Автоколебания в изменениях климата и погоды

[Alexy]

О полож и отриц обратных связях, приводящих к перодическому появлению эль-Ниньо. Описание самих этих обр связей я выделил бирюзовым цветом

http://www.all-rest.ru/ocean.html?start=36
«Прогнозируемые и наблюдаемые Эль-Ниньо» - так назвал свою статью Клаус Виртки, автор рассмотренной нами выше аналитической модели кислородного минимума. Это описание попытки прогноза очередной катастрофы на перуанском апвеллинге. Механизм катастроф не вполне ясен, но порядок развертывания событий и главный виновник известны. Как мы отмечали уже, виновато Эль-Ниньо: проникновение в район апвеллинга с севера теплых вод с пониженной соленостью, которые ослабляют, «запирают» обычно интенсивный здесь подъем вод. Согласно «трофической» теории катастрофы, из-за уменьшающегося при этом поступления из глубин биогенных элементов резко падает продуктивность фитопланктона и все живые существа, которые питаются им,— а их здесь обычно великое множество — погибают голодной смертью. Казалось бы, рыба должна просто уйти отсюда, но вместо этого она гибнет в невероятном количестве. Это связывают с эколого-биохимическим «окончанием» событий — с внезапным развитием ядовитых видов фитопланктона («красный прилив»). Такую комбинированную схему разрушения экосистемы перуанского апвеллинга дает М. Е. Виноградов — и лучшей нет. Но А. Лори  и многие другие прямо указывают на сероводород как на убийцу. Так или иначе, чтобы предсказать катастрофу, надо дать верный гидрологический прогноз возникновения Эль-Ниньо.

Согласно теории Виртки, возникновение Эль-Ниньо— это ответ Тихого океана на необычно сильное и долгое воздействие пассатных ветров, которое через механизм межпассатного противотечения приводит к накоплению вод вблизи Эквадора и Перу. Значит, задача сводится к установлению временной связи между пассатами и Эль-Ниньо. Эту связь Виртки нашел: за пиком в аномалии разности атмосферного давления, вызывающей такие пассаты, примерно через год и обычно после рождественских праздников следует Эль-Ниньо.

Эту теорию Эль-Ниньо Виртки с коллегами обнародовали в 1972 г. в год последней сокрушительной катастрофы. Следующую, учитывая семилетний цикл, надо было ждать в 1979 г. Но уже на границе 1973 и 1974 гг. был зарегистрирован пик в разности атмосферного давления, и высота пика была такой же, что и за год до последней катастрофы. На январь 1975 г. было предсказано Эль-Ниньо, и наблюдать за ним отправилась специальная экспедиция. Она обнаружила, что действительно начинается Эль-Ниньо: поток теплых и малосоленых вод пересек экватор. Но затем Эль-Ниньо раздумало нарушать расписание, и условия быстро вернулись к норме. (К сожалению, информацией об обстановке 1979 г. авторы не располагают.)

Видимо, в модели, на основании которой должен делаться прогноз, должно быть достаточно NO, и в более широком масштабе учтено взаимодействие океана и атмосферы, притом так, чтобы удалось описать механизм семилетней периодичности катастроф ( «расписания»). Автоколебательность систем обычно поддерживается за счет обратных связей. Такие обратные связи в этой системе можно найти, если воспользоваться общей схемой Уолкера—Бьеркнеса циркуляции в экваториальной зоне Тихого океана. В общих чертах картина может быть описана следующим образом.

В экваториальной области у побережья Южной Америки температура поверхности океана на 8° С ниже, чем в среднем по широте, за счет холодного Перуанского течения и создаваемого пассатами подъема к поверхности холодных вод. Низкие температуры поверхности океана ограничивают здесь поступление тепла в атмосферу и конвекцию воздуха (соответственно отсутствуют облака, и на побережье не выпадают дожди). В западной же части Тихого океана температура поверхности, наоборот, выше среднеширотной. Возникший перепад температур между востоком и западом вызывает возрастание пассатных ветров, что, в свою очередь, приводит к усилению апвеллинга и увеличению температурного контраста между востоком и западом. Эта положительная обратная связь вызывает самоускорение на каждом цикле работы тепловой машины, приводящей в движение колеса атмосферной, океанической, а с этим — биологической и химической циркуляции

Язык аномально холодной воды все с большей скоростью распространяется на запад. И этим-то — наступает такой момент — включается отрицательная обратная связь: по мере распространения холодных вод на запад падает температурный контраст между востоком и западом, уменьшается или даже меняет знак градиент температуры по меридиану, уменьшается площадь, занятая пассатами, и автоматически уменьшается апвеллинг, что, в свою очередь, приводит к уменьшению температурного контраста. И так далее продолжается самозамедление циркуляции вплоть до вырождения упорядоченного переноса в слабые ветры переменного направления. На все это уходит приблизительно 7 лет. Вот тогда-то, видимо, и наступает, настоящее время для Эль-Ниньо. Между тем язык холодных вод, питаемый уже совсем слабо, укорачивается, и все быстрее. Вместе с этим, вначале слабо, затем все быстрее начинает расти температурный контраст восток — запад, и весь цикл вновь повторяется

Математические модели таких циклов громоздки, и приводить их здесь мы не будем. Ясно, что Эль-Ниньо является элементом автоматической системы саморегулирования циркуляции энергии и вещества и с этим связана его семилетняя периодичность. А максимумы через каждые три катастрофы? На этот счет предположений пока нет. Возможно, надо рассматривать колеса циркуляции еще большего масштаба

Так непросто делать прогнозы

Вот только не понятно, почему аналогичные эль-Нинью ("Южному колебанию") колебания в северной Пацифике, а также в Атлантике и Индике несравнимо слабее по амплитуде, чем эль-Ниньо?

[Alexy]

по мере распространения холодных вод на запад падает температурный контраст между востоком и западом, уменьшается или даже меняет знак градиент температуры по меридиану, уменьшается площадь, занятая пассатами, и автоматически уменьшается апвеллинг, что, в свою очередь, приводит к уменьшению температурного контраста. И так далее продолжается самозамедление циркуляции вплоть до вырождения упорядоченного переноса в слабые ветры переменного направления

странно, что в описанной отрицательной обрватной связи кажется почти нету зхадержки во времени

А ведь без временной задержки в отриц обрат связи (если я не ошибаюсь) не возникнет и автоколебаний?

Или задержка по времени состоит в том, что довольно далеко на западе довольно долго сохраняется холодность поверхностных вод (загнанных туда намного раньше)?

[василий андреевич]

А есть ли в Атлантике или Индике такие же градиенты нарастания глубин и высот?
Задача может быть сведена к модели "двух вертушек". Одна вертушка океан, другая - атмосфера. Естественно, что скорость вращения атмосферы выше скорости вращения вод. Начальные условия можно положить, как неподвижность океанической вертушки. Тогда единственные движения - это восходящие потоки над теплой поверхностью океана и ниспадающие потоки холодного воздуха с Анд. Именно это есть причина начала апвелинга, который ярко заметен из-за перепада глубин - даже незначительные течения от берега приведут к значительным подъемам глубинных вод.
  Разгадку семилетней цикличности обратных отрицательных связей следует искать в разнице скоростей и "периметрах" вертушек. А вот повторы через три пика наиболее интересны и должны обладать внутренней причинностью.
  Рискну предположить, что пики через три на четвертый связаны с четрырех тактностью работы "тепловой машины". Но тогда между двумя циклами должны наблюдаться полупики. Если это так, то можно попробовать сложить три косинусоидальных колебательных процесса, кратные четырем и амплитудностью, уменьшающейся по мере укорочения длины волны. В результате получим интересную "чистую" картину автоколебательного процесса, где будет, кажется, 16 малых пиков, сгруппированных по трем различным уровням организации. Останется только проставить годы и месяцы, что бы сравнить с хронологией реальных событий, на которые несомненно накладываются возмущения 11-13 летнего цикла солнечной активности.

[Alexy]

А есть ли в Атлантике или Индике такие же градиенты нарастания глубин и высот?

Задача может быть сведена к модели "двух вертушек". Одна вертушка океан, другая - атмосфера. Естественно, что скорость вращения атмосферы выше скорости вращения вод. Начальные условия можно положить, как неподвижность океанической вертушки. Тогда единственные движения - это восходящие потоки над теплой поверхностью океана и ниспадающие потоки холодного воздуха с Анд. Именно это есть причина начала апвелинга, который ярко заметен из-за перепада глубин - даже незначительные течения от берега приведут к значительным подъемам глубинных вод

Думаете, дело в высоте Анд и глубине Перуанского (или как его там?) жёлоба?

Возле юго-запада (Намибии и Анголы) и северо-запада (западной Сахары) Африки и наверное возле западной Австралии тоже есть апвелинги, вызваные тамошними ветрами с суши (пассатами), а горы и желоба там отсутствуют

[василий андреевич]

Думаете, дело в высоте Анд и глубине Перуанского (или как его там?) жёлоба?

Уверен, что дело в контрастности рельефа поверхности ЗК. Ведь допустив в рассуждения обширный шельф, мы получим, что ветер гонит теплые воды над шельфом, которые в большой степени смешаются с поднимающимися холодными водами континентального склона. Правда есть другие места со столь же большими перепадами, но дуют ли там с континента такие постоянные ветра?

[Alexy]

[Alexy]

Т е в северо-амер кордильерах вроде ЛЕТОМ нету дутья с суши на море
И ещё из этих карт давлений и ветров за январь и июль видно, что и в Чили с Перу ветеор дует параллельно берегу (так, что море слева, а берег справа), а движимые этим ветром воды очевидно отворачивает от берега Кориолисом (против часовой стрелки  - как и положено в южном полушарии)

[василий андреевич]

Да, задача посложнее "двух катушек". Вы меня убедили, здесь не годится "аристотилевый" подход чистых умозаключений. Получается все дело в устойчивом антициклоне, который как бы разгоняет по сторонам поверхностные воды. Здесь страшно (но и страшно интересно) получить "масло масляное" в виде причинённого контура, когда ветры вызывают приток тех холодных вод, которые создают саму область антициклона. (Вполне возможно, что тут будет "перехлест" с Вашей темой "детерминированного хаоса).

[Alexy]

Хотел бы ещё раз вернуться к вопросу - для того, чтобы были автоколебания, ОБЯЗАТЕЛЬНО должны иметь место ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ ОБРАТНЫЕ связи, действующие с довольно БОЛЬШОЙ ЗАДЕРЖКОЙ ВО ВРЕМЕНИ?
Или это не обязательно?

[василий андреевич]

Лучше бы подождать пока отвечу не я, но все же:
Нет, не обязательно.

[Alexy]

А Вы бы могли привести какой-то НАГЛЯДНЫЙ пример такой системы, где БЕЗ задержанных во времени отрицательных обратных связей возникают автоколебания?

[василий андреевич]

Для этого вначале надо давать исчерпывающее определение термина автоколебания. Напрямую он означает невынужденные от седы колебания системы. Допустим, среда диссипирующая (всякие там колебания фотонов отставим). Если у системы ессть возможность принять тепло у источника и отдать его холодильнику, то начнется авто-номный колебательный процесс, т.е. попросту работа.
  Отрицательная обратная связь говорит лишь о том, что если в одной системе (среде) начнется процесс изменения параметра, то другая система снивелирует это изменение. Например, горение среды превратится в тление если система начнет поглощать "излишки" выделяющегося тепла. Но как только мы зададим уровень срабатывания обратной отрицательной связи, то можем получить автоколебания среды горения.

Да, наглядный пример. Я уже как-то говорил о бублике-трубке подвешенной над пламенем свечи. Вода в такой трубке будет совершать круговорот в случайную сторону. Однако при соблюдении однородности горения свечи, через равные интервалы времени вода в трубке будет течь в противоположных направлениях.

[Alexy]

Да, наглядный пример. Я уже как-то говорил о бублике-трубке подвешенной над пламенем свечи. Вода в такой трубке будет совершать круговорот в случайную сторону. Однако при соблюдении однородности горения свечи, через равные интервалы времени вода в трубке будет течь в противоположных направлениях

Бублик расположен горизонтально или вертикально? Разве вода не будет И В ТОМ И В ДРУГОМ СЛУЧАЯХ течь всегда в одну и ту же строну, которая случайно задалася в начале?

[идрис]

Приток холодных вод не создает область субтропических антициклонов. Субтропические антициклоны образуются сами по себе, потому что они находятся в субтропиках. То есть окружают экваториальную зону. А такое соседство приводит к тому, что горячий воздух поднявщийся с экватора должен где то опуститься вниз. Летом нагревшаяся Евразия вместе с Сахарой мешают ему опуститься и он растекается по бокам резко усиливая Азорский максимум. Летом же, когда в южном полушарии зима, там воздуха над субтропиками нагревается слабо. И там происходит резкое погружение экваториального воздуха и летом в южном полушарии антициклоны сильные и мощные. Зимой, когда в южном полушарии становится тепло. Там нагретые куски мешают опускаться воздуха и антициклоны там слабеют. Зато в Северном полушарии зимой становится холодно и воздух поднявщийся над экватором залпом опускается образуя области резко повышенных давлений.

Никакие подъемы холодных вод тут не при чем. Это небольшое следствие глобального круговорота воздуха и не более того.

[Alexy]

Никакие подъемы холодных вод тут не при чем. Это небольшое следствие глобального круговорота воздуха и не более того

так в чём по Вашему причина появления эль-Ниньо?