Прогнозы метеорологов и океанологов могут стать точнее
Учёными СКФУ создается новая математическая модель динамики атмосферы и океана. Она поможет лучше объяснять наблюдаемые явления, делать более точные прогнозы. При построении сложной системы дифференцированных уравнений, описывающих динамику атмосферы, физики вуза применяют нетрадиционное приближение.
Как пояснили учёные СКФУ, сегодня уравнения геофизической гидродинамики записываются в виде, получившем название «традиционного приближения» (Эккарт). Лежащий в основе последнего подход, с одной стороны, облегчает вычисления, а с другой – не дает объективной картины, поскольку пренебрегаются важные факторы, влияющие на динамику атмосферы и океана.
Законы Ньютона работают, как известно, только в инерциальных системах отсчета, т.е. в системах отсчета, которые движутся прямолинейно и равномерно, без ускорений и торможений. В природе, очевидно, таких систем отсчета нет. Земля вращается вокруг своей оси и движется вокруг Солнца, что влияет на любой объект нашей планеты. Поэтому для применения законов Ньютона и в неинерциальных системах отсчета вводят так называемые силы инерции. Последние не являются «настоящими» в механике Ньютона. Они вводятся искусственно (такой математический прием предложил в свое время французский ученый Жан Д’Аламбе́р) и являются фиктивными, так как на самом деле не могут за что-то отвечать или на что-то влиять. В системе отсчета, связанной с Землей, их две. Это центробежная сила инерции и сила инерции Кориолиса.
Влияние последней представляет особый интерес. Земля вращается вокруг своей оси, при этом скорость движения точек поверхности Земли на экваторе выше, чем при приближении к полюсам. Поэтому наблюдается отклонение объекта, движущегося вдоль меридиана (с севера на юг или наоборот) в северном полушарии вправо и в южном – влево. Именно сила Кориолиса «приводит», к примеру, к тому, что у рек подмывается всегда правый берег в северном полушарии и левый – в южном. Эти же причины «объясняют» неодинаковый износ рельсов железнодорожных путей.
Обе силы инерции включаются в уравнение динамики атмосферы, но когда речь заходит о силе Кориолиса, допускаются приближения. Этот подход заложил Пьер-Симон Лаплас. При изучении приливов он создал уравнение, учитывающее при описании движения водной массы только один из компонентов силы Кориолиса, т.е. он не учел все ее составляющие. Этот подход до сих пор является традиционным. Ученые СКФУ предлагают альтернативную модель.
- Модель Лапласа так прижилась, потому что в ней используются приближения. В частности, учитывается только вертикальная компонента силы Кориолиса, что значительно облегчает вычисления, - пояснил руководитель проекта, профессор кафедры теоретической и математической физики СКФУ Роберт Закинян. – Мы считаем, что когда речь идет об атмосфере или океане, такой подход далеко не всегда корректен, и об этом уже говорит ряд ученых. Компонента силы Кориолиса, пропорциональная косинусу широты места, т.е. меридианная составляющая, не менее важна при таких расчетах. Для некоторых природных явлений она может быть определяющей, поэтому в нашей модели она будет учитываться. Также мы будем обращать внимание и на другие факторы, например, на то, что Земля – это не шар, а геоид (сплюснутый шар), и траектория ее движения вокруг Солнца представляет собой эллипс. Она ускоряется при приближении к светилу и затормаживается при удалении от него. А это приводит к необходимости введения дополнительной силы инерции, связанной с ускоренным движением по орбите.
В результате ученые получат сложную математическую модель. При ее построении в качестве эмпирического материала будут использоваться открытые данные наблюдений и измерений других исследователей, информация со спутников, позволяющая отследить динамику процессов в атмосфере и океане. Модель сможет объяснить многие атмосферные явления. Ее создание будет иметь большую практическую ценность.
– Развитие исследований в рамках настоящего проекта позволит лучше понять закономерности протекания крупномасштабных динамических процессов в атмосфере и океане, – пояснил научный руководитель физико-технического факультета СКФУ, вице-президент РАН, академик Юрий Балега. – Это направление также актуально в связи с разработкой современных моделей климата и предсказания его изменчивости, что является большим вызовом для современной науки.
Модель позволит точнее определять скорость и направление перемещения циклонов и антициклонов, направление пассатов, прогнозировать приливы и затопление прибрежных районов, вызванные движением огромных волнообразных движений океана (такие планетарные волны можно обнаружить только с помощью спутниковой радиолокационной альтиметрии). Это далеко не полный перечень вариантов ее применения.