Indexový cyklus

Indexový cyklus ( vascilace ) je jev hydrodynamické nestability rotace nerovnoměrně ohřáté kapaliny nebo plynu, původně objevený jako kvaziperiodická změna indexu zonální cirkulace atmosféry [1] [2] . Charakteristickým rysem takové nestability je periodická výměna energie mezi uspořádaným a neuspořádaným pohybem. Podobný proces je pozorován v oceánských proudech, při laboratorních experimentech s rotující nerovnoměrně zahřátou kapalinou, v atmosférách jiných planet, případně v kapalném jádru planety, v rotujících hvězdách a v akrečních discích .

Indexy atmosférické cirkulace

• Carl-Gustav Arvid Rossby navrhl charakterizovat rotaci atmosféry vůči Zemi pomocí „indexu cirkulace“ (Rossby)  – průměrné zonální geostrofické rychlosti větru vypočítané pro každou zónu z průměrného poledníkového tlakového gradientu atmosféry (resp. výšky izobarického povrchu). KG. Rossby doporučil rozdělit troposféru do následujících zeměpisných zón, z nichž každá je charakterizována svým vlastním indexem cirkulace.

• Ekaterina Nikitichna Blinova  [ 3] navrhla  vyhodnotit relativní rotaci atmosféry pomocí indexu (Blinovská hodnota indexu A=1 odpovídá lineární rychlosti větru ~ 23 cm/s.)

• P. Webster a J. Keller [4] použili poměr kinetické energie turbulence ke kinetické energii uspořádaného pohybu, měřenou ve třech pásmech zeměpisné šířky: 30 o -40 o , 40 o -50 o , 50 o -60 o jižní polokoule.

• Stupeň uspořádanosti atmosférické cirkulace lze měřit informační entropií . Jako velmi výhodná metoda pro studium jevu indexového cyklu se ukázalo využití informační entropie výšky izobarického povrchu na polokouli [5] .

Existují další metody pro kvantifikaci typu obecné cirkulace atmosféry.

Index Cyklus Fenomén

• Již v roce 1878 si J. B. Spindler všiml, že cyklóny přicházejí z Atlantiku na evropský kontinent nikoli jeden po druhém, ale v sérii. Tato skutečnost nepřímo naznačuje, že v atmosféře může existovat nějaký druh globálního periodického procesu, který ovlivňuje cyklogenezi.
• V roce 1915 B. P. Mul’tanovsky [6] poznamenal, že synoptické procesy mohou být typizovány. Do meteorologie zavedl pojem „elementární synoptický proces“, jehož trvání je přibližně 2-4 dny. Podle B. P. Multanovského jsou elementární synoptické procesy seskupeny do „přirozeného synoptického období“ – konceptu generovaného cykličností synoptických procesů.
• V roce 1944 H. Willett [7] [8] a K.-G. Rossby [9] (University of Chicago) zjistil, že v atmosféře je pozorováno kvaziperiodické střídání různých typů atmosférické cirkulace. Stav se zvýšenou rychlostí uspořádané cirkulace („vysoký index“), kdy je energie turbulentních struktur snížena, se střídá s opačnou situací („nízký index“), kdy energie turbulence (cyklogeneze) dosahuje maxima. . Objevený meteorologický jev byl nazván „indexový cyklus“ .

V atmosféře

Podle H. Willetta a K.-G. Období cyklu Rossbyho indexu je přibližně 3-4 týdny. Pro přesné určení periody indexového cyklu bylo opakovaně studováno spektrum pozorovacích řad obou cirkulačních indexů a dalších charakteristik stavu atmosféry. Ukázalo se však, že spektrum atmosférických procesů je poměrně složité, obsahuje mnoho harmonických v intervalu 5–50 dní. Není jasné, která konkrétní harmonická je zodpovědná za hlavní proces a která je sekundární. Časové spektrum fluktuací meteorologických charakteristik atmosféry obsahuje výrazné denní a roční cykly a jejich harmonické. Existence dalších skrytých periodických procesů je velmi pochybná kvůli jejich nízké statistické významnosti [10] . Určení periody cyklu indexu ze spektra časových řad je komplikované z toho důvodu, že amplituda a perioda cyklu se v atmosféře mění nejen v průběhu roku, ale i od fluktuace k fluktuaci, což dává vzniknout obecnému skepse ohledně existence tohoto jevu v přírodě.

Studium energetických charakteristik atmosféry, zejména poměru energie turbulence k energii uspořádaného pohybu, se ukázalo být informativnější než Rossbyho index nebo Blinova index. Analýza periody indexového cyklu v experimentu EOL prováděném na jižní polokouli poskytla hodnotu 18–23 dní. Studium délky cyklu indexu na severní polokouli pomocí spekter kinetické a dostupné potenciální energie [11] vedlo k hodnotě periody cyklu indexu 20–26 dní.

Je zajímavé studovat spektrum fluktuací informační entropie charakteristik obecné cirkulace atmosféry. Studium informační entropie výšky izobarického povrchu 500 hPa v zeměpisné šířce 50 o pro zimní půlrok na severní polokouli ukázalo [5] , že tato hodnota, která charakterizuje míru uspořádání atmosféry a je odpovědná pouze pro jev indexového cyklu, má jedno zřetelné spektrální maximum odpovídající periodě 23 24 dnů.

Perioda a amplituda indexového cyklu závisí na teplotním rozdílu mezi rovníkem a pólem. Zkoumaný proces probíhá v každé hemisféře zvlášť. Průměrná roční hodnota období indexového cyklu na severní polokouli je asi 25 dní a na jižní polokouli - 20 dní. V zimě se amplituda procesu zvyšuje, v létě klesá. Na severní polokouli je minimální hodnota období cyklu indexu 22 dní a připadá na leden. V létě se doba oscilace rychle prodlužuje a v červenci dosahuje maxima 53 dnů [12] .

Cyklus indexu se také nachází ve fluktuacích mezilehlého rozdílu v atmosférickém tlaku, známém jako arktická oscilace . Navigátorům dobře známý periodický nárůst větrů nad oceány, který se projevuje v „cyklu bouří“ , zvláště výrazný v jižním oceánu [13]  - to je indexový cyklus.

V oceánu

Na kvalitativní podobnost mezi nestabilitou tryskových proudů v atmosféře a v oceánu bylo již více než jednou poukázáno. Proces vývoje meandrů v oceánském proudu připomíná fenomén indexového cyklu. Stejně jako se indexový cyklus vyvíjí v atmosféře, je v severním Atlantiku pozorován periodický průchod vířivých paketů s periodou ~ 1,5 roku [14] . Tato nestabilita vede ke kolísání teplotních anomálií a indexu ledové pokrývky. Numerické experimenty dynamiky oceánů v mezoměřítku založené na kvazi-geostrofickém modelu s rozlišením vírů [15] odhalily vlastní oscilace kvalitativně podobné indexovému cyklu. Obdobný výsledek byl získán v modelu mezoměřítkové cirkulace v otevřeném oceánu [16] . Bylo zjištěno, že přirozené oscilace vznikají v oceánu s periodou asi 2 let, ve kterých dochází k periodické výměně energie mezi turbulentním a uspořádaným pohybem.

Je známo, že Golfský proud ztrácí stabilitu severně od Cape Hatteras [17] . Teorie jevu indexového cyklu naznačuje, že hydrologické podmínky této oblasti oceánu odpovídají periodě oscilace ~1,8 roku [18] . Podobný odhad pro Antarktický cirkumpolární proud udává periodu oscilací tohoto typu asi 3 roky.

Perioda a amplituda kmitů tohoto typu je určena gradientem hustoty vody ve směru kolmém na vektor rychlosti proudu v oblasti, ve které ztrácí stabilitu. Na druhé straně samotný gradient hustoty závisí na fázi procesu. Tato situace s sebou nese proměnlivost periody oscilace (kvaziperiodicita). Nestabilita oceánských proudů vede k tomu, že přenos tepla spojený s těmito proudy od rovníku k pólům se stává proměnlivým, což ovlivňuje hydrologické podmínky a v důsledku toho počasí, zejména ve vysokých zeměpisných šířkách.

V atmosférách jiných planet

V atmosféře Jupiteru jsou pozorovány globální fluktuace připomínající indexový cyklus s periodou asi 11–13 let (období Jupiterovy revoluce kolem Slunce je ~ 12 let). Numerické experimenty na modelování dynamiky atmosféry Marsu dávají důvod se domnívat, že fluktuace s periodou 4-6 dnů během slunovratů nejsou nic jiného než indexový cyklus. V atmosféře Neptunu byly zjištěny výkyvy s periodou 21 let nejasného charakteru. Srovnávací analýza fluktuací typu indexového cyklu v planetárních atmosférách dává důvod se domnívat, že tyto procesy jsou si navzájem kvantitativně a kvalitativně podobné a možná i podobné 11letému cyklu sluneční aktivity [19] .

Vascilace

V roce 1951 Raymond Hyde , zatímco pracoval na University of Cambridge na problému původu geomagnetického pole, připravil experimenty s konvekcí v nerovnoměrně zahřáté rotující tekutině. V jeho experimentech byla barevná kapalina umístěna do mezery mezi dvěma souosými válci spojenými dohromady, jejichž osa je umístěna svisle a shoduje se s osou otáčení. Mezi stěnami nádoby byl udržován konstantní teplotní rozdíl. S některými kombinacemi úhlové rychlosti otáčení a rozdílu teplot mezi válci objevil R. Hyde neobvyklý jev, který nazval „kolísání“  – z  angličtiny.  -  "vascilace, houpání" [20] [21] . V kapalině se objevovaly vlnovité struktury a viditelné parametry – délka, amplituda, tvar (sklon) těchto vln – se periodicky měnily. Na ohybech vln se objevily sekundární víry. Vznik, vývoj a následná disipace vln a turbulentních pohybů v experimentech R. Hydea byl nový, dříve neznámý samooscilační hydrodynamický proces, při kterém byla kinetická energie tekutiny periodicky pumpována mezi turbulentní a uspořádané složky. Harold Jeffreys upozornil R. Hydea na skutečnost, že jím objevená vaskulace je velmi podobná podobnému jevu pozorovanému v atmosféře – indexovému cyklu.

V numerických experimentech

K odhalení fyzikální podstaty fenoménu vaskulace Edward Lorentz aplikoval dvouúrovňový spektrální matematický model rotace nerovnoměrně ohřáté tekutiny, zredukovaný na systém čtrnácti obyčejných diferenciálních rovnic. Numerické experimenty s tímto modelem ukázaly, že v závislosti na rychlosti otáčení a na rozdílu teplot mezi středem a okrajem válcové nádoby, ve které je kapalina umístěna, jsou pozorovány čtyři hlavní typy proudění [22] :

• R1 je stabilní osově symetrický tok (pojmenovaný po George Hadley "Hadley Regime"),
• R2 je stabilní režim proudění vln (nazývaný „Rossbyho režim“),
• R3 - vaskulace,
• R4 - nepravidelný (aperiodický) ("Režim Rossbyho vlny").

Numerický experiment potvrdil, že na hranici stability je pozorován jev podobný indexovému cyklu v atmosféře. E. Lorentz cestou zjistil, že jeho numerický model je nestabilní s ohledem na malé změny parametrů a počátečních podmínek (" Motýlí efekt "). Zkoumáním výpočtového procesu na fázových diagramech zjistil, že řešení soustavy rovnic simulujících vaskulace má zvláštní charakter, nazývaný "podivný Lorentzův atraktor" . Tento objev dal vzniknout na jedné straně novému pohledu na mechanismus vzniku turbulencí a na straně druhé důvodné pochybnosti o zásadní možnosti numericky předpovídat vývoj synoptických procesů v atmosféře na období srovnatelná s tzv. období indexového cyklu. Z čehož vyplývá, že pochopení mechanismu indexového cyklu hraje klíčovou roli ve vývoji numerických metod předpovědi počasí .

Viz také

• Rossby mává

Literatura

1. ↑ Indexový cyklus - Meteorologický slovník
2. ↑ Haltiner J. Martin F. Dynamická a fyzikální meteorologie. M .: Zahraniční literatura - 1960. - 436 s.
3. ↑ Blinova E. N. Obecná cirkulace atmosféry a hydrodynamická dlouhodobá předpověď počasí // Tr. GMTs, 1967.-Is. 15.-str.3-26.
4. ↑ Webster PJ, Keller JL Atmosférické variace: cykly kolísání a indexu // J. Atmos. Sci., 1975.-32.-s.1283-1300.
5. ↑ 1 2 Kriegel A. M., Odintsov V. A., Sigarev S. M. O stanovení periody indexového cyklu v atmosféře // Bulletin Leningradské státní univerzity. univerzita. Ser. 7.-1991.-Vydání 4 (č. 28).-S.84-86.
6. ↑ Multanovsky B.P. Hlavní ustanovení synoptické metody dlouhodobých předpovědí počasí. M.: Nakladatelství TSUEGMS, 1933.—140 s.
7. ↑ Willett HC Vzory změn světového počasí // Trans. amer. Geophys. Union, 1948.—29.—Č. 6.—S.803-805 .
8. ↑ Willett HC Deskriptivní meteorologie. New York: Academic press, 1944.—310 s.
9. ↑ Rossby C. -G., Willett HC Cirkulace horní troposféry a spodní stratosféry // Science, 1948. - 108. -No 2815.-s.643-652.
10. ↑ Word F., Shapiro R. Meteorologické periodicity // J. Meteorol . - 1961. - 18. - S.635-656.
11. ↑ McGuirk JP, Reiter EP Kolísání parametrů atmosférické energie // J. Atmos. Sci.— 1976.—33.—Č. 11. —P.2079—2093.
12. ↑ Kriegel A. M. O sezónní proměnlivosti trvání indexového cyklu // Bulletin Leningradské státní univerzity. univerzita. Ser. 7.-1990.-Vydání 1 (č. 7).- S.119-120.
13. ↑ Thompson DWJ, Barnes EA Periodická variabilita v rozsáhlé atmosférické cirkulaci jižní polokoule // Science.— 2014.— 343. —s.641—645.
14. ↑ Seyidov D. G. Modelování synoptické a klimatické variability oceánu. L.: Gidrometeoizdat.—1985.—207 s.
15. ↑ Holland WR, Haidvogel DB O kolísání nestabilního baroklinického vlnového pole v modelu oceánské obecné cirkulace s rozlišením vírů // J. Phys. Oceán.—1981.— 11. —Č.4 .
16. ↑ Neelov I. A., Chalikov D. V. Model mezoměřítkové cirkulace v otevřeném oceánu // Oceánologie.— 1981.— 21. —Č . 1.—S.5-11.
17. ↑ Stommel H. Golfský proud. Fyzický a dynamický popis. Univ. z California Press. Berckley.—1965.—248 stran.
18. ↑ Kriegel A. M., Pigulevskiy Yu. V. O podobnosti mezi oscilacemi typu indexového cyklu v atmosféře a v oceánu. univerzita. Ser. 7.-1990.-vydání. 4 (č. 28).— S.95-97.
19. ↑ Kriegel A. M. O podobnosti mezi pomalými oscilacemi v atmosférách planet a cyklem sluneční aktivity // Bulletin Leningradské státní univerzity. univerzita. Ser. 7.— 1988.—Is. 3 (č. 21).—S.122—125.
20. ↑ Hide R. Některé experimenty o tepelné konvekci v rotující kapalině // Quart J. Roy. Meteorol. Soc., 1953.- 79. -č.339.-s.161.
21. ↑ Hide R. Experimentální studie tepelné konvekce v rotující tekutině // Phil. Trans. Royi. soc. Londýn, 1958.— A 250. —s.441—478.
22. ↑ Lorenz EN Mechanika kolísání // J. Atmos. Sci., 1963.- 20. -str.448-464.

• Kriegel A. Atmosféra na pokraji pořádku a chaosu // Vědění je síla.-1989.-№ 8.-str.30-35.