Физика зональной циркуляции атмосферы, страница 3

Вращение Земли и атмосферная активность. Вариации вращения Земли обычно разделяют на две части: вариации скорости вращения, которые обычно фиксируются в виде наблюдаемых изменений длительности суток, и перемещение оси вращения относительно земной коры. Сезонные, годовые и межгодовые вариации длительности суток очень тесно связаны с глобальной атмосферной активностью. Сезонная вариация составляет приблизительно 0.4 мс, а полугодовая – 0.3 мс. Суперпозиция названных вариаций приводит к годовым минимумам в августе и в феврале. Сезонные вариации в основном возникают в результате трения атмосферы о неоднородности земной поверхности. Такое трение ведет к обмену угловым моментом между атмосферой и твердой землей. При этом около 90% сезонной вариации длительности суток обязано изменению скоростей ветров, а остальные 10 – изменению давления воздуха и океаническим возмущениям. К настоящему времени для многих флуктуаций длительности суток различных временных масштабов установлены надежные корреляции с соответствующими атмосферными процессами.

Амплитуда межгодовых флуктуаций длительности суток близка к амплитуде сезонных флуктуаций. Последние исследования определенно указывают на то, что большая часть межгодовых вариаций обусловлена изменчивостью атмосферы, а меньшая – океанических течений.

   Аналогичные корреляции установлены для вариаций положения географического полюса. Таким образом, высокоточные данные наблюдений вариаций длительности суток и перемещения полюса отражают интегральный эффект изменения взаимодействия между атмосферой и сушей. Эти изменения продуцируются исключительно изменениями глобальной циркуляции атмосферы. Неудивительно поэтому, что сравнение вариаций длительности суток, рассчитанных в рамках различных глобальных моделей циркуляции атмосферы, с вариациями, наблюдаемыми в действительности, предлагается использовать для оценки адекватности подобных моделей. Для нас, однако, гораздо большее значение имеет то, что долговременные вариации длительности суток могут служить указанием на изменение климата, проявляющееся в изменении глобальной циркуляции атмосферы. Длительность суток является в определенном смысле интегральной характеристикой глобальной циркуляции, и по изменению длительности суток гораздо легче судить об изменчивости глобальной циркуляции, чем изучая локальные характеристики последней.

С длительностью суток непосредственно связана величина относительного углового момента атмосферы. Момент импульса (угловой момент) зональных ветров определяется согласно формуле[4]

                                 .

где u зональная составляющая скорости ветра, R – расстояние до центра Земли, - плотность воздуха, dV – элемент объема атмосферы.

Величина h характеризует интенсивность зональной циркуляции атмосферы. Чем она больше, тем сильнее западные ветры по отношению к восточным и наоборот. С другой стороны, можно записать , где α­ – «средняя» угловая скорость вращения всей атмосферы относительно Земли, I – момент инерции атмосферы. Для последнего эмпирическая формула имеет вид

                .

Здесь t – время в сутках от начала года («юлианский день»). Из формулы видно, что с погрешностью 0.03% момент инерции атмосферы можно считать постоянным. Тогда , то есть, чем больше угловой момент атмосферы, тем быстрее в среднем она вращается  относительно поверхности Земли.

По средним многолетним данным угловой момент максимален () в переходные сезоны (начало декабря и начало мая) и минимален () в июле-августе. Таким значениям момента соответствуют угловые скорости вращения атмосферы с запада на восток, когда атмосфера делает один оборот вокруг Земли соответственно за 70 и 113 суток.

Как отмечалось ранее, изменения углового момента атмосферы зависят от «интенсивности» меридиональной циркуляции воздуха, которая, в свою очередь, определяется контрастом температур между экватором и полюсами.