчивыми образованиями (у них свое время существования или пути смешивания). Дробление вихрей идет до тех пор, пока вся энергия вихря не диссипирует, т. е. превратится в теплоту. Этот каскадный процесс лежит в основе превращения энергии струи в энергию вихря, а затем в теплоту.

В настоящее емя одновременное изучение всех видов океаническ. э и атмосферного движений — от мельчайших до соизмеримых с размерами нашей планеты — невозможно. Но тем не менее было бы неправильным не учитывать при описании общей циркуляции океана мелкие процессы. В таком случае они должны быть включены, или, выражаясь научным языком, параметризированы, т. е. необходимо найти какое‑то количественное выражение их влияния на макромасштабные процессы.

Так каково же отношение турбулентности к океаническим вихрям и кольцам? В отличие от атмосферных циклонов и антициклонов, вихри в океане отличаются небольшими размерами. Поэтому необходимо при численном моделировании циркуляции океана или при измерении океанических полей использовать небольшие пространственные интервалы. Так, при размерах вихря 200 км измерения или расчеты следует проводить примерно через каждые 20 км. Легко подсчитать, что если мы захотим покрыть Мировой океан сеткой, узлы которой будут расположены через каждые двадцать километров, таких точек будет почти миллион. Уровень современных технических возможностей и несовершенство электронно — вычислительных машин в настоящее время исключают это. Значит, нужно параметризировать влияние циклонов и антициклонов в океане на крупномасштабные движения. А чем синоптические возмущения отличаются от турбулентных вихрей?