Введение

Шведский океанограф и метеоролог Йохан Вильгельм Сандстрём (6 июня 1874, Дегерфорс, лен Вестерботтен – 12 января 1947, Бромма, лен Стокгольм), обычно упоминаемый как И. В. Сандстрём, был шведским океанографом и метеорологом. Наиболее известен он проведением серии классических экспериментов на морской исследовательской станции Борнё в Швеции, опубликованных в 1908 году. Его эксперименты были посвящены изучению причин возникновения океанических течений, в особенности тех, что наблюдаются в фьордах.

Биография

Сандстрем – сын плотника Йонаса Антона Сандстрема и Греты Магдалены Шёгрен. Он учился в начальной школе Дегерфорса, но после смерти отца его мать перевезла семью в Сундсвалль, где Сандстрем работал на пилораме, одновременно получая частные уроки. Благодаря местным меценатам он поступил в техническое училище в Стокгольме, и хотя официального диплома не получил, преуспел в математике и часто посещал научные круги. В 1899 году Сандстрем поступил на службу в национальную метеорологическую службу, где встретил Вильгельма Бьеркнеса, основателя Бергенской школы метеорологии, который определил направление его карьеры. Профессор математической физики в Стокгольме в конце 1890-х годов занимался разработкой методов прогнозирования погоды и теорией обобщенной гидродинамической циркуляции. Получив правительственный грант, Бьеркнес в 1899 году привлек Сандстрема к помощи в изучении взаимосвязи между атмосферным давлением и штормами. В серии публикаций Сандстрем анализировал общую атмосферную циркуляцию и разработал графические методы прогнозирования, благодаря которым стал известен. Когда срок действия гранта Бьеркнеса истек, его нанял Отто Петтерссон в качестве главного помощника в Шведскую гидрографическую и биологическую комиссию. Петтерссон был главным ученым исследовательского флота комиссии. Сандстрем также получил предложение от Фридтйофа Нансена в Бергене помочь с книгой Сванте Аррениуса "Lehrbuch der Cos Physen Physik" (1903), написав раздел о воздушных массах и динамической метеорологии. Благодаря грантам от Вашингтонского института Карнеги, Бьеркнес вновь привлек Сандстрема к новому и амбициозному проекту в 1906 году. В следующем году он отправился с Бьеркнесом в Осло, где они занимались физикой и математикой этого направления. В 1908 году Сандстрем был принят на должность технического руководителя нового Гидрографического агентства в Стокгольме, несмотря на отсутствие диплома, благодаря рекомендации Бьеркнеса и своим публикациям. В 1913 году он часто спорил с Нильсом Экхольмом о практической ценности метеорологических работ Бьеркнеса. Однако, когда моряки и фермеры стали запрашивать больше информации о погоде, в 1919 году он вскоре стал директором нового "Метеорологического бюро" в составе агентства. В 1920-х годах авиация стала важным заказчиком, предоставив новые данные и вызвав организационные изменения. Также возросло использование телекоммуникационных технологий, включая телеграфию и радиовещание. Стокгольмскому метеорологическому и гидрологическому агентству также потребовалось расширить свои гидрологические функции. Сандстрем начал изучать Гольфстрим вместе с Петтерссоном и Экхольмом, чтобы выяснить его влияние на климат. В 1929 году Сандстрем возглавил экспедицию в Северный Ледовитый океан, финансируемую государством и частными фондами. Помимо экспедиций и ряда личных морских путешествий в Арктике, Сандстрем несколько раз зимой ездил в Берген, чтобы встретиться с профессором Бьеркнесом и обсудить теорию погодных фронтов и воздушных масс. Его наблюдения предоставили ему данные о скорости преобразования энергии между атмосферой и океаном, что принесло ему международное признание.

Теорема Сандстром

Сандстром был в основном обеспокоен ролью нагрева и охлаждения в движении океанских течений и в океанской циркуляции в более широком смысле. Он утверждал, что тепловая циркуляция может вызывать энергичную и устойчивую циркуляцию только в том случае, если нагрев происходит на большей глубине, чем охлаждение. Это известно сегодня как теорема Сандстрема и представляет собой попытку расширить хорошо известный результат классической термодинамической теории, согласно которому для того, чтобы тепловой двигатель совершал положительную работу в цикле, работа расширения должна происходить при большем давлении, чем работа сжатия. Таким образом, теорема Сандстрема технически верна, при условии, что расширение жидкости вызвано нагревом, а сжатие – охлаждением, и что большие глубины соответствуют большему давлению. Однако существует неоднозначность в толковании терминов «нагрев» и «охлаждение» в теореме Сандстрема. До сих пор в литературе нагрев и охлаждение всегда интерпретировались как связанные с «поверхностным нагревом» и «поверхностным охлаждением» соответственно. Однако в реальных жидкостях молекулярная и турбулентная диффузия всегда вызывают внутренний нагрев/охлаждение, даже при отсутствии внешнего нагрева/охлаждения, если температура рассматриваемой жидкости неоднородна. Как известно, молекулярная и турбулентная диффузия стремится привести систему к термодинамическому равновесию, то есть к изотермическому состоянию, которое для статически стабильной жидкости будет нагревать жидкость при высоком давлении и охлаждать при низком давлении. Следовательно, из-за внутреннего диабатического нагрева/охлаждения, вызванного молекулярной/турбулентной диффузией, общий нагрев стратифицированной жидкости всегда происходит при большем давлении, чем общее охлаждение, даже если внешнее охлаждение/нагрев происходит при одном и том же давлении. В результате внутренний диабатический нагрев/охлаждение, обусловленный молекулярной диффузией, объясняет, почему лабораторные эксперименты демонстрируют развитие циркуляции в результате поверхностного нагрева/охлаждения (Park and Whitehead, 2000) или даже когда нагрев происходит над охлаждением (Coman et al., 2006). Ключевым (хотя и неявно выраженным) прозрением Сандстрема было то, что в таких циркуляциях циркуляция в целом должна переносить легкую воду вниз, а плотную – вверх. Это означает, что эффект циркуляции заключается в увеличении потенциальной энергии. Для такого увеличения требуется внешний источник энергии. Недавние исследования развивают эту идею, утверждая, что океанская циркуляция в целом обусловлена этими внешними источниками энергии – ветром или приливами, а более поздние работы предполагают, что внутренние источники и стоки энергии (например, те, что приводят в действие диффузию) также потенциально важны.

Почести

В 1925 году Сандстрем был избран членом Королевской шведской академии наук.

Публикации

Сандстрём, Дж. У. (1908), Динамические опыты с морской водой, Ann. Hydrographischer und Meteorologischer Annalen, 36, 6–23.