|
Иногда думают: раз атмосфера обгоняет Землю в суточном вращении, значит, она должна непрерывно ускорять Землю. Однако на неравномерность вращения Земли влияют лишь изменения момента импульса ветров. Постоянная же величина этого момента была заимствована атмосферой у Земли на этапе формирования атмосферной циркуляции. Тогда скорость вращения Земли немного замедлилась (длительность суток возросла на 0.0024 с) и остается таковой в настоящее время. Если иссякнет источник, поддерживающий ветры в атмосфере (Солнце), то атмосферная циркуляция прекратится, момент импульса ветров “стечет” к Земле и длительность суток вернет свое первоначальное значение (уменьшится на 0.0024 с).
Атмосферу, неравномерно разогретую по горизонтали солнечными лучами, можно рассматривать как тепловую машину. Она превращает тепловую энергию Солнца в кинетическую энергию ветров. Наиболее теплые части атмосферы выполняют в этом случае функции нагревателя, а самые холодные - холодильника. Рабочим телом служит сам воздух. В физике атмосферы сегодня известны несколько тепловых машин. Важнейшие из них - тепловые машины, порождаемые контрастом температур между экватором и полюсами. Известный отечественный геофизик В.В.Шулейкин назвал их тепловыми машинами первого рода [4]. Одна из них работает в Северном полушарии, другая - в Южном. Благодаря этим машинам поддерживаются восточные ветры в низких широтах и западные - в умеренных и высоких. Чем больше контраст температур между экватором и полюсом, тем интенсивнее атмосферная циркуляция в данном полушарии и тем больше величина момента импульса ветров.
Контраст температур в каждом полушарии колеблется с годовым периодом. Он бывает наибольшим зимой, а наименьшим - летом. Поэтому момент импульса ветров Северного полушария, удерживаемый тепловой машиной первого рода, совершает гармонические колебания с периодом в один год (от максимального значения в январе до минимального в июле). В Южном полушарии годовое колебание имеет противоположную фазу: момент импульса максимален в июле, а минимален в январе. Поэтому годовые колебания ветров Северного и Южного полушарий компенсируют друг друга и момент импульса ветров всей атмосферы должен оставаться почти постоянным. Итак, тепловые машины первого рода обусловливают появление в атмосфере положительной величины момента импульса ветров, но почти не влияют на его сезонные колебания.
Долгое время оставалось неясным, почему момент импульса ветров всей атмосферы испытывает наблюдаемые сезонные колебания. Было обнаружено, что в верхних слоях атмосферы самой теплой областью является не экватор и не параллель, на которой Солнце в полдень находится в зените, а полярная шапка летнего полушария (в июле - северная, в январе - южная). Оказалось, что средняя температура воздуха непрерывно убывает от полюса летнего полушария до полюса зимнего (в июле - от Северного полюса до Южного, в январе - от Южного полюса до Северного). Стало ясно, что в атмосфере имеется межполушарная тепловая машина, нагревателем которой служит атмосфера летнего полушария, а холодильником - атмосфера зимнего. Межполушарная тепловая машина препятствует работе тепловых машин первого рода: она уменьшает величину момента импульса ветров, удерживаемую в атмосфере тепловыми машинами первого рода. Чем больше контраст температур между полушариями, тем значительнее этот эффект. В январе и июле, когда межполушарная тепловая машина действует наиболее интенсивно, момент импульса ветров уменьшается до минимальных значений, а скорость вращения Земли достигает максимальных величин. В апреле и ноябре температурные различия между атмосферой Северного и Южного полушарий выравниваются; межполушарная тепловая машина прекращает свою работу, поэтому в атмосфере удерживается предельно большая величина момента импульса ветров и скорость вращения Земли становится минимальной.
Различие июльского и январского максимумов скорости вращения Земли связано с тем, что атмосфера Северного полушария в среднем за год теплее атмосферы Южного. Поэтому контраст температур между полюсами в июле значительно больше, чем в январе. Если бы подстилающие поверхности в Северном и Южном полушариях были одинаковы, то январский и июльский максимумы не различались бы. Интенсивность работы межполушарной тепловой машины меняется от года к году. В соответствии с этим меняются и параметры сезонных колебаний скорости вращения Земли.
|