Схема образования циклона довольно ординарна — всё начинается с взаимодействия прохладного и тёплого атмосферных фронтов. При всем этом часть тёплого атмосферного фронта просачивается вовнутрь прохладного в виде типичного атмосферного "языка", в итоге чего тёплый воздух, более лёгкий, начинает подниматься, и при всем этом происходят два процесса. Во-1-х, молекулы паров воды под воздействием магнитного поля Земли начинают крутиться и вовлекают во вращательное движение весь поднимающийся воздух, образуя огромный воздушный водоворот (см. "Наука и жизнь" № 2, 2008 г.). Во-2-х, наверху тёплый воздух охлаждается, и пары воды в нём конденсируются в облака, которые выпадают осадками в виде дождика, града либо снега. Таковой циклон может попортить погоду на срок от нескольких дней до двух-трёх недель. Его "жизнедеятельность" поддерживается за счёт поступления новых порций мокроватого тёплого воздуха и взаимодействия его с прохладным воздушным фронтом.
Антициклоны связаны с опусканием воздушных масс, которые при всем этом адиабатически, другими словами без термообмена с окружающей средой, греются, их относительная влажность падает, что и приводит к испарению имеющихся туч. При всем этом за счёт взаимодействия молекул воды с магнитным полем Земли происходит антициклоническое вращение воздуха: в Северном полушарии — по часовой стрелке, в Южном — против. Антициклоны приносят с собой устойчивую погоду на период от нескольких дней до двух-трёх недель.
Видимо, механизмы образования циклонов, антициклонов и тайфунов схожи, а удельная энергоёмкость (энергия единицы массы) тайфунов намного больше, чем циклонов и антициклонов, только за счёт более высочайшей температуры воздушных масс, нагретых солнечным излучением.
СМЕРЧИ
Из всех вихрей, образующихся в природе, более таинственны смерчи, на самом деле дела, часть грозового облака. Поначалу, на первой стадии появления смерча, вращение видно исключительно в нижней части грозового облака. Потом часть этого облака отвисает книзу в виде огромной воронки, которая всё более удлиняется и в конце концов добивается поверхности земли либо воды. Появляется вроде бы огромный хобот, свешивающийся из облака, который состоит из внутренней полости и стен.
Высота смерча составляет от сотен метров до километра и, обычно, равна расстоянию от нижней части облака до поверхности земли. Соответствующая особенность внутренней полости — пониженное давление находящегося в ней воздуха. Такая особенность смерча приводит к тому, что полость смерча служит типичным насосом, который может втянуть в себя неограниченное количество воды из моря либо озера, причём совместно с животными и растениями, перенести их на значимые расстояния и низвергнуть вниз совместно с дождём. Смерч способен переносить и достаточно огромные грузы — авто, тележки, малотоннажные суда, маленькие строения, причём время от времени даже с находящимися в их людьми. Смерч обладает огромной разрушительной силой. При соприкосновении со строениями, мостами, линиями электропередач и другими объектами инфраструктуры он причиняет им большие разрушения.
Смерчи имеют наивысшую удельную энергоёмкость, которая пропорциональна квадрату скорости воздушных потоков вихря. По метеорологической систематизации при скорости ветра в замкнутом вихре, не превосходящей 17 м/с, он именуется тропической депрессией, если же скорость ветра не превосходит 33 м/с, то это тропический шторм, и если скорость ветра составляет от 34 м/с и выше, то это уже тайфун. В массивных тайфунах скорость ветра может превосходить 60 м/с. В смерче же, по данным различных создателей, скорость воздуха может достигать от 100 до 200 м/с (некие создатели указывают на сверхзвуковую скорость воздуха в смерче — выше 340 м/с). Прямые измерения скорости воздушных потоков в смерчах при реальном уровне развития техники фактически невозможны. Все приборы, созданные для фиксации характеристик смерча, свирепо им ломаются при первом же соприкосновении. О скорости потоков в смерчах судят по косвенным признакам, приемущественно по тем разрушениям, которые они создают, либо по весу грузов, которые они переносят. Не считая того, отличительная черта традиционного смерча — наличие развитого грозового облака, типичного электронного аккума, повышающего удельную энергоёмкость смерча. Чтоб разобраться в механизме появления и развития смерча, разглядим поначалу устройство грозового облака.
ГРОЗОВОЕ Скопление
В обычном грозовом облаке верхушка заряжена положительно, а основание несёт отрицательный заряд. Другими словами в воздухе поддерживаемый восходящими потоками парит огромный электронный конденсатор многокилометровых размеров. Наличие такового конденсатора приводит к тому, что на поверхности земли либо воды, над которыми находится скопление, возникает его электронный след — наведённый электронный заряд, имеющий символ, обратный знаку заряда основания облака, другими словами земная поверхность будет заряжена положительно.
Кстати, опыт по созданию наведённого электронного заряда можно провести дома. Насыпьте на поверхность стола маленькие бумажки, расчешите пластмассовой расчёской сухие волосы и приблизьте расчёску к насыпанным бумажкам. Они все, оторвавшись от стола, устремятся к расчёске и прилипнут к ней. Итог этого легкого опыта разъясняется до боли просто. Расчёска получила электронный заряд в итоге трения о волосы, а на бумажке он наводит заряд обратного знака, который притягивает бумажки к расчёске в полном согласовании с законом Кулона.
Около основания развитого грозового облака существует мощнейший восходящий поток воздуха, насыщенного влагой. Не считая дипольных молекул воды, которые в магнитном поле Земли начинают крутиться, передавая импульс нейтральным молекулам воздуха, вовлекая их во вращение, в восходящем потоке имеются положительные ионы и свободные электроны. Они могут создаваться в итоге воздействия на молекулы солнечного излучения, естественного радиоактивного фона местности и, в случае грозового облака, за счёт энергии электронного поля меж основанием грозового облака и землёй (вспомним о наведённом электронном заряде!). Кстати, за счёт наведённого положительного заряда на поверхности земли число положительных ионов в потоке восходящего воздуха существенно превосходит число ионов отрицательных. Все эти заряженные частички под действием восходящего потока воздуха устремляются к основанию грозового облака. Но вертикальные скорости положительных и отрицательных частиц в электронном поле различны. Напряжённость поля можно оценить по разности потенциалов меж основанием облака и поверхностью земли — по измерениям исследователей, она составляет несколько 10-ов миллионов вольт, что при высоте основания грозового облака в один — два километра даёт напряжённость электронного поля в 10-ки тыщ вольт на метр. Это поле будет ускорять положительные ионы и тормозить отрицательные ионы и электроны. Потому в единицу времени через поперечное сечение восходящего потока положительных зарядов пройдёт больше, чем отрицательных. Другими словами, меж земной поверхностью и основанием облака возникнет электронный ток, хотя правильней было бы гласить об неограниченном количестве простых токов, соединяющих земную поверхность с основанием облака. Все эти токи параллельны и текут в одном направлении.
Понятно, что они по закону Ампера будут вести взаимодействие меж собой, а конкретно притягиваться. Из курса физики понятно, что сила обоюдного притяжения единицы длины 2-ух проводников с электронными токами, текущими в одном направлении, прямо пропорциональна произведению сил этих токов и назад пропорциональна расстоянию меж проводниками.
Притяжение 2-ух электронных проводников обосновано силами Лоренца. Электроны, передвигающиеся снутри каждого проводника, находятся под действием магнитного поля, создаваемого электронным током в примыкающем проводнике. На их действует сила Лоренца, направленная по прямой, соединяющей центры проводников. Но для появления силы обоюдного притяжения наличие проводников совсем необязательно — довольно самих токов. К примеру, две покоящиеся частички, имеющие однообразный электронный заряд, отталкиваются одна от другой согласно закону Кулона, но эти же частички, передвигающиеся в одном направлении, притягиваются, причём до того времени, пока силы притяжения и отталкивания не уравновесят друг дружку. Несложно созидать, что расстояние меж частичками в положении равновесия зависит только от их скорости.
Из-за обоюдного притяжения электронных токов заряженные частички устремляются к центру грозового облака, по дороге взаимодействуя с электрически нейтральными молекулами и также перемещая их к центру грозового облака. Площадь поперечного сечения восходящего потока уменьшится в как раз, а так как поток крутится, то по закону сохранения момента количества движения его угловая скорость возрастёт. С восходящим потоком произойдёт то же самое, что с фигуристкой, которая, вращаясь на льду с расставленными руками, придавливает их к телу, отчего скорость её вращения резко возрастает (хрестоматийный пример из учебников физики, который мы можем следить по телеку!). Такое резкое ускорение вращения воздуха в смерче с одновременным уменьшением его поперечника приведёт соответственно к повышению линейной скорости ветра, которая, как упоминалось выше, может даже превысить скорость звука.
Конкретно наличие грозового облака, электронное поле которого делит заряженные частички по знаку, приводит к тому, что скорости воздушных потоков в смерче превосходят скорости воздушных потоков в тайфуне. Образно говоря, грозовое скопление служит собственного рода «электрической линзой», в фокусе которой концентрируется энергия восходящего потока мокроватого воздуха, что и приводит к появлению смерча.
МАЛЫЕ ВИХРИ
Есть также и вихри, механизм образования которых никак не связан с вращением диполь-ной молекулы воды в магнитном поле. Более распространённые посреди их — пыльные вихри. Они образуются в пустынных, степных и горных местностях. По своим размерам они уступают традиционным смерчам, их высота составляет порядка 100—150 метров, а поперечник — несколько метров. Для образования пыльных вихрей нужным условием является пустынная, отлично подогретая равнина. Образовавшись, таковой вихрь существует достаточно недолго, 10—20 минут, всё это время перемещаясь под действием ветра. Невзирая на то что воздух пустынь фактически не содержит воды, вращательное движение его обеспечивается взаимодействием простых зарядов с магнитным полем Земли. Над равниной, очень прогретой солнцем, появляется мощнейший восходящий поток воздуха, часть молекул которого под воздействием солнечного излучения и в особенности его ультрафиолетовой части, ионизируется. Фотоны солнечного излучения выбивают из наружных электрических оболочек атомов воздуха электроны, образуя при всем этом пары положительных ионов и свободных электронов. Вследствие того что электроны и положительные ионы имеют значительно различные массы при равных по величине зарядах, их вклад в создание момента количества движения вихря различен и направление вращения пыльного вихря определяется направлением вращения положительных ионов. Таковой крутящийся столб сухого воздуха при своём движении поднимает с поверхности пустыни пыль, песок и маленькие камни, которые сами по для себя не играют никакой роли в механизме формирования пыльного вихря, но служат типичным индикатором вращения воздуха.
В литературе описаны ещё и воздушные вихри, достаточно редчайшее природное явление. Они появляются в жаркое время денька на берегах рек либо озёр. Время жизни таких вихрей невелико, они возникают внезапно и так же в один момент исчезают. По-видимому, вклад в их создание заносят как молекулы воды, так и ионы, образующиеся в тёплом и мокроватом воздухе за счёт солнечного излучения.
Еще опаснее водяные вихри, механизм образования которых аналогичен. Сохранилось описание: "В июле 1949 года в штате Вашингтон в тёплый солнечный денек при светлом небе на поверхности озера появился высочайший столб из водяных брызг. Он существовал всего пару минут, но обладал значимой подъёмной силой. Надвинувшись на сберегал реки, он поднял достаточно тяжёлый моторный бот длиной около четырёх метров, перенёс его на несколько 10-ов метров и, ударив о землю, разбил на кусочки. Водяные вихри более всераспространены там, где поверхность воды очень греется солнцем, — в тропических и субтропических зонах".
Закручивание потоков воздуха может происходить при огромных пожарах. В литературе описаны такие случаи, приведём какой-то из них. "Ещё в 1840 году в США расчищали лес под поля. На большой поляне было свалено огромное количество хвороста, ветвей и деревьев. Их подожгли. Через некое время пламя отдельных костров стянулось совместно, образовав пламенную колонну, понизу широкую, вверху заострившуюся, высотой 50 — 60 метров. Ещё выше огнь сменялся дымом, уходившим высоко в небо. Огненно-дымовой вихрь крутился с поразительной скоростью. Величавое и ужасающее зрелище сопровождалось звучным шумом, напоминавшим раскаты грома. Сила вихря была так велика, что он поднимал в воздух и отбрасывал в сторону огромные деревья".
Разглядим процесс образования пламенного смерча. При горении древесной породы выделяется тепло, которое отчасти перебегает в кинетическую энергию восходящего потока нагретого воздуха. Но при горении происходит ещё один процесс — ионизация воздуха и товаров сгорания горючего. И хотя в целом подогретый воздух и продукты сгорания горючего электрически нейтральны, в пламени образуются положительно заряженные ионы и свободные электроны. Движение ионизованного воздуха в магнитном поле Земли безизбежно приведёт к образованию пламенного смерча.
Охото отметить, что вихревое движение воздуха появляется не только лишь при огромных пожарах. В собственной книжке "Смерчи" Д. В. Наливкин задаёт вопросы: "Мы уже не раз гласили о загадках, связанных с маломерными вихрями, пробовали осознать, почему все вихри крутятся? Появляются и другие вопросы. Почему, когда пылает трава, подогретый воздух подымается не по прямой полосы, а по спирали и начинает кружиться. Так же ведёт себя в пустыне жаркий воздух. Почему он не идёт просто ввысь без всякой пыли? То же происходит с водяной пылью и брызгами, когда жаркий воздух проносится над поверхностью воды".
Есть вихри, возникающие в процессе извержения вулканов, их, к примеру, следили над Везувием. В литературе они получили заглавие пепловых вихрей — в вихревом движении участвуют облака пепла, извергаемые вулканом. Механизм образования таких вихрей в общих чертах аналогичен механизму образования пламенных смерчей.
Поглядим сейчас, какие силы действуют на тайфуны в беспокойной атмосфере нашей Земли.
СИЛА КОРИОЛИСА
На тело, движущееся во вращающейся системе отсчёта, к примеру, на поверхности вращающегося диска либо шара, действует инерционная сила, именуемая силой Кориолиса. Эта сила определяется векторным произведением (нумерация формул начинается в первой части статьи)
FK=2M[VΩ], (20)
где М — масса тела; V — вектор скорости тела; Ω — вектор угловой скорости вращения системы отсчёта, в случае земного шара — угловой скорости вращения Земли, а [VΩ]— их векторное произведение, которое в скалярном виде смотрится так:
Fл = 2M | V | | Ω | sin α, где α — угол меж векторами.
Скорость тела, двигающегося на поверхности земного шара, можно разложить на две составляющие. Одна из их лежит в плоскости, касательной к шару в точке нахождения тела, другими словами — горизонтальная составляющая скорости: 2-ая, вертикальная составляющая перпендикулярна этой плоскости. Сила Кориолиса, действующая на тело, пропорциональна синусу географической широты его местопребывания. На тело, движущееся по меридиану в любом направлении в Северном полушарии, действует сила Кориолиса, направленная на право по движению. Эта самая сила принуждает подмывать правые берега рек Северного полушария, вне зависимости от того, на север либо на юг они текут. В Южном полушарии эта же сила ориентирована на лево по движению и реки, текущие в меридиональном направлении, подмывают левые берега. В географии это явление именуется законом Бэра. Когда русло реки не совпадает с меридиональным направлением, сила Кориолиса будет меньше на величину косинуса угла меж направлением течения реки и меридианом.
Фактически во всех исследовательских работах, посвящённых вопросам образования тайфунов, смерчей, циклонов и различных вихрей, также их предстоящему перемещению, указывается на то, что конкретно сила Кориолиса служит первопричиной их появления и конкретно она задаёт линию движения их передвижения по поверхности Земли. Но если б сила Кориолиса участвовала в разработке смерчей, тайфунов и циклонов, то в Северном полушарии они имели бы правое вращение — по часовой стрелке, а в Южном — левое, другими словами против. Но тайфуны, смерчи и циклоны Северного полушария крутятся на лево, против часовой стрелки, а Южного полушария — на право, по часовой стрелке. Это полностью не соответствует направлению воздействия силы Кориолиса, более того — прямо ей обратно. Как уже говорилось, величина силы Кориолиса пропорциональна синусу географической широты и, означает, максимальна на полюсах и отсутствует на экваторе. Как следует, если б она вносила вклад в создание вихрей различных масштабов, то более нередко они появлялись бы в полярных широтах, что стопроцентно противоречит имеющимся данным.
Таким макаром, приведённый анализ внушительно обосновывает, что сила Кориолиса не имеет никакого дела к процессу формирования тайфунов, смерчей, циклонов и различных вихрей, механизмы образования которых рассмотрены в прошлых главах.
Считается, что конкретно сила Кориолиса определяет их линии движения, тем паче что в Северном полушарии тайфуны, как метеорологические образования, при своём движении отклоняются конкретно на право, а в Южном — конкретно на лево, что соответствует направлению деяния силы Кориолиса в этих полушариях. Казалось бы, причина отличия траекторий тайфунов найдена — это сила Кориолиса, но не будем спешить с выводами. Как говорилось выше, при движении тайфуна по поверхности Земли на него, как на единый объект, будет действовать сила Кориолиса, равная:
Fк = 2MVΩ sin θ cos α, (21)
где θ — географическая широта тайфуна; α — угол меж вектором скорости тайфуна, как одного целого, и меридианом.
Для выяснения настоящей предпосылки отличия траекторий тайфунов попробуем найти величину силы Кориолиса, действующей на тайфун, и сопоставить её с другой, как мы на данный момент убедимся, более реальной силой.
СИЛА МАГНУСА
На тайфун, перемещаемый пассатом, будет действовать сила, которую в данном контексте, как это понятно создателю, до сего времени не рассматривал ни один исследователь. Это сила взаимодействия тайфуна, как одного объекта, с воздушным потоком, который перемещает этот тайфун. Если поглядеть на набросок с изображением траекторий тайфунов, станет видно, что они движутся с востока на запад под действием повсевременно дующих тропических ветров, пассатов, которые образуются вследствие вращения земного шара. При всем этом пассат не только лишь переносит тайфун с востока на запад. Самое главное — на тайфун, находящийся в пассате, действует сила, обусловленная взаимодействием воздушных потоков самого тайфуна с воздушным потоком пассата.
Эффект появления поперечной силы, действующей на тело, крутящееся в набегающем на него потоке воды либо газа, был открыт германским учёным Г. Магнусом в 1852 году. Он проявляется в том, что если крутящийся радиальный цилиндр обтекает безвихревой (ламинарный) поток, перпендикулярный его оси, то в той части цилиндра, где линейная скорость его поверхности обратна скорости набегающего потока, появляется область завышенного давления. А на обратной стороне, там, где направление линейной скорости поверхности совпадает со скоростью набегающего потока, — область пониженного давления. Разность давлений на обратных сторонах цилиндра и приводит к появлению силы Магнуса.
Изобретатели решали пробы использовать силу Магнуса. Был спроектирован, патентован и построен корабль, на котором заместо парусов установили вертикальные цилиндры, вращаемые движками. Эффективность таких крутящихся цилиндрических "парусов" в неких случаях даже превосходила эффективность парусов обыденных. Эффект Магнуса употребляют также футболисты, которые знают, что если при ударе по мячу придать ему вращательное движение, то линия движения его полёта станет криволинейной. Таким ударом, который именуется "сухой лист", можно отправить мяч в ворота противника фактически с угла футбольного поля, находящегося на одной полосы с воротами. Мяч при ударе закручивают и волейболисты, теннисисты, и игроки в пинг-понг. Во всех случаях движение закрученного мяча по сложной линии движения делает много заморочек противнику.
Но вернёмся к тайфуну, перемещаемому пассатом.
Пассаты, устойчивые воздушные течения (дуют повсевременно больше 10 месяцев в году) в тропических широтах океанов, обхватывают в Северном полушарии 11 процентов их площади, а в Южном — до 20 процентов. Основное направление пассатов — с востока на запад, но на высоте 1—2 километра их дополняют ветры меридионального направления, дующие к экватору. В итоге в Северном полушарии пассаты движутся на юго-запад, а в Южном — на северо-запад. Пассаты стали известны европейцам после первой экспедиции Колумба (1492—1493), когда её участники были поражены устойчивостью сильных северо-восточных ветров, уносивших каравеллы от берегов Испании через тропические районы Атлантики.
Огромную массу тайфуна можно рассматривать как цилиндр, крутящийся в воздушном потоке пассата. Как уже говорилось, в Южном полушарии они крутятся по часовой стрелке, а в Северном — против. Потому за счёт взаимодействия с массивным потоком пассатного ветра тайфуны и в Северном и в Южном полушарии отклоняются в сторону от экватора — на север и на юг соответственно. Этот нрав их движения отлично подтверждают наблюдения метеорологов.
(Окончание следует.)
Источник: "Наука и жизнь"
