Rambler's Top100 фл.семафором циклон

исполнить цепочку-на главную в кубрик-на 1 стр.
  • главная
  • астрономия
  • гидрометеорология
  • имена на карте
  • судомоделизм
  • навигация
  • устройство НК
  • памятники
  • морпесни
  • морпрактика
  • протокол
  • сокровищница
  • флаги
  • семафор
  • традиции
  • морвузы
  • моравиация
  • мороружие
  • словарик
  • кают-компания



  • Еще раз о тайфунах

    Василий Букреев



     

            В современной информации о тайфунах достаточно много домыслов, противоречащих объективным фактам. Общепризнанным является только то, что тайфун все относят к вихревым образованиям. Вихревых же образований в природе существует всего три типа: турбулентность, вихри Тейлора и вихри Бенара. В метеорологии употребляется ещё и термин вихревые волны Россби. Но прежде всего попробуем разобраться, чем же волна отличается от вихря. Т.е. насколько обоснованным является применение термина вихревая волна. Согласно исследованиям братьев Веберов [1] траектория частиц в волне является окружностью на поверхности, с увеличением глубины окружность преобразуется в эллипс и при приближении к дну траектории превращаются в прямые. Схематично это изображено в правой стороне рис. 1. В работе же [2] найдена внутренняя структура пары вихрей Тейлора. Сохранённый один из вихрей оригинального рисунка из работы [2] приведён в левой части рис. 1.

     

    Траектории частиц в волне и в вихре

    Рисунок 1.

    Траектории частиц в волне и в вихре.

            Как видно из рисунка, волна и вихрь являются совершенно разными состояниями материи. Единственное различие в масштабах и в форме организации движения. Окружности в волне касаются друг друга, а в вихре вставлены друг в друга. А форма организации движения частиц определяет и содержание этих объектов природы. Волна существовать может только в колхозе (ни при каких условиях мы не сможем отделить одну волну от другой в их колхозе от камня, брошенного в воду). Вихрь же в силу своей природы единоличник, но он нисколько не страдает и попав в колхоз из вихрей (дехкане Копет Дага создают на склоне последовательность вихрей, что и позволяет им поднимать воду на следующем подъёме). При этом волна может существовать только в форме состояния. Т.е. от брошенного в воду камня расходятся только круги на воде (иными словами, передаётся только энергия колебания) передача же материи от камня в направлении периферии отсутствует. Вихрь же обладает большими возможностями. Цунами и вихри Копет Дага перемещают только состояние материи. Тайфун же и торнадо это уже реальное перемещение материи.

            Перед прямолинейным движением вихревое движение обладает существенным преимуществом. При прямолинейном движении действует третий закон Ньютона: действующая и противодействующая силы направлены по одной прямой, но в противоположном направлении. Поэтому трение скольжения при прямолинейном движении неизбежно его останавливает. При вихревом же движении действующая и противодействующая силы направлены перпендикулярно друг другу. И сила трения скольжения в вихревом движении остановить его не может, отменяя третий закон Ньютона. Тем не менее, цунами является вихревым состоянием. Т.е. сила трения скольжения, неизбежно возникающая при любом движении, уменьшить энергию цунами в принципе не может. Энергия же цунами с расстоянием всё же уменьшается. Какова же причина этого? Для этого вспомним, что в вихре любого типа существуют центростремительная и центробежная силы. Центростремительная сила формируется толчком землетрясения. И с течением времени она никак пополняться не может. Центробежная же сила существует всегда. В тайфуне она заставляет его расставаться с вихревыми хвостами. Но она присутствует и в цунами. А курочка центробежной силы по зёрнышку клюёт: центростремительная сила на переднем фронте цунами включает в свой состав меньшую массу материи, чем усилиями центробежной силы она расстаётся с массой материи на заднем фронте. Т.е. энергия вихревого состояния материи с течением времени (с расстоянием) убывает.

            Но цунами - это ярый индивидуалист. Вихревые же волны Россби - это цунами в миниатюре, существующие только и только в колхозе. Нарисуем мысленно два круга, вращающиеся в одном и том же направлении. В месте контакта они вращаются в противоположных направлениях. Т.е. в месте контакта появляется сила трения скольжения, действующая в тангенциальном направлении. А по правилу прецессии противодействующая сила возникает в перпендикулярном направлении. Т.е. колхоз из вихрей Россби поддерживает друг друга (трением скольжения увеличивая центростремительную силу) и их энергия с расстоянием практически не убывает. Поэтому и мёртвая зыбь распространяется в океанах на тысячи километров, практически не теряя своей энергии. Отметим ещё раз, что и вихри Россби, и мёртвая зыбь в океанах являются не движением материи, а движением состояния материи. А т.к. последовательность вихрей это последовательность состояний, то понятны и результаты, полученные в работе [3]. Последовательность вихрей Россби это последовательность состояний в Гольфстриме. Частички воды двигаются по круговым траекториям левой части рис. 1. а т.к. дрифтёры имеют массу несколько большую, чем масса частичек, двигающих его, то дрифтёры отстают от движения вихревого состояния. Выйдя за пределы одного вихревого состояния, они прекращают движение. Но их нагоняет следующее вихревое состояние. И они вновь начинают двигаться. Таким образом, дрифтёры демонстрируют нам только движение вихревых состояний. И грубо говоря, оценки массы воды, переносимой Гольфстримом, являются лапшой, навешиваемой на уши доверчивым слушателям. Разумеется, тёплая вода всё же частично переносится на север. Но общепринятые оценки не имеют никакого отношения к реальной действительности. Тем не менее, вихревые состояния всё же переносят энергию, что и не позволяет воде замерзать у Кольского полуострова.

            Строго под течением Гольфстрим наблюдается противотечение. Изумительная и вместе с тем непонятная пространственная избирательность. Но ведь Гольфстрим это всё же движение вихревых состояний. А рис. 1 демонстрирует, что в верхней части вихревого состояния среда двигается в одном направлении, а в его нижней части она двигается в противоположном направлении. Поэтому нет ничего удивительного в том, что поверхностному Гольфстриму строго соответствует глубинный анти-Гольфстрим. Это ведь ничто иное как одно и то же вихревое состояние.

            Если энергия отдельно взятых соседних вихревых состояний строго одинакова, то сила трения скольжения, возникающая в месте их контакта, позволяет частично восстанавливать величину центростремительной силы. Но внешние условия вносят разнобой в это соотношение. И энергия соседних вихревых состояний может оказаться несколько различной. А в этом случае правило прецессии будет диктовать формирование небольшой силы, направленной по оси вихря. Поэтому и дрифтёры сходили с траектории движения Гольфстрима. Но целью настоящей работы являются всё же катастрофические вихри. Лапши же на них навешано куда выше крыши. Но это и понятно. Внутренности вихрей совершенно не интересуют современную физику. А вместе с тем современные правила требуют математического описания параметров вихрей. Поэтому надо как-то изгаляться. В природе существует либо турбулентный хаос, либо упорядоченное вихревое движение, представителями которого являются вихри Тейлора и вихри Бенара. В вихрях Бенара наблюдаются противоположные направления вращения. Т.е. на роль тайфуна вихри Бенара не подходят: направление вращения в нём одно и то же от периферии до центра. Внутренности тайфуна нельзя описать и турбулентными потоками. В Интернете полно снимков тайфуна из космоса. И ни на одном из них невозможно заметить турбулентного хаоса. А ведь параметры тайфуна надо как-то описывать. Вот и пускаются исследователи в турбулентные тяжкие, перенося формулы расчётов турбулентных потоков на вихри. А ведь реальные вихри в принципе невозможно описать ни вихрями в идеальной жидкости, ни турбулентными вихрями. Для описания вихрей больше подходят методы теории упругости. Ведь вихри тайфунов и торнадо являются упругими телами перед которыми не могут устоять ни деревья, ни даже фермы железнодорожных мостов. Прекрасный образец упругости вихрей дают вихри, обнаруженные Тейлором в его классическом эксперименте [4]. Согласно классике гидродинамики в тонком зазоре между двумя бесконечными плоскостями, одна из которых двигается, должно возникать течение Куэтта. Тейлор решил проверить это классическое положение и провёл эксперимент. В тонкий зазор между двумя коаксиальными цилиндрами, внутренний из которых вращался, он поместил среду. Но вместо классики течения Куэтта с линейным распределением скорости течения он получил вихри, которым в последующем было присвоено его имя.

    Вихри Тейлора

    Рисунок 2. Вихри Тейлора.

            В момент появления вихрей гидродинамическое сопротивление резко увеличилось. И более того вихри возникли при числе Рейнольдца, равном 90, и существовали без изменений до числа Рейнольдца, равном 3000. и только после 3000 в вихрях появились зачатки турбулентности. Т.е. широкое изменение условий течения однозначно свидетельствует, что вихри являются упругим образованием, сродни твёрдому телу.

            Скачкообразное же увеличение гидродинамического сопротивления объясняется тем, что природа вихрей Тейлора требует, чтобы вихри катились на боку. А в пограничном слое от них требуют движения в направлении оси. Согласно же работе [2] на поверхности тела в пограничном слое возникает когерентная система вихрей Тейлора, двигающихся перпендикулярно потоку (т.е. в направлении своей оси).

            Можно при этом сказать, что трение скольжения разрушает вихри. А мы уже выяснили, что для вихревых объектов трение скольжения безобидно. Поэтому более точно сила, действующая в направлении оси, по правилу прецессии формирует противодействующую силу, препятствующую вращению, что и разрушает вихри, только для того, чтобы они возникали вновь и вновь. Процесс же создания и разрушения когерентной системы вихрей требует затрат энергии, что мы и приписываем вязкому, гидродинамическому сопротивлению. В классике же Тейлора вихри его имени возникали только тогда, когда пограничный слой занимал весь объём зазора. Когерентные системы вихрей возникали на поверхностях обоих цилиндров. Две системы вихрей объединялись в одно целое, что и вело к резкому увеличению гидродинамического сопротивления. Таким образом, вихри любого порядка на любой ступени иерархии природы мы обязаны рассматривать в качестве упругих образований, сопротивляющихся своему разрушению. Классические же ячейки Бенара были обнаружены в других условиях (в слое масла, кипящего на сковородке, что и дало возможность Бенару назвать это явление памятью сковородки). Т.е. для формирования вихрей Бенара обязательным условием является наличие градиента температуры по высоте. Но этот градиент кто-то или что-то обязано поддерживать. Как только градиент исчезает, так сразу же исчезает и «память сковородки».

            В природных условиях нужный градиент температуры по высоте возникает очень часто. Но для формирования ячеек Бенара обязательным условием является наличие в атмосфере достаточного количества влаги. Отсутствуют запасы влаги в атмосфере, отсутствуют и условия для формирования в тучах ячеек Бенара. И тучи с недостаточным количеством влаги никогда не смогут стать грозовыми тучами с одной или с несколькими конвективными ячейками (ячейками Бенара). При значительных же запасах влаги в атмосфере в конвективных ячейках (вихрях Бенара) грозовых туч начинает работать тепловая машина. Конденсация паров воды выделяет большое количество тепловой энергии. Вихрь же Бенара (вспомним трубку Ранке) способен эффективно преобразовывать тепловую энергию в кинетическую и обратно: т.е. вихрь Бенара прекрасно работающая тепловая машина.

            Но прежде чем идти дальше, попробуем разобраться, а какие всё же силы существуют в вихре Бенара. В вихре Бенара с одним направлением вращения среда поднимается по центральному потоку, а с другим направлением вращения среда опускается по периферийному потоку.

            Внутренний поток вихря Бенара вложен в наружный поток. Т.е. противоположные направления вращения вроде бы должны обеспечивать качение потоков друг по другу. Но площадь внутреннего круга меньше площади внешнего кольца вихря Бенара. А сколько среды поднимается вверх, столько же среды должно опускаться вниз. Поэтому осевая скорость движения внутреннего потока больше осевой скорости внешнего потока. А т.к. энергия в потоках должна быть величиной постоянной, то скорость вращения среды во внешнем потоке должна быть больше скорости вращения во внутреннем потоке.

            Т.е. за счёт вращения между потоками возникает трение скольжения. Величину же силы трения скольжения определяет разница между скоростями вращения потоков. Правило прецессии определяет, что силе трения в тангенциальном направлении противодействует сила, направленная по радиусу. А т.к. внешний поток вращается относительно внутреннего, то правило прецессии гласит, что эта сила является центробежной.

            В осевом же направлении ситуация иная. Потоки двигаются в противоположном направлении. Поэтому силы трения скольжения, формируемые потоками в осевом направлении, складываются друг с другом. А т.к. скорость внутреннего потока больше скорости наружного потока, то мы можем сказать, что внутренний поток вращается относительно внешнего. Ведь переход из внутреннего потока во внешний поток и обратный переход мы также можем считать вращением. Поэтому по правилу прецессии сила трения скольжения в осевом направлении будет порождать центростремительную силу.

            А т.к. центростремительная сила порождается суммой соответствующих сил трения скольжения, а центробежная сила порождается разностью соответствующих сил трения скольжения, то в вихре Бенара величина центростремительной силы существенно больше величины центробежной силы. Ведь эти силы порождаются одной и той же величины энергии (равенство энергий внутреннего и наружного потоков). Но это неравенство способствует тому, что для своего безбедного существования вихрь должен постоянно подпитывать свой внутренний поток средой из внешнего окружения. Т.е. вихрь Бенара существенно нестабильная система, постоянно изменяющая параметры своего состояния (в сторону их увеличения). Энергию же торнадо для обеспечения ему достойной жизни способна доставить только влага. Ведь вихрь Бенара является идеальной тепловой машиной, способной как кинетическую энергию переводить в тепловую, так и тепловую энергию переводить в кинетическую. Поэтому торнадо способен существовать только до тех пор, пока он имеет возможность распоряжаться достаточным количеством влаги. Исчерпал запасы влаги и торнадо затухает.

            Но мы не обязаны дожидаться окончания этого процесса. Ещё гениальный Тесла рекомендовал для уничтожения торнадо расстреливать его хобот. К его рекомендации можно добавить только следующее. Сила взрыва в хоботе должна быть такой, чтобы её сумма с величиной центробежной силы была больше величины центростремительной силы. И торнадо можно весьма эффективно уничтожать.

            В метеорологии лапша на тайфуны навешивается и при рассмотрении условий их формирования. Ураган считается следствием организации кучево-дождевых облаков в единый кластер с последующим их закручиванием. Т.е. считается, что у урагана отсутствует стадия младенчества, а он рождается сразу же взрослым, сформировавшимся (сразу же у него формируется и глаз, и стена). И ему только то и остаётся, что хулиганить на земных просторах. В организации кучево-дождевых облаков нет ничего необычного. А вот что заставляет их закручиваться? Ничего необычного нет и в том, что в кучево-дождевых облаках могут сформироваться конвективные ячейки (т.е. вихри Бенара). И вновь ничего необычного не произойдёт, если одна или несколько конвективных ячеек преобразуются в торнадо. Торнадо ведь возникают не только в аллее торнадо, но и в морской акватории. Ничем не отличаются от других мест в морской акватории и области формирования тайфунов.

    Области формирования ураганов

    Рисунок 3

    Области формирования ураганов

            В кучево-дождевых облаках областей формирования ураганов сформировалось торнадо. Если при этом температура поверхности воды больше 26 градусов, то, используя тепловую энергию воды, торнадо имеет все возможности для роста.

            Всем знакомы вихри в ванной, возникающие при небольшом в ней уровне воды. Этот вихрь является вихрем Бенара. В начальной стадии его образования мы видим воронку, вращающуюся в одном направлении. А т.к. вихрь уходит в трубу, то мы видим основание вихря Бенара. Следовательно, среда при переходе из внешнего потока во внутренний приобретает направление внутреннего потока вихря. В конечный же момент существования вихря мы кратковременно видим противоположное направление вращения. Т.е. и в вершине вихря среда, переходя из внутреннего потока в наружный, приобретает направление вращения наружного потока.

            Торнадо, возникшее в одной из областей формирования тайфунов, точно так же как и вихрь в ванной в своём основании имеет бешеную скорость вращающегося потока в направлении центра. Динамическая величина разрежения, создаваемая потоком, засасывает воду с поверхности океана. Внутренний поток торнадо поднимает воду на свою вершину. В этом процессе мелкие капельки воды конденсируются, выделяя тепловую энергию. Вихрь же Бенара, как идеальная тепловая машина, преобразует тепловую энергию в кинетическую, увеличивая как скорость вращения, так и скорость осевого движения.

            В результате увеличивается как центростремительная, так и центробежная силы. А как мы выяснили, величина центростремительной силы в торнадо больше величины центробежной силы. Поэтому с увеличением энергии торнадо уменьшается площадь сечения его хобота и увеличивается площадь его внешнего кольца. При этом торнадо постоянно вздымает вверх море воды, постоянно увеличивая объём облаков. Причём вращение облачности идёт в направлении вращения внешнего кольца торнадо. И естественно, центробежная сила выбрасывает облака за пределы внешнего потока, увеличивая площадь облачности.

            Если температура поверхности воды больше 26 градусов, то торнадо получает возможность для безграничного наращивания своей мощности. Площадь сечения хобота постоянно уменьшается. И неизбежно наступает момент, когда центростремительная сила побеждает, и хобот исчезает. А т.к. исчезает осевое направление движения, то во всей области уже не торнадо, но пока ещё не тайфуна формируется одно и то же направление вращения без вертикальной компоненты. Вихрь Бенара преобразуется в вихрь Тейлора. И центростремительная с центробежной силами формируются по другому механизму.

            Тем не менее, у поверхности океана всё так же присутствует большая скорость вращения, динамически испаряющая воду с поверхности океана. А вот здесь уже появляется градиентная сила. У поверхности океана концентрация влаги велика. С высотой идёт её конденсация с формированием облачности (т.к. масса капель жидкости больше массы водяных капелек, то центробежная сила выдавливает их наружу). А по правилу прецессии центробежная сила действует по радиусу, а облака вылетают по образующей, имея то же самое направление вращения. Содержание влаги уменьшается и появляется градиентная сила.

            Облака удрали на периферию, оставив вихрю выделившуюся тепловую энергию. Но мы имеем уже не вихрь Бенара, а вихрь Тейлора. Поэтому и утилизация тепловой энергии идёт за счёт элементарных вихрей вихря Тейлора, которые являются вихрями Бенара. Кинетическая энергия вихря Тейлора увеличивается за счёт утилизации тепловой энергии. При этом растёт как центростремительная сила, так и центробежная сила.

            В вихре же Тейлора отсутствует перекос между ними, существующий в вихре Бенара. Поэтому величина центробежной силы близка к величине центростремительной силы. Т.е. как только вихрь Бенара преобразовался в вихрь Тейлора, так тут же центробежная сила начинает предъявлять свои права. И в центре уже вихря Тейлора появляется зачаток глаза тайфуна. А т.к. вращение вихря продолжает свою работу по динамическому испарению воды, то его мощь постоянно растёт. И в зависимости от условий незначительный вначале кластер кучево-дождевых облаков разрастается в тайфун той или иной мощности.

          

     

         Литература.

    1.Библиотечка квант. Выпуск 48 А.Т. Филиппов. Многоликий солитон. Москва, «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1990

    2.Sirovich L., Ball K. L., Keefe L. R. Plane waves and structures in turbulent channel flow. Phys Fluids A2 (12), December 1990, 2217-2226

    3.Бондаренко А.Л. "Гольфстрим, мифы и реальность" http://www.randewy.ru/gml/golf.html

    4.Г. Шлихтинг. Теория пограничного слоя. “Наука”, М. 1969.







    Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru