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



  • Крупномасштабная циркуляция в океанах и морях
     

    Василий Букреев



    Крупномасштабная циркуляция в морях и в океанах

    (или всегда ли выполняется закон сохранения энергии?).

    В океанологии уже не вызывает сомнений факт существования крупномасштабных циркуляций в океанах и в морях. При подведении же теоретической базы под эти циркуляции предложено достаточно много механизмов, в числе которых можно назвать вихревые волны Кельвина, вихревые волны Россби и др. [1], [2]. Не утихают споры и по поводу того, являются ли крупномасштабные циркуляции волнами, вихрями или просто реками в океане.

    Но все эти споры беспредметны, т.к. самих вихрей, как таковых в этих спорах не существует. Ведь вращательное движение среды вихрем отнюдь не является. Вращение, скажем, применяется и в циклонах для разделения компонентов смеси. Но вне конструкции циклона это вращение самостоятельно существовать не может. Вихри же являются самодостаточными, упругими структурами, не спрашивая на то нашего разрешения возникающими в природе чуть ли не повсеместно.

    Поэтому и непонятно о чём же собственно говорится в следующем высказывании [2] «Если бы дрифтёр двигался в вихре, то скорость его перемещения изменялась бы мало. На рис. 12 видно, что скорость изменяется как в волновом течении (Бондаренко А.Л. 2009). Скорость возрастает до максимального значения (1-2 м/сек), затем уменьшается до 5 см/сек, иногда поток почти останавливается, затем снова приходит в движение. Таким образом происходит движение в волновых течениях.»

    О каком вихревом движении идёт речь? Вихревых движений существует всего два типа: вихри Тейлора и вихри Бенара. В вихре Тейлора частицы среды двигаются по окружностям. И в первом приближении можно считать, что тангенциальная скорость движения в вихре Тейлора практически постоянна (т.е. изменяется мало). В вихре же Бенара среда с одним направлением вращения двигается в одном направлении, а с другим направлением вращения среда двигается в противоположном направлении. О каком же вихревом движении идёт речь в приведённой цитате?

    И в каком волновом течении скорость движения может изменяться от максимума до минимума? И почему она должна падать практически до нуля? В волновом движении от брошенного в воду камня течения как такового не существует. Поверхность воды по синусоиде двигается вертикально вверх и вертикально вниз, действительно останавливаясь в верхних положениях. Но где же здесь течение? К тому же дрифтёр это поплавок нейтральной плавучести, не имеющий возможности для вертикального волнового перемещения.

    Волны, созданные ветром, двигаются со скоростью ветра (несколько от него отставая). А неужели эта ветровая волна когда-нибудь изменяет свою скорость или останавливается? Конечно же нет. Солитон? Но извините. Скорость распространения солитона практически постоянна и не может падать практически до нуля. Тогда каким же «Таким образом происходит движение в волновых течениях»??? И что понимается под волновым течением?

    И всё же волна или вихрь?

    Классическая волна является непрерывным образованием, в котором отдельно взятый любой из  её периодов автономно существовать и тем более перемещаться не может. Т.е. из классической волны не создать волнового течения (хотя скорость движения и изменяется в волне от максимума до минимума, в точках экстремума изменяя своё направление). Последовательность же солитонов можно рассматривать как последовательность частиц. Но солитон имеет форму округлого холма, который перемещается как единое целое, не изменяя своей формы [3]. Т.е. точки и на вершине холма, и у его основания двигаются с одной и той же скоростью. И никаких минимумов и максимумов скорости движения в солитоне не существует.

    К тому же следует добавить, что внутренняя структура солитона в настоящее время всё ещё экспериментально не определена. Математическая же эквилибристика численных решений отнюдь не равноценна реальному натурному эксперименту. Поэтому в современной ситуации любое описание внутренней структуры солитона может осуществляться только на уровне ничем не подкреплённых домыслов.

    Но прежде чем рассматривать к какому типу относятся крупномасштабные циркуляции морей и океанов, приведём несколько цитат. В работе [2] говорится «… движение крупномасштабной циркуляции показано в работе (Philip L. Richardson, 1991). На рис. 1 показаны траектории 230 дрифтёров, запущенных с 1972 по 1989 г.г. на глубинах до 2000 м. в северной Атлантике в районе Гольфстрима и прилегающих к нему. Статья начинается с фразы: «Здесь есть кое-что удивительное в поверхностных траекториях дрифтёров». Что же удивило авторов? Несмотря на то, что на одном рисунке приведены все траектории, что делает невозможным проследить за конфигурацией траектории каждого дрифтёра, ясно, что течение имеет вихревой и волновой характер. Из текста статьи следует, что половина дрифтёров совершали вращательное движение по часовой стрелке, другая половина против. Можно найти доводы в пользу вихревой структуры течений Гольфстрима, другие доводы свидетельствуют в пользу волновой природы наблюдаемых течений. Траектории дрифтёров имеют петлеобразный характер, авторы называют их Eddys

    Рисунки 1, 2 и 3 взяты из работы [2].

    Рисунок 1.

    240 поплавков нейтральной плавучести

    SOFAR (Sound Fixing And Ranging) в северной Атлантике на глубине от

    700 до 2000 м. (Philip L. Richarson 1991).

    Отметим, что удивившие авторов статьи экспериментальные данные свидетельствуют о том, что «половина дрифтёров совершали вращательное движение по часовой стрелке, другая половина против». И также отметим, что «Траектории дрифтёров имеют петлеобразный характер» (рис. 2).

    Рисунок 2.

    Три среднемасштабных вихря, проследовавших в восточной Атлантике длительное время (Philip L. Richardson. 1991).

    «Несмотря на то, что на одном рисунке приведены все траектории, что делает невозможным проследить за конфигурацией траектории каждого дрифтёра, ясно, что течение имеет вихревой и волновой характер.» Напротив абсолютно неясно, каким образом из приведённых рисунков можно сделать вывод о том, что движение имеет волновой характер. Изменение же направления вектора скорости на рис. 3 однозначно указывает на вихревой характер течения, но уж никак не на волновой его характер. Направление скорости в вихре изменяется непрерывно. В волновом же движении от брошенного в воду камня направление скорости движения меняется на противоположное дискретно (всего только дважды за период).

    Рисунок 3

    Временная серия векторов скорости течения. Дискретн. измерений-полчаса.

    Май 1999 г. Зарегистрировано (сверху вниз): буй М на 2 м. буй N на глубине 9 м.,

    29 м., 49 м., 69 м. и 94 м. По оси Y расположена шкала скорости в см/сек,

    вверх-север, по оси X-время в сутках (Kelly et all, 2002).

    Но если чего-то уж очень хочется, то почему бы и не сделать подарок себе любимому. И вопреки неопровержимым фактам делается вывод о волновом характере течения. А ларчик просто открывается. Ведь не одни  только авторы метеорологи понятия не имеют о том, что же собой представляют вихри. А ведь кроме вихрей Тейлора существуют ещё и вихри Бенара [4].

    Рисунок 4.

    Движение среды в вихре Бенара.

    В классическом эксперименте Бенара вихри были расположены вертикально и имели два потока. По внутреннему потоку среда с одним направлением вращения поднималась вверх, а с противоположным направлением вращения опускалась вниз. На рис. же 4 вихрь Бенара уложен на бок, т.к. именно в таком положении он и может перемещаться в морях и в океанах.

    При этом в центральном потоке скорость осевого движения постоянна на любом его радиусе. В периферийном же потоке скорость осевого движения уменьшается при увеличении радиуса. Тем не менее, скорость осевого движения на периферии вихря Бенара нулю не равна. А т.к. вихрь Бенара катится по своему окружению всей своей периферией, то скорость его перемещения в направлении движения внутреннего потока совпадает с абсолютной величиной скорости движения периферийного потока. В качестве примера можно привести колесо автомобиля, в котором в месте контакта с землёй колесо двигается в направлении противоположном направлению движения автомобиля.

    Но в вершине и в основании вихря Бенара среда переходит из потока в поток. Как же она при этом двигается. При истечении воды из ванной формируется вихрь Бенара, который перемещается из ванны в трубу. Т.е. мы видим основание вихря. Во всей воронке вихря мы наблюдаем при этом одно направление вращения, совпадающее с направлением вращения внутреннего потока. Но в последний момент существования вихря в ванной мы видим противоположное направление вращения. Т.е. мы видим вершину вихря, направление вращения в которой совпадает с направлением вращения периферийного потока. Поэтому на рис. 4 направление вращения среды в основании и в вершине вихря выделено цветом, совпадающим с цветом соответствующего потока.

    В работе [5] приведена схема течения в узкой приэкваториальной зоне (рис. 5).

    Рисунок 5.

    Линии токов волн Россби в узкой приэкваториальной зоне (2° – 3° от Экватора на север и юг) в виде эллипсов со стрелками (вектор волновых течений) и её окружение. Сверху – вид по вертикальному сечению вдоль Экватора (А), снизу – вид сверху на течение. Голубым и синим цветом выделена область подъёма на поверхность холодных глубинных вод, желтым – область опускания на глубину теплых поверхностных вод [Бондаренко, Жмур, 2007].

    Если схема поверхностного течения ещё как-то похожа на природные реалии, то схема вертикального разреза течения к природным реалиям никакого отношения не имеет. Не может один и тот же природный объект иметь черты как вихря Тейлора (вертикальный разрез течения), так и вихря Бенара (горизонтальное сечение течения). К тому же согласно рис. 5А апвеллинг и даунвеллинг  происходят с постоянством восхода и захода солнца. Следовательно, поверхностный слой океана должен равномерно этим перемешиваться. И при таком характере течения холодных пятен на поверхности океана быть не может.

    На самом же деле рис. 5 абсолютно нереален. Согласно рис. 5А получается, что вихрь непонятно по чему катится. Если он катится по нижележащему слою воды, то почему направление распространения волн противоположно направлению движения крупномасштабного течения? Другими словами, автомобиль катится в том же направлении, в котором двигается колесо в месте контакта с землёй. Такого же быть не может. Т.е. согласно рис. 5А получается, что колесо вихря катится по ???твёрдой??? поверхности воздуха. Ещё более абсурдно.

    Но рис. 5Б уже не столь абсурден. Два колёсных вихря катятся в месте контакта друг по другу. Т.е. ничего и никуда они перемещать не могут. Значит, перемещение обоих колёсных вихрей может осуществляться только их противоположными сторонами. Следовательно, направление движения крупномасштабного течения должно совпадать с направлением движения вихревых колёс в месте их контакта. Это и изображено на рис. 5Б.

    Но судя по пятну апвеллинга и рис. 5А, и рис. 5Б представляют одну и ту же природную конструкцию, разрезанную в одном случае по вертикали и в другом случае по горизонтали. Но каким же образом двурогого быка рис. 5Б можно скрестить с единорогом рис. 5А? Лично у меня пространственного воображения для этого не хватает. К тому же рис. 5 описывает, скажем, только северную часть крупномасштабного течения или на рис. 5 изображены обе стороны от экватора? Но тогда как течение рис. 5А может делиться на северную и на южную части? Подобных же проблем не возникает для осесимметричного вихря Бенара.

    Рисунок 6.1

    Схема осевого движения среды в вихре Бенара.

    Рисунок 6.2

    Схема тангенциального движения среды в вихре Бенара.

    На рисунке 6.1 показаны осевые направления среды в вихре Бенара. На рис. же 6.2 показаны тангенциальные направления движения среды в вихре Бенара. А чтобы не загромождать рисунок, внутренний поток на рис. 6.2 размещён не в центре наружного потока, а рядом с ним. Внешний же поток является кольцом, а не кругом. При этом, конечно же, как будет показано ниже, во внешнем потоке среда делает большее число оборотов по сравнению с числом оборотов во внутреннем потоке.

    Вспомним, что «Траектории дрифтёров имеют петлеобразный характер». Движение среды в вихре Бенара как раз и формирует петлеобразный характер движения дрифтёров. Ведь площадь сечения внутреннего потока вихря Бенара меньше площади сечения кольца его внешнего потока. А в первом приближении сколько среды проходит по внутреннему потоку, столько же среды проходит и по внешнему потоку. Т.е. осевая скорость движения среды во внутреннем потоке больше осевой скорости движения среды во внешнем потоке. А т.к. сам вихрь перемещается в направлении движения внутреннего потока, то дрифтёр, попадая из внутреннего потока во внешний поток (т.е. двигаясь в нём в обратном направлении) и обратно во внутренний поток, демонстрирует петлеобразное движение.

    Рисунок 7

    Траектория дрифтёра, переходящего из потока в поток.

    Горизонтальными стрелками на рис. 7 показаны направления движения во внутреннем и во внешнем потоках. Красным цветом выделена траектория движения дрифтёра, переходящего из внутреннего потока в наружный и обратно. Красной горизонтальной стрелкой показано общее направление движения дрифтёра. Ведь скорость внутреннего потока больше скорости наружного потока. Поэтому в целом дрифтёр двигается в направлении внутреннего потока, отставая от него за счёт времени нахождения в наружном потоке (стоит отметить, что дрифтёр перемещается из потока в поток не по тому же радиусу, по которому он входил в него: вращательная компонента движения переместит его на другой радиус). А т.к. вихрь Бенара в своём движении опережает движение дрифтёра, то последний обязательно попадёт в основание вихря, переходя в нём в вершину следующего вихря.

    Находясь во внутреннем потоке вихря, дрифтёр двигается со скоростью суммы скорости движения внутреннего потока и абсолютной величины скорости движения наружного потока (ведь наружный поток катится по окружающей водной среде в направлении движения внутреннего потока). В наружном же потоке скорость движения дрифтёра должна падать практически до нуля (ведь его движение с наружным потоком в обратном направлении практически компенсируется его движением в составе вихря в целом в направлении движения внутреннего потока). Отметим, что в наружном потоке вихря Бенара скорость движения среды несколько уменьшается в направлении периферии.

     Причём, попав в основание или в вершину вихря Бенара, дрифтёр переходит из потока одного вихря в поток другого вихря (что изображено на рис. 7 вертикальной стрелкой). К тому же «половина дрифтёров совершали вращательное движение по часовой стрелке, другая половина против». А это является неотъемлемым признаком вихря Бенара: направления вращения среды в его потоках прямо противоположны друг другу (как это и изображено на рис. 6.2). А т.к. дрифтёр двигается от вершины вихря к его основанию, то направление скорости его вращения  постоянно изменяется, что и демонстрирует рис. 3.

    Т.к. дрифтёр является поплавком нейтральной плавучести, то он способен перемещаться только в горизонтальном направлении. Поэтому в горизонтальном направлении дрифтёр, попавший в центральную часть вихря, часть пути вращался по часовой стрелке, а часть пути (попав во внешнюю часть вихря) вращался против часовой стрелки (а т.к. на рис. 1 дрифтёры двигались на глубине от 700 до 2000 м., то  они и разделились поровну по направлению вращения). Попав же в сектора вихря, в которых присутствовал только его внешний поток, дрифтёр мог вращаться в одном направлении.

    Вихрь же Тейлора имеет следующий вид.

    Рисунок 8.

    Движение среды в вихре Тейлора.

    Движение среды в вихре Тейлора действительно осуществляется по кругу (причём по внутренним окружностям вращение идёт по тому же направлению), как это принято на рис. 5 для вертикального разреза течения. Но существует одно очень маленькое, но весьма неприятное для рис. 5 НО… Если вихрь Бенара двигается в направлении оси, то ось вихря Тейлора всегда направлена поперёк направления движения вихря. А диаметр вихря Тейлора существенно меньше его длины по оси. К тому же в вертикальном направлении можно с одиночного вихря получить течение и противотечение. Но абсолютно неясно как получить противотечения по горизонтали.

    Поэтому о крупномасштабной циркуляции порядка сотен км. (расположенной в направлении перпендикулярном направлению движения крупномасштабной циркуляции) в случае вихря Тейлора нечего и говорить. Поэтому все течения в океанах могут формироваться только и только последовательностями вихрей Бенара, двигающимися в направлении оси. Для последовательности же вихрей Бенара естественно возникают противотечения как по вертикали, так и по горизонтали.

    Рисунок 9

    Последовательность вихрей Бенара

    На рис. 9 изображена последовательность из 4 вихрей Бенара. Т.к. на рис. 6.2 уже продемонстрировано вращение внутреннего и внешнего потоков, то на рис. 9 внутренний поток изображён внутренним потоком. Между первым и вторым вихрем оставлен просвет. Наружный поток вихря Бенара вроде бы двигается в направлении обратном направлению движения самого вихря. Но вихрь это аналог подшипника, трение скольжения заменяющий трением качения. А т.к. по окружению вихрь катится своей периферией, то последовательность вихрей двигается справа налево в направлении движения внутреннего потока. Направления же вращения внутреннего и наружного потоков противоположны друг другу, что показано стрелками разного цвета.

    Т.е. и в вертикальном, и в горизонтальном направлениях противотечения действительно существуют. Причём, образно говоря, противотечения симметричны относительно центра (если не учитывать изменения величины давления с глубиной, что отменяет симметрию). Но тем не менее, противотечение внешнего потока вихря Бенара по отношению к его внутреннему потоку перемещает сам вихрь в направлении движения его внутреннего потока. Следовательно, и сам внешний поток, катясь по окружению, всё же перемещается в направлении движения внутреннего потока. Повторим ещё раз. Из классического эксперимента Бенара очевидно, что направления движения внутреннего и внешнего потока вихря противоположны. А тем не менее, сам вихрь (в том числе и его внешний поток) перемещается в направлении движения внутреннего потока.

    Сказки о Гольфстриме

    Достаточно полно мифы о Гольфстриме изложены в работе [1]. Согласно современным представлениям Гольфстрим это река в океане, несущая тёплую воду в количестве, превышающем суммарный сток всех рек мира. И образно говоря, на выходе из Мексиканского залива Гольфстрим можно уподобить ручейку (размером в 100 км). Зато при дальнейшем движении, не имея притоков, Гольфстрим почему-то преобразуется в могучую, полноводную реку (размером в 300 км). И к этому чуду природы вроде бы не прикладывало руку божественное провидение. В чём же причина? Для этого же надо разобраться с силами, формируемыми самим вихрем Бенара.

    Для независимости же изложения повторим рассуждения о силах, действующих в вихре Бенара. Т.к. потоки в вихре Бенара никогда не перемешиваются (цилиндрическая граница между потоками является для них непроходимой), то они являются упругими образованиями, подобными твёрдым телам. И с полным на то правом мы можем применять к элементам как вихря Бенара, так и вихря Тейлора правило прецессии. В вихре Тейлора присутствует только тангенциальное направление вращения. В вихре же Бенара присутствует два типа вращения: осевое вращение вокруг цилиндра, разделяющего потоки, и тангенциальное направление вращения (из потока же в поток среда переходит только в основании и в вершине вихря).

    При рассмотрении же вихревого движения мы обязаны различать внешнее и внутреннее взаимодействие вихрей. При внешнем взаимодействии двух вихрей (независимо от того являются два вихря вихрями Тейлора или вихрями Бенара) в тангенциальном направлении мы имеем ситуацию, изображённую на рис. 10.1.

    Рисунок 10.1

    Внешнее взаимодействие двух вихрей.

    Т.е. между расположенными рядом вихрями существует трение скольжения. При внутреннем же тангенциальном взаимодействии двух вращающихся объектов для вихря Тейлора мы имеем одну ситуацию, а для вихря Бенара мы имеем другую ситуацию.

    В

     

    Рисунок 10.2.

    Внутреннее взаимодействие в вихре Тейлора (А)

    и в вихре Бенара (В).

    Тем не менее, трение скольжения появляется в обоих случаях. В ситуации А длина внутренней окружности меньше длины внешней окружности, из-за чего и возникает трение скольжения. В случае же В трение скольжения появляется естественно. В дополнении к рис. 10.1 для вихря Бенара кроме тангенциального взаимодействия мы обязаны рассматривать и взаимодействие в осевом направлении движения, что и демонстрирует рис. 10.3.

    Рисунок 10.3.

    Внешнее взаимодействие двух вихрей Бенара.

    Т.е. вертикальное взаимодействие соседних вихрей трения скольжения не формирует. Тангенциальное же взаимодействие соответствует рис. 10.1.

    Наиболее простое взаимодействие наблюдается в случае внутреннего взаимодействия в вихре Тейлора. Т.к. в данной ситуации вихрь Тейлора нас не интересует, то формирование центробежной силы мы рассмотрим позднее. Ведь как и для любого другого вращающегося объекта в вихре Тейлора формируется центробежная сила.

    Попав на какую-либо из окружностей, элементы вихря Тейлора сойти с неё уже не могут (т.е. потоки среды с соседних окружностей друг с другом не перемешиваются). Длина же внутренней окружности меньше длины внешней окружности. Поэтому элементы внутренней окружности в своём движении опережают элементы внешней окружности. И мы можем считать, что внутренняя окружность вращается относительно внешней окружности. При этом возникает сила трения скольжения, направленная по касательной.

    По правилу же прецессии тангенциально направленной силе трения скольжения противодействует перпендикулярно направленная сила, направление действия которой смещено в направлении вращения. А т.к. внутренняя окружность вращается относительно внешней, то тангенциальной силе трения скольжения противодействует сила, имеющая центростремительный характер. Этим самым для вращающихся объектов природы пустым сотрясением воздуха является третий закон Ньютона.

    Если согласно третьему закону противодействующая сила обязана противодействовать движению, то для случая вихревого движения противодействующая сила напротив способствует движению. Ведь на элементы внутренней окружности со стороны элементов внешней окружности действует центростремительная сила. И всё по тому же правилу прецессии центростремительной силе будет противодействовать тангенциально направленная сила, которая будет увеличивать скорость вращения элементов внутренней окружности. И вопреки третьему закону Ньютона трение скольжения между элементами с соседних окружностей будет не уменьшать, а увеличивать скорость вращения элементов внутренней окружности. Таким образом, энергия среды, двигающейся по внутренней окружности, оказывается больше энергии среды, двигающейся по внешней окружности. Т.е. в итоге для вращающихся тел природы не выполняется и закон сохранения энергии (что и формирует увеличение тангенциальной скорости движения среды в направлении центра вихря Тейлора, что наиболее зримо видно на примере стены тайфуна). В уравнениях же современной гидродинамики это нарушение закона сохранения энергии никак не учитывается. Поэтому современная математическая эквилибристика не описывает гидродинамики вихревого движения даже в простейшем случае вихря Тейлора.

    В вихре Бенара ситуация посложнее. Ведь в нём существуют два типа вращения. Поэтому нам придётся рассматривать механизмы формирования как центростремительной силы, так и силы центробежной. А т.к. в вихре присутствуют два потока, то в первом приближении сколько массы поднимается вверх, столько же массы должно опускаться и вниз. Площадь же сечения внутреннего потока обязана быть меньше площади сечения наружного кольца (причина этого будет указана позднее). Поэтому скорость подъёма вверх во внутреннем потоке больше скорости опускания вниз в наружном потоке. Закон же сохранения энергии даже для вихря пока что в первом приближении никто ещё не отменял. Поэтому скорость вращения во внешнем потоке должна быть больше скорости вращения во внутреннем потоке.

    Таким образом, трение скольжения появляется как в осевом, так и в тангенциальном направлениях движения. А т.к. в осевом направлении внутренний поток вращается относительно внешнего потока, то осевое направление движения формирует по правилу прецессии центростремительную силу. В тангенциальном же направлении внешний поток всё по тому же правилу прецессии  формирует центробежную силу. А т.к. в первом приближении выполняется закон сохранения энергии, то величина центростремительной силы вроде бы должна быть равной величине центробежной силы. НО…

    Но каждое из направлений вращений формирует свою противодействующую силу. Осевое направление формирует две противодействующие силы. Если рассматривать движение внутреннего потока относительно неподвижного внешнего потока, то осевое направление внутреннего потока формирует центростремительную силу. А если рассматривать движение внешнего потока относительно неподвижного внутреннего потока, то осевое же направление внешнего потока формирует уже центробежную силу. Но т.к. скорость осевого движения внутреннего потока больше скорости движения внешнего потока, то их сумма даёт нам центростремительную силу. Тангенциальное же направление также формирует по той же логике по  две противодействующие силы. Но т.к. скорость вращения внешнего потока больше скорости вращения внутреннего потока, то их сумма будет формировать центробежную силу.

    А вот здесь уже появляется и большое пребольшое НО…. Скорость осевого движения внутреннего потока больше скорости осевого движения наружного потока. Поэтому динамические свойства вихря Бенара увеличивают эффективную величину вращательной компоненты внутреннего потока (ведь число полных оборотов во внутреннем потоке за счёт осевого движения больше той величины, которая была бы при отсутствии некомпенсированного осевого движения). Поэтому увеличивается формируемая тангенциальным движением внутреннего потока вращательная компонента центростремительной силы. И центробежная сила, создаваемая вращательной компонентой внутреннего и наружного потоков в результате уменьшается по сравнению с исходной ситуацией.

    В результате оказывается, что эффективная величина центростремительной силы в вихре Бенара больше величины центробежной силы. Следовательно, в силу его свойств не только в вихре Тейлора, но и в вихре Бенара также отменяется закон сохранения энергии: энергия внутреннего потока оказывается больше энергии наружного потока. А отсюда следует, что площадь окружности сечения внутреннего потока вихря Бенара всегда должна быть меньше площади кольца сечения наружного потока. И чем больше эта разница, тем меньше площадь сечения внутреннего потока и тем большей энергией обладает вихрь Бенара.

    В океанских течениях последовательности вихрей Бенара двигаются в одном направлении (рис. 9). Т.е. соседние вихри взаимодействуют вершина с основанием. А на примере вихря в ванной мы выяснили, что направления вращения в вершине и в основании вихря противоположны друг другу.

    Рисунок 11.

    Взаимодействие основания и вершины двух вихрей Бенара.

    Осевого направления движения ни в вершине, ни в основании вихря не существует. Т.е. взаимодействие между вихрями идёт только в тангенциальном направлении (причём это взаимодействие является внешним). А внешнее взаимодействие в рассматриваемом случае формирует противодействующую силу осевого направления. Т.к. вершина одного вихря вращается относительно основания другого вихря, то противодействующая сила направлена в сторону вращения. Такая же ситуация существует и в его основании. Следовательно, противодействующие силы от соседних вихрей для рассматриваемого вихря компенсируют друг друга.

    Но для дрифтёра эта ситуация неоднозначна. Попав в основание вихря, он должен был бы перейти в вершину следующего вихря. Но возникающая при этом (рассмотренная выше) сила препятствует переходу до тех пор пока инерция движения во внешнем потоке (всё-таки массивного дрифтёра) не переправит его в следующий вихрь. Поэтому для дрифтёра возможна ситуация, когда он какое-то время будет прыгать вокруг границы между двумя вихрями.

    Одиночный вихрь любого типа является в основном не реальным материальным вихрем, а движением энергетического состояния. Т.е. центростремительная сила энергетического состояния включает в вихревое движение массу среды на своём переднем фронте. Центробежная же сила энергетического состояния вихря исключает из вихревого движения массу среды на его заднем фронте. А упорядочивание и разупорядочивание вихревого движения среды неизбежно сопровождается потерями энергии энергетического состояния вихря. Поэтому одиночный вихрь любого типа и имеет конечное время жизни. И скажем цунами, являющееся вихрем Тейлора, с течением времени теряет свою энергию. И пробежав половину земного шарика, цунами приносит с собой значительно меньшие разрушения по сравнению с началом своего пути.

    Совсем иная ситуация наблюдается в случае последовательности вихрей. Ведь согласно рис. 10.1 между соседними вихрями появляется тангенциально направленная сила трения скольжения. И по правилу прецессии она формирует для каждого из вихрей центростремительную силу, которая и компенсирует им потери энергии. Поэтому и мёртвая зыбь, являющаяся последовательностью вихрей Тейлора, имеет возможность распространяться без потерь энергии по всему мировому океану.

    А как мы выяснили, в последовательности вихрей Бенара это явление отсутствует: вершина и основание вихря компенсируют силы, возникающие за счёт трения скольжения. Но в вихрях Бенара внутренний поток обладает большей энергией, чем внешний поток. Поэтому одиночный вихрь Бенара в силу своей природы требует постоянной подпитки массой. Т.е. энергетическое состояние вихря Бенара своей центростремительной силой требует включения в вихревое движение большей массы среды, чем центробежная сила расстаётся с массой среды на заднем фронте вихря. И если по тем или иным причинам вихрь Бенара этого дела делать не может, то вихрь разрушается (примером служат торнадо и тайфуны двигающиеся по земной поверхности). В последовательности же вихрей Бенара (из которых и составлены крупномасштабные океанские и морские течения) этот избыток энергии поддерживает существование последовательности.

    Не будем выяснять причины, формирующие вихри Бенара в крупномассшабных течениях морей и океанов. Будем считать их пока природной данностью. Но в водной среде существуют не только крупномасштабные течения. Существует и такое мощное средство воздействия на водную среду, как приливы и отливы. Отливы для наших целей не интересны. Но ведь каждый прилив сопровождается созданием пупырышка на поверхности воды.

    Но согласно работам [4] и [6] шероховатости на поверхности тела в пограничном слое разворачивают вихри перпендикулярно поверхности, вынося их в пограничный слой, формируя этим самым турбулентность. И согласно работе Шлихтинга, чем более гладкая поверхность, тем меньше шероховатости, и тем при больших числах Рейнольдца возникает турбулентность. Наш же приливной пупырышек мы можем рассматривать в качестве шероховатости, способной развернуть вихрь Бенара с горизонтального положения в вертикальное. Но на всякий лунный чих природа реагировать не может. И вероятно, что только пупырышек сизигийного прилива (или пупырышек близкой величины) способен развернуть вихрь Бенара в вертикальное положение.

    В вертикальном же положении внутренний поток вихря Бенара  выносит холодную воду с глубин океана, формируя холодное пятно. А вот здесь уже безусловно прав Бондаренко [5], связывающий формирование атмосферных вихрей с возникновением холодного пятна в океане. Но начав за здравие, он кончил за упокой. Ведь предложенный им механизм формирования атмосферных вихрей не имеет никакого отношения к природным реалиям. Но об этом несколько позже.

    Вихрь же Бенара может иметь как форму бочонка, с минимальной величиной энергии, так и форму змеи, со значительно большей величиной энергии. К тому же бочонок вихря Бенара выносит холодную воду с меньшей глубины, т.е. менее холодную. Змееподобный же вихрь Бенара в вертикальном положении проникает на большую глубину и выносит на поверхность более холодную воду.

    Поэтому для температуры воды в холодном пятне существенное значение имеет место его возникновения. Скажем, для Гольфстрима у берегов Африки вихри Бенара имеют форму близкую к бочонку. Поэтому пупырышек прилива, разворачивая вихрь Бенара в вертикальное положение, формирует более тёплое холодное пятно, чем такой же пупырышек перед Мексиканским заливом. Т.е. холодные пятна перед Мексиканским заливом холоднее холодных пятен у берегов Африки, что и позволяет формироваться ураганам в окрестности более холодных пятен.

    Но пупырышки приливов отнюдь не являются неподвижными образованиями природы. Скажем, то же течение Гольфстрим на его южном участке (от Африки к Америке) пупырышек в своём движении пересекает под одним углом к направлению течения, а на его северном участке (от Америки к Европе) пупырышек пересекает течение под другим углом к направлению его течения. Естественно, что движение пупырышка порождает силу, действующую на вихри Бенара.

    Разложив эту силу на составляющие (параллельную и перпендикулярную оси вихря), мы должны рассмотреть результат их действия. Причём полученные составляющие силы могут действовать только на внешний поток вихря.

    Рисунок 12

    Влияние приливов на вихри Бенара.

    Внешний поток вихря Бенара (бирюзовая стрелка) двигается в направлении обратном направлению движения вихря (синяя стрелка), чему и соответствует, скажем, рис. 12А. Составляющие силы изображены на нём чёрным цветом. Но эти силы действуют на вращающийся объект. Поэтому мы обязаны применять правило прецессии. Т.е. составляющая силы, параллельная оси вихря, действует на тангенциальную составляющую скорости движения внешнего потока, уменьшая её.

    Составляющая же силы, перпендикулярная оси вихря, действует на осевую составляющую его скорости движения. А вот здесь мы обязаны применять правило, действующее для силы Кориолиса. А т.к. в северном полушарии сила Кориолиса направлена вправо, то она будет увеличивать скорость осевого движения внешнего потока вихря Бенара.

    Уменьшение тангенциальной составляющей скорости движения внешнего потока вихря Бенара увеличивает величину центростремительной силы. Увеличение же величины осевой составляющей скорости движения внешнего потока напротив уменьшает величину центростремительной силы. Но выше мы выяснили, что превышение величины центростремительной силы над величиной центробежной силы создаётся динамическим фактором изменения тангенциальной составляющей скорости движения (т.е. за счёт динамики по внутреннему потоку проходит большее количество периодов по сравнению с отсутствием динамики). Поэтому влияние изменения величины тангенциальной составляющей скорости движения на величину центростремительной силы большее, чем соответствующее влияние на неё осевой составляющей скорости движения.

    Поэтому влияние приливных пупырышков на южный рукав течения Гольфстрима увеличивает энергию соответствующих вихрей Бенара. А т.к. это влияние имеет ежедневный характер в течение всего времени движения Гольфстрима от берегов Африки к берегам Америки, то в результате получается значимое приращение энергии вихрей. И вполне естественно, что у берегов Африки энергия вихрей Бенара в Гольфстриме мала. А к берегам Америки подходит уже мощное океанское течение, вихри которого имеют змееподобный вид. Т.е. Гольфстриму у берегов Америки уже есть что терять.

    В северной же ветви Гольфстрима ситуация прямо противоположная (чему соответствует рис. 12 Б). Поэтому энергия вихрей Бенара, составляющих течение уменьшается. А потери энергии вихря Бенара преобразует его из змееподобного состояния в состояние раздутого по диаметру бочонка. Поэтому и Гольфстрим, выходя из Мексиканского залива, имеет размер 100 км, а при приближении к Европе из-за ежедневных потерь энергии его размер увеличивается до 300 км.

    В конечном итоге энергия вихрей уменьшается настолько, что каждый из них по отдельности не способен существовать в прежнем виде. Поэтому все вихри Бенара течения Гольфстрима делятся на два, один из которых направляется к югу, замыкая циркуляцию Гольфстрима, а второй направляется к северу Европы.

    Атмосферные вихри

    Для дальнейшего изложения нам понадобятся свойства вихря Бенара. Хотя это и неосознанно в современной физике, но рукотворный вихрь Бенара уже существует, т.к. он создан в трубке Ранке.

    Рисунок 13

    Трубка Ранке.

    В трубке Ранке существует внутренний и внешний потоки. Внутренний поток уходит в обратном направлении, а внешний поток уходит в прямом направлении. Кроме того, в работе [7] при анализе трубки Ранке сообщается, что Финько экспериментально обнаружил, что направления вращения внутреннего и наружного потоков противоположны друг другу. Т.е. тангенциальным входом в трубке Ранке создаётся одно направление вращения. А трубка Ранке проявила самостоятельность, сформировав для внутреннего потока направление вращения противоположное созданному конструкцией. И ничего в этом нет удивительного.

    Ведь классика классической механики почему-то обижает вихревое движение. Прямолинейное движение закономерно пользуется всеми благами закона сохранения момента количества движения. Действию в прямолинейном движении противодействует противоположно направленное по той же прямой противодействие. Вихревое же движение современная физика этих благ почему-то необоснованно лишила. Да это и понятно. Действие в прямолинейном движении строго равно противодействию. В вихревом же движении вихревое действие только функционально связано с вихревым противодействием. И скажем, для трубки Ранке мы не можем получить вихревого противодействия при любых её конструктивных параметрах.

    Поэтому и раздаются безрадостные стенания по поводу того, почему же вращения в разных потоках трубки Ранке противоположны друг другу. Применив же закон сохранения момента количества движения и к вихревому движению, мы закономерно просто ОБЯЗАНЫ получить разные направления вращения в разных потоках трубки Ранке.

    Следовательно, при определённых условиях в трубке Ранке создаётся полноценный вихрь Бенара, в котором и осевые, и тангенциальные направления движения противоположны друг другу. При этом тот же Финько обнаружил, что в трубке Ранке охлаждается как наружный, так и внутренний потоки. Причём внутренний поток охлаждается сильнее, чем наружный. Но в природных вихрях Бенара потоки не разделены: в вершине вихря внутренний поток переходит во внешний, а в основании вихря внешний  поток переходит во внутренний. Т.е. и природные вихри Бенара обязаны охлаждать среду.

    Уже классический эксперимент Бенара подтверждает это положение. Ведь внешний поток вихря Бенара может опускаться вниз только тогда и только потому, что среда охладилась во внутреннем потоке. Т.е. для первоначального формирования вихря Бенара обязательным условием является наличие либо большого градиента температуры по высоте, либо наличие градиента температуры по горизонтали.

    Если первое условие создавалось в классике Бенара, то последнее условие естественным образом формируется на нагретом солнцем склоне холма. Ведь на периферии тёплого пятна существует холодное окружение. Естественная конвекция поднимает тёплый воздух вверх. При этом сила Кориолиса закручивает поднимающийся поток воздуха в северном полушарии по часовой стрелке. Охладившийся воздух опускается по периферии тёплого потока воздуха. А закон сохранения момента количества движения требует закрутки опускающегося воздуха в противоположном направлении (т.е. против часовой стрелки). К тому же и сила Кориолиса должна закручивать опускающийся поток против часовой стрелки. Т.е. уже по классике классической механики этим самым создаётся вихрь Бенара.

    Но раз вихрь Бенара создан, он начинает функционировать по своим законам, отличным от законов классической механики (эти законы рассмотрены выше). Т.к. вихрь Бенара над нагретым склоном холма ничем не отличается от вихря Бенара в трубке Ранке, то внутренний поток вихря охлаждает поднимающийся воздух. Температура в нём понижается ниже температуры насыщения, что ведёт к конденсации влаги. И над склоном холма начинает расти кучевое облачко, которое забирает выделившееся при конденсации влаги тепло. Охладившийся же воздух опускается по периферии вихря, чтобы, нагревшись на склоне холма и насытившись влагой, вновь подняться вверх по внутреннему потоку.

    Водная же акватория практически ничем не отличается от земной поверхности. Кроме разве того, что земных холмиков и горушек на поверхности воды не существует. Поэтому в морях и в океанах  не может возникать нагретая солнцем поверхность склона холма. А тем не менее, вихри Бенара возникают и в водной акватории. Вину же за это непотребство добровольно берут на себя луна с солнцем. Ведь выше мы выяснили, что сизигийный прилив формирует пупырышек на водной поверхности. Споткнувшиеся об этот пупырышек, вихри Бенара морских и океанских течений встают вертикально, вынося с глубины на поверхность холодную воду.

    И в равномерно нагретой воде появляется холодное пятно. Но в рассматриваемом случае ситуация не равноценна с ситуацией, существующей над нагретым склоном холма (и тем более с ситуацией, описанной А.Л. Бондаренко). Природа стремится поднять температуру холодного пятна. Охлаждённый пятном, более тяжёлый воздух расходится по окрестностям пятна, вытесняя вверх тёплый воздух своего окружения. Но холодное пятно находится в пределах океанского течения. И холодное водяное пятно «убегает» от охлаждённого им воздуха. Поэтому воздух, охлаждённый водным пятном, формирует холодный фронт, отстающий от движения океанского течения. Вытесненный же фронтом тёплый воздух, сформирует направленный вверх поток. Сила же Кориолиса закрутит этот поток в северном полушарии по часовой стрелке.

    А мы уже выяснили, что вихрь Бенара охлаждает поднимающуюся вверх среду. Поэтому охлаждённый воздух будет опускаться вниз. Совместной же тягой силы Кориолиса и закона сохранения момента количества движения опускающийся поток приобретёт направление вращения против часовой стрелки. Охлаждённый же вихрем Бенара воздух имеет температуру ниже точки насыщения. Поэтому влага будет конденсироваться, охлаждая воздух для нисходящего потока, что и формирует ТЁПЛЫЕ кучевые облака.

    Но процесс идёт всё же в водной акватории. И атмосферный вихрь Бенара расположен не над инертной поверхностью нагретого склона холма, а над водным вихрем Бенара. И вполне естественно, что динамика атмосферного вихря Бенара имеет большую величину по сравнению с динамикой водного вихря Бенара. А рассматривая процесс рис. 12, мы выяснили, что в последовательности водных вихрей Бенара, возникающие в основании и в вершине силы, компенсируют друг друга.

    В последовательности же водного и атмосферного вихрей Бенара скорость вращения в основании воздушного вихря больше скорости противоположного вращения в вершине водного вихря. Поэтому появится сила, направленная в сторону воздушного вихря Бенара, увеличивающая осевую составляющую его внутреннего потока. Т.е. перекос между величинами центробежной и центростремительной силами для атмосферного вихря в океане ещё больше увеличится по сравнению с перекосом между ними для вихря Бенара над нагретым склоном холма.

    Естественное увеличение перекоса между центростремительной и центробежной силами увеличивает и величину охлаждения среды во внутреннем потоке вихря Бенара. Т.е. в водной акватории увеличивается и скорость конденсации влаги. Поэтому атмосферный вихрь Бенара в водной акватории увеличивает и скорость создания вихрем ТЁПЛЫХ кучевых облаков над ним. И чем ниже температура водного пятна, тем большей энергией обладает созданный им атмосферный вихрь Бенара и тем более мощный слой ТЁПЛЫХ облаков (нагретых холодом холодного пятна) способен он породить.

    Следовательно, естественная тепловая машина вихря Бенара преобразует холод холодного водяного пятна в тепловую энергию облаков над пятном. Температура же атмосферы на уровне облаков ниже температуры самих облаков. И уже в самой облачности градиент температуры по высоте спровоцирует формирование одного или нескольких вихрей Бенара в пределах облачности.

    При этом если облачность сумела оторваться от водяного вихря Бенара, то дело ограничивается только грозовыми тучами. Если же холодное пятно имеет достаточно низкую температуру, то ситуация может развиться до формирования торнадо, с последующим перерастанием его в тайфун.

    И существенную при этом роль играет всё та же сила Кориолиса. Если сила Кориолиса меньше силы, создаваемой на границе водного вихря Бенара и воздушного вихря Бенара, то её величины недостаточно для того, чтобы разорвать связь между двумя вихрями. И атмосферный вихрь Бенара, как тепловая машина, имеет все возможности для беспрепятственной перекачки энергии от холодного водного пятна в облачную атмосферу, повышая в ней температуру.

    Тепловая машина вихря в результате своей деятельности формирует мощную облачность, в которой естественно могут возникать свои вихри Бенара уже формально не связанные с холодным водным пятном. Тем не менее, исходный вихрь Бенара, возникший над холодным водным пятном, не исчезает, за счёт пятна постоянно увеличивая свою энергию. Ведь как отмечено выше вихрь Бенара для своего существования требует постоянной добавки массы (а следовательно и энергии) в свой внутренний поток. Превышение центростремительной силы над центробежной увеличивает скорость осевого движения внутреннего потока. А согласно уравнению Бернулли это сопровождается уменьшением давления, что и засасывает из внешнего окружения дополнительную массу среды.

    Водная среда предоставляет вихрю для этого все возможности. Ведь она поставляет вихрю постоянно влажную среду в достаточном количестве. Поэтому влага конденсируется только до жидкого состояния, формируя только ТЁПЛЫЕ облака. Если же наблюдается недостаток влаги, как это происходит над земной поверхностью, то внутренний поток вихря Бенара конденсирует влагу до состояния льда. Поэтому и в грозовых тучах над земной поверхностью верхняя их часть является ледовой, а нижняя водяной. И в конечном итоге, «съев» все наличные запасы влаги, своим внутренним потоком вихрь Бенара охлаждается до состояния распада.

    Следовательно, торнадо может перерасти в ураган только над холодным пятном. Поэтому тайфуны и возникают только вблизи экватора, где мала сила Кориолиса. В средних же широтах сила Кориолиса велика. И она уводит смерч с холодного водяного пятна ещё до того, как он сумеет преобразоваться в ураган.

    Механизм преобразования торнадо в ураган описан в работе [8]. Для независимости же изложения вкратце повторим доводы работы [8]. Как мы выяснили выше, над холодным водным пятном в океане формируется атмосферный вихрь Бенара. Т.к. он находится над водным вихрем Бенара, то трение скольжения его основания осуществляется не относительно спокойной водной поверхности, а относительно вершины водного вихря Бенара, в котором вращение идёт в противоположном направлении. Т.е. трение скольжение имеет большую величину по сравнению со спокойной водной поверхностью. Поэтому появляется дополнительный избыток скорости движения центрального потока. И в соответствии с уравнением Бернулли внутренний поток вихря всё в большей и в большей степени поглощает всё большую и большую массу влажной среды. В результате безобидный вихрь Бенара преобразуется в грозное торнадо.

    Если торнадо всё так же находится над водным вихрем Бенара, то процесс закачки дополнительной массы влажной среды всё так же продолжается с прежней интенсивностью. Скорость движения внутреннего потока (хобота) торнадо продолжает увеличиваться. Соответственно растёт динамическая прибавка центростремительной силы, что уменьшает диаметр хобота торнадо. В конечном итоге диаметр хобота превращается в ноль. В вихре Бенара исчезает внутренний поток, что преобразует его в вертикальный вихрь Тейлора.

    Но прежде чем рассматривать ураганы, остановимся немного на торнадо. Среда внутреннего потока торнадо в вершине вихря переходит во внешний поток. При этом среда в вершине торнадо перемещается по расходящимся спиралям. А т.к. конденсат воды тяжелее воздуха, то он и выбрасывается центробежной силой (центростремительная сила в вершине торнадо спит) за пределы вихря. А т.к. вращение среды в вершине торнадо имеет направление вращения его внешнего потока, то формируемые торнадо ТЁПЛЫЕ облака вращаются против часовой стрелки, разбегаясь наружу от тела торнадо.

    Поэтому описание сил, приведённое в работе [9]

    Рисунок 14.

    Псевдосилы, действующие в вихре.

    не имеет никакого отношения к природной действительности. Из картины расходящихся от вихря внешних для него облаков сделан ложный вывод, что среда и в самом вихре Бенара двигается по сходящимся спиралям. Если бы облака двигались бы по сходящимся спиралям, то они все скучились бы в районе стены тайфуна, чего не наблюдается. А т.к. предположено, что среда двигается по сходящимся спиралям, то сила Кориолиса закручивает вихрь против часовой стрелки. Но общеизвестно, что в северном полушарии сила Кориолиса направлена вправо от движения, поэтому правые берега рек в Северном полушарии более крутые — их подмывает вода под действием этой силы. А вправо обозначает всё же по часовой стрелке, а не против часовой стрелки. Поэтому ни при каких условиях сила Кориолиса не сможет закручивать вихрь против часовой стрелки.

    В вихре Бенара при его преобразовании в вихрь Тейлора исчезает восходящий внутренний поток. Оставшемуся же внешнему потоку нисходящее движение уже без надобности. Исчезает и движение по часовой стрелке. Т.е. закон сохранения момента количества движения остался без работы. Структура вихря вынуждена перестраиваться под структуру вихря Тейлора. Т.е. скорость тангенциального движения среды должна убывать на периферии до нуля. Все цилиндрические слои вихря вращаются в одном направлении (против часовой стрелки, несовпадающем с направлением действия силы Кориолиса). Между цилиндрическими слоями вихря появляется трение скольжения, формирующее центростремительную силу по механизму, изложенному выше.

    Но описание механизма функционирования тайфуна требует и описание механизма формирования в вихре Тейлора центробежной силы. А для этого нам надо определиться, чем же являются структурные элементы любого вихря. Для того, чтобы в вихрях работало правило прецессии, структурные элементы также обязаны быть вихрями. Т.к. только вихрь Бенара обладает изменчивостью (он способен как вытянуться змеёй, так и сжаться до состояния бочонка) то структурными элементами любого вихря могут быть только вихри Бенара. Присвоим структурным элементам вихря название элементарные вихри Бенара.

    Следовательно, в вихре Тейлора его элементарные вихри функционируют в среде себе подобных. А элементарные вихри Бенара способны катиться только в направлении своей оси. Т.е. в отдельно взятом цилиндрическом слое все вихри, как солдаты на плацу выстроились в затылок друг другу (т.е. вершина одного вихря взаимодействует с основанием другого вихря). Т.е. из этого построения элементарных вихрей никаких сил не получить. Но кроме осевого направления движения в вихрях Бенара имеется ещё и тангенциальное направление движения, по которому элементарные вихри одного цилиндрического слоя взаимодействуют с элементарными вихрями соседнего цилиндрического слоя.

    А мы выяснили, что центростремительная сила вихря Тейлора увеличивает осевую составляющую движения элементарных вихрей в направлении центра (оси вращения вихря). А т.к. элементарные вихри являются вихрями Бенара, то увеличение осевой составляющей их движения сопровождается уменьшением тангенциальной составляющей их движения. Т.е. скорость вращения элементарных вихрей увеличивается в направлении периферии. Иными словами, элементарные вихри внешнего слоя вращаются быстрее элементарных вихрей внутреннего слоя. Появляется трение скольжения, которое по правилу прецессии и порождает центробежную силу.

    В момент преобразования торнадо в ураган максимальная скорость вращения наблюдается в районе исчезающего хобота. Поэтому велика разница скоростей вращения между соседними цилиндрическими слоями. Трение скольжения между слоями велико, что порождает центробежную силу большой величины, которая превышает величину центростремительной силы. И вполне естественно, что превышение центробежной силы над центростремительной силой порождает глаз тропического циклона (урагана, тайфуна).

    Т.е. в пределах глаза тайфуна величина центробежной силы больше величины центростремительной силы, что уничтожает вращение. Но неизбежно наступает момент, когда на каком-то расстоянии от центра тайфуна величины центробежной и центростремительной сил сравняются друг с другом. И в пределах стены тайфуна наблюдается примерное равенство величины центростремительной силы и величины центробежной силы. За пределами же стены величина центробежной силы убывает быстрее, чем убывает величина центростремительной силы. И скорость вращения постепенно уменьшается до нуля.

    Если в основании вихря Бенара среда двигается по сходящимся спиралям, то в вихре Тейлора среда двигается по концентрическим окружностям. Тем не менее, уравнение Бернулли и в том, и в другом случае говорит о существовании разрежения, которое затягивает вверх влажный воздух. Скорость движения среды в пределах среды тайфуна велика. А мы выяснили, что элементарными вихрями тайфуна являются вихри Бенара. А т.к. скорость их движения велика, то они приобретают змееподобный вид. И уже элементарные вихри тайфуна охлаждают воздух, конденсируя находящуюся в нём влагу. Сконденсированная влага формирует ТЁПЛЫЕ облака, которые поднимаются вверх. А т.к. центробежная сила тайфуна раскручивает их против часовой стрелки, то уже центробежная сила самих вращающихся облаков формирует расходящийся конус. И вертикальный глаз тайфуна продолжается вверх расходящимся конусом.

    И вновь если тайфун находится в пределах водного вихря Бенара, то разрежение создаётся не относительно спокойной поверхности воды, а относительно водной поверхности, вращающейся в противоположном направлении. Поэтому между водным вихрем Бенара и тайфуном возникает связывающая их сила. И силе Кориолиса надо постараться, чтобы сдвинуть тайфун с траектории крупномасштабного течения.

    Из изложенного следует, что для формирования в океане катастрофических атмосферных вихрей обязательным условием является наличие холодного водного пятна, которое создают приливы, пересекающие траекторию крупномасштабных течений. При этом существенную роль играет не только тип прилива (квадратурный или сизигийный), но и угол, под которым пупырышек прилива пересекает последовательность вихрей Бенара. Ведь, как мы выяснили выше при обсуждении рис. 12, чем под меньшим углом траектория движения пупырышка пересекает ось вихря Бенара, тем больше приращение величины центростремительной силы. Т.е. чем меньше угол, тем холоднее возникающее водное пятно в океане, и тем больше вероятность преобразования безобидного вихря Бенара в грозное торнадо, а в последующем и в тайфун.

    Соответственно и области формирования тропических циклонов не могут произвольно раскиданными по пространству океанов, а должны быть привязаны к тем местам траектории крупномасштабных течений, в которых наблюдается наименьшая величина рассматриваемого угла.

    Рисунок 15

    Области формирования ураганов.

    Сравнивая же рис. 15 и 16 можно заметить, что области формирования ураганов (конечно, учитывая точность нанесения на карты течений) действительно привязаны к глобальным океанским течениям.

           

    Рисунок 16.

    Глобальные океанские течения.

    Карты глобальных океанских течений взяты из Интернета. Причём левая карта взята с работы [10], в которой пропагандируется видеоролик "Perpetual Ocean", изготовленный специалистами НАСА. Действительно красивый и завораживающий видеоролик. Но к реальной действительности он не имеет никакого отношения. Куда большее доверие вызывают работы океанологов (скажем, того же Бондаренко А.Л., невзирая на его ошибки при описании им механизма явления). Ведь их работы опираются на реальные натурные эксперименты с дрифтёрами, а не на компьютерную эквилибристику.

    Борьба с природными катаклизмами.

    Цунами, мёртвая зыбь в океанах являются вихрями Тейлора. Вихрями же Тейлора являются и турбулентные вихри. А современная техника нашла эффективный способ борьбы с турбулентностью. В аэродинамических трубах для получения сглаженного (без турбулентных пульсаций), ламинарного потока используются решетки. Для защиты же портовых сооружений напротив используются сплошные железобетонные конструкции. Естественно, что вихревое движение (состоящее из вихрей Тейлора) эти конструкции разрушает. Следовательно, для защиты портовых сооружений и других строительных объектов (скажем, пляжей для защиты от цунами) следует использовать ажурные конструкции, типа используемых в аэродинамических трубах. Наиболее актуальным решение этой проблемы является для Японии.

    Не намного сложнее организация защиты от торнадо и тайфунов. В работе [11] обсуждается такая природная конструкция, как суперячейки.

      

    Рисунок 17.

    Суперячейка.

    На левом рисунке (заимствованном из этой работы) приведена структура суперячейки. На правом же рисунке приведён вид суперячейки на экране радара. В действительности же суперячейка не имеет тех черт, которые им приписаны в работе [11].

    Существенной особенностью суперячейки является облачный холмик на вершине. Этот холмик свидетельствует о том, что в этом месте расположении вихрь Бенара. И с суперячейкой частенько связан торнадо. Следовательно, возникновение суперячейки свидетельствует об опасности формирования торнадо (вне зависимости от того где возникает суперячейка: в водной акваторией или над земной поверхностью). В водной же акватории торнадо суперячейки имеет возможность дорасти до урагана. Т.е. с ураганным катаклизмом природы имеет смысл бороться на начальной стадии его образования (на стадии суперячейки).

    Тягловой силой вихря Бенара является его хобот (внутренний поток). Поэтому для разрушения вихря Бенара надо разрушать его хобот. Согласно же уравнения Бернулли скорость движения в хоботе вихря формирует в нём разрежение. Поэтому для уничтожения хобота вихря надо создать в нём избыточное давление, скажем, взрывом обычной взрывчатки. И чем на более ранней стадии формирования суперячейки будет произведён взрыв, тем меньшей потребуется сила взрыва. Местоположение же хобота вихря Бенара легко определяется на экране радара. А стрелять по мишеням современные артиллеристы и ракетчики умеют с большой точностью.

    Экспериментальная проверка положений

    В современной физической литературе необозримое число работ по солитонам. Но при всём обилии работ солитоны так и остаются вещью в себе. Внутренняя структура солитонов так и остаётся экспериментально неисследованной. До сих пор так и непонятно, чем же в действительности является солитон: волной или вихрем. Официальная точка зрения утверждает, что солитон является волной. В то же время его способность перемещаться практически без потерь энергии свидетельствует, что солитон является вихрем, без потерь на трение катящимся по дну водоёма (по мелкой воде).

    Наши научные предки были более любознательными людьми, чем современные учёные. Скажем, строгое математическое решение уравнений гидродинамики, полученное Ф.Й. Гёрстнером для описания волн на воде, вскоре нашло и экспериментальное подтверждение в опытах братьев Вёберов. Они обнаружили, что частицы воды двигаются в волне не вверх вниз, а по окружностям.

    Рисунок 18.

    Траектории частиц в волне.

    Вблизи поверхности траектория частиц близка к окружности. Ближе ко дну траектории из окружностей сплющиваются в эллипсы. А у самого дна траектории превращаются в горизонтальные прямые.

    Но почему-то современных физиков совершенно не интересует, каким образом двигаются частицы в солитоне. А зря. В том же лотке Вёберов в современной его реализации они смогли бы наблюдать, что частицы среды в солитоне двигаются в соответствии с рис. 8, описывающем движение среды в вихре Тейлора. И математические инсинуации по поводу солитонов (уравнение КДФ, синус Гордона и т.д.) ушли бы в небытиё. Ведь вихрь Тейлора для своего описания требует другой математики, которую надо ещё создавать.

    Не по душе Вам примитив лотка Вёберов? Есть и более современная методология, описанная в работе [6]. И в принципе исследованный в работе ламинарный подслой турбулентного пограничного слоя можно рассматривать в качестве своеобразного аналога мелкой воды. Вихри Тейлора, исследованные в работе [6], двигались по поверхности тела перпендикулярно потоку.

    Рисунок 19.

    Структура пары вихрей Тейлора.

    Солитон же это одиночный вихрь Тейлора, вращающийся в направлении своего движения. А т.к. колесо вихря трение скольжения заменяет трением качения, то солитон и двигается с большой скоростью (что отметил ещё Джон Скот Рассел), и имеет минимальные потери энергии, что и позволяет ему перемещаться без потерь энергии на большие расстояния. Следовательно, можно экспериментально доказать, что отсутствуют технические трудности для промышленного использования вихрей Тейлора.

    Но и вихрь Бенара отнюдь не является для современной техники какой-то экзотикой. Вихрь Бенара уже функционирует в широко используемой в современной технике трубке Ранке (рис. 13). Но вихрь трубки Ранке является неполноценным: внутренний поток уходит в одном направлении, а внешний поток уходит в другом направлении.

    Но кто мешает нам заглушить выход для обратного потока? Практически сохранив конструкцию трубки Ранке, заглушим выход для обратного (внутреннего) потока. И в этой конструкции всё так же будет работать закон сохранения момента количества движения, который и будет формировать внутренний поток. Естественно, что изменение конструкции повлечёт за собой и изменение её конструктивных параметров.

    Получив же вихрь Бенара в эксперименте, можно исследовать его свойства и его внутреннюю структуру (для чего явно пригодится методология исследований, разработанная в работе [6]). А если в физике обнаруживается что-то новенькое, то изворотливая изобретательская мысль тут же найдёт для него техническое применение.

    Литература.

    1. Бондаренко А.Л. Крупномасштабные течения и долгопериодные волны Мирового Океана. 2011г. http://meteoweb.ru/articles.php 8 http://lib.oceanographers.ru/component/option,com_booklibrary/task,view/id,82/catid,29/Itemid,39/
    2. Виктор Шевьёв. Основные закономерности образования крупномасштабных циркуляций в океанах и морях. http://www.randewy.ru/gml/shev1.html
    3. Библиотечка квант. Выпуск 48 А.Т. Филиппов. Многоликий солитон.

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

    5.       Бондаренко А.Л. Основные закономерности формирования атмосферных вихрей http://meteoweb.ru/2010/aao004.php

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

    1. Ю.С. Потапов, Л.П. Фоминский, С.Ю.Потапов «Энергия вращения», гл. 6 http://www.twirpx.com/file/42276/?rand=2666677

    8.       Букреев В.С. Механизм формирования ураганов. http://bvas81240.ucoz.ru/publ/mekhanizm_formirovanija_uraganov/1-1-0-14

    1. FAQ о тропических циклонах (ураганах, тайфунах) Игорь Кибальчич (г. Одесса) http://meteoweb.ru/2010/phen072.php
    2. http://planeta.moy.su/blog/vizualizacija_beskonechnogo_tanca_okeanskikh_techenij/2012-04-03-17580
    3. И. Кибальчич. Суперячейки. http://meteoweb.ru/2010/phen071.php






    Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru