Введение

Американский метеоролог Уильям Феррелл (29 января 1817 – 18 сентября 1891) – американский метеоролог, разработавший теории, детально объясняющие циркуляционную ячейку атмосферы средних широт, и в честь которого названа ячейка Ферреля.

Биография

Феррел родился в округе Фултон, в южной части Пенсильвании. В двенадцать лет он работал и на ферме, и на пилораме, находившейся там же. В 1829 году семья переехала в местность, которая впоследствии стала Западной Вирджинией. Его формальное начальное образование было кратким – он посещал школу всего две зимы, но был увлечён наукой, особенно после наблюдения частичного солнечного затмения в 1832 году. Однако он смог оплатить лишь два года обучения. Поэтому он вернулся к преподаванию в Западной Вирджинии на два года, чтобы заработать на продолжение образования в колледже Бетани.

Работа

Феррел продемонстрировал, что тенденция восходящих теплых воздушных масс, вращающихся под действием силы Кориолиса, заключается в притяжении воздуха из более экваториальных, теплых регионов и его переносе к полюсам. Именно это вращение создает сложные изгибы в фронтальных системах, разделяющих более холодный арктический/антарктический воздух, движущийся к полюсам, от более теплого тропического воздуха, направляющегося к экватору. Феррел усовершенствовал теорию Хэдли, выявив до того времени упущенный механизм. Вот цитата из его первой работы:

«Четвертая и последняя сила возникает в результате сочетания относительного движения атмосферы в восточном или западном направлении с вращательным движением Земли. Вследствие вращения атмосферы вокруг общей оси с Землей каждая частица испытывает центробежную силу, которая, раскладываясь на вертикальную и горизонтальную составляющие, заставляет последнюю принимать сфероидальную форму, соответствующую форме Земли. Однако, если вращательное движение какой-либо части атмосферы превышает вращение поверхности Земли, или, иными словами, если какая-либо часть атмосферы имеет относительное восточное движение по отношению к поверхности Земли, эта сила возрастает, а если она имеет относительное западное движение, она уменьшается. Эта разница порождает возмущающую силу, которая препятствует нахождению атмосферы в состоянии равновесия с формой, соответствующей поверхности Земли, но вызывает накопление атмосферы на определенных широтах и понижение на других. Соответствующая разница в давлении атмосферы на этих широтах существенно влияет на ее движение. Ошибочные рассуждения Хэдли основывались на стремлении к сохранению линейного импульса при перемещении воздушной массы с севера на юг или с юга на север. Феррел осознал, что в метеорологии и океанографии необходимо учитывать тенденцию воздушной массы, находящейся в движении относительно Земли, сохранять свой угловой момент относительно оси Земли. Феррел также изучал влияние Солнца и Луны на приливы и то, как это влияет на вращение Земли вокруг своей оси. Лаплас ранее теоретизировал об этом, но он пренебрег членами второго порядка и трением жидкости. Это произошло не по его вине, поскольку математический аппарат, позволяющий изучать это, появился только в 1840-х годах. Предполагается, что трение пропорционально квадрату скорости, что приводит к нелинейным уравнениям. Феррел первым успешно решил эти уравнения. Он также предположил, что приливы можно объяснить вязким внутренним строением Земли, и попытался изучить магнитное поле Земли. Феррел собирал данные о приливах и использовал их для расчета массы Луны. В 1880 году он предложил руководителю Береговой и геодезической службы машину, которая могла бы использовать данные для прогнозирования максимальных и минимальных значений приливов. Он также представил эту идею Американской ассоциации содействия развитию науки позднее в том же году. Феррел покинул Береговую и геодезическую службу США в 1882 году, но остался для контроля за завершением этого проекта, который имел большой успех и использовался более 25 лет. Он также написал «Видение» — эссе, в котором обсуждал свои теории о работе человеческого зрения; его рассуждения основывались как на математике, так и на психологии и подкреплялись экспериментами. Кроме того, он писал о «Переменных звездах», обсуждая, как периоды колебаний могут указывать на их приближение или удаление от Земли.