Физика смерча. Смерч на службе человека.
Вертикальные вихри в атмосфере – смерчи – известны но описаниям в литературе века. Русское слово «смерч» происходит от слова «сумрак». Это связано с тем обстоятельством смерчи сопутствуют мрачного вида грозовым облаком. Как правило, смерч проходит путь 40...60км. со скоростью 10... 20м/сек. В редких случаях его путь может быть большим, в пределе до 500км. В 9% числа наблюдавшихся смерчей было отмечено существование на небольшом расстоянии до нескольких вихрей – это «братские смерчи».
В структуре смерча различают центральную часть – ядро и пери феерию – мантию. Вращение движение воздуха в ядре смерча происходит с одинаковой угловой скоростью, как в твердо пределами ядра, в мантии, угловая скорость с удалением от оси вращения постепенно уменьшается.
Горизонтальная скорость воздуха в ядре вихря составляет в среднем 40…50м/сек, иногда достигает 100м/сек.
В подавляющем большинстве смерчей Северного полушария вращение воздуха происходит часовой стрелке - это связано с вращением Земли вокруг своей оси. Значительное понижение в ядре ведет к усилению конденсации водяного пара, что способствует дальнейшему вихря. Визуальная протяженность смерча по высоте составляет 0,8…1,5 км, верхняя же его проникает за нижнюю кромку облака на высоту более 3 км. Благодаря высокой скорости потоков воздуха в ядре вихря, втянутые им предметы выбрасываются около 16 км влево от траектории движения и примерно на 30…50 км вперед от основания до трения о землю поверхность смерч при своем движении вытягивается верхней частью.
Прохождение мощного смерча над местностью образует полосу разрушения шириной от 1км. Наиболее тяжелые предметы поднимаются вихрем на небольшую высоту и затем отбрасывает в сторону, мелкие же втягиваются в облако.
Мощный смерч разрушает на пути своего движения дома, вырывает с корнем деревья. Невысоко смерч поднимал на несколько секунд в воздух людей, коров и лошадей.
Истощив свою энергию, смерч выбрасывает из облаков втянутые туда предметы. Неоднократно наблюдали дожди из сельдей, медуз, лягушек, черепах. Смерч втягивает в облако из прудов и болт красного цвета растения или микроорганизмы, наблюдали дожди красного цвета. В 1940 году у деревни Мещеры Горьковской области наблюдался дождь из серебряных монет. Оказывается, во время грозового дождя на территории Горьковской области был размыт клад с монетами. Проходивший поблизости смерч поднял монеты в воздух и выбросил в деревни Мещеры.
Наиболее часто смерчи наблюдаются в странах с тропическим климатом в жаркую весеннюю и летнюю погоду. В СССР смерчи нередко во время весеннее - летних гроз на Черноморском побережье Кавказа. Возникают смерчи воздушных потоков с достаточно различными скоростями движения, особенно в тех частях потоков, где сильнее проявляется необходимое для вихреобразования трение.
Наиболее благоприятные условия для возникновения смерчей существуют в грозовых областях, эти вихри обычно и опускаются к земле. В США, где смерчи образуются примерно в 40…60 раз чем в Европе, частота их образования по месяцам года параллельна частоте образования в пустынях при сильном нагреве песчаной поверхности солнцем также возникают небольшие диаметром около 2…4м и высотой до 0,5…1км.
Смерч легко воспроизводится в лаборатории, если над ванной с горячей водой с помощью вентилятора создать столб поднимающегося с вращением теплого воздуха.
Чаще всего смерчи имеют небольшую энергию. Они обычно быстро исчезают после возникновения не приносят существенного вреда. Мощные же смерчи существуют длительное время и намного больше разрушения в той местности, через которую они проходят. В США прохождение торнадо приносит убытки на сумму до 100тыс. долларов. Своевременные предупреждения метеорологов с прохождении смерчей позволяют значительно уменьшить возможные потери.
Что внутри торнадо?
|
Торнадо до сих пор остается малопонятным атмосферным явлением, и основная загвоздка состоит как раз в том, что его очень трудно изучать экспериментально. Торнадо возникают достаточно часто, однако предугадать, где именно он возникнет в следующий раз, невозможно, и потому за торнадо приходится «гоняться». Подвижные лаборатории, которые используются в таких погонях, слишком хрупки и разрушаются раньше, чем успевают достичь центра торнадо и приступить к его изучению.
Получить торнадо в лаборатории в контролируемых условиях тоже пока не удалось: для этого потребовалась бы экспериментальная установка размером в сотни метров. Поэтому вся доступная на сегодняшний день проверенная информация о физических условиях в центре торнадо получена непрямым методом. Благодаря радарным наблюдениям издалека удается измерить скорости вращения воздуха в торнадо и на основании этого уже делать выводы о его внутреннем устройстве.
Заметим, кстати, что возникает удивительная ситуация: для изучения торнадо пока что используются методы... астрономии. Будучи не в силах ни «залезть» в само явление, ни воспроизвести природные условия в лаборатории, мы вынуждены просто внимательно наблюдать за торнадо, пытаясь на основании наблюдений понять его природу. Именно таков подход астрономии.
Итак, пока что известно, что в центре торнадо находится область пониженного давления. В самых мощных торнадо перепад давления снаружи и внутри может превышать одну десятую атмосферы. Собственно, сам торнадо представляет собой наружный воздух, который под действием этого перепада давления пытается заполнить внутренность торнадо, но из-за закона сохранения момента импульса так сильно закручивается вокруг оси, что центробежная сила не подпускает его к центру.
Какие именно течения воздуха имеют место в центре торнадо, сказать пока трудно, поскольку прямых достоверных экспериментальных наблюдений нет. Вполне вероятно, что там имеются вертикальные потоки, однако вряд ли очень сильные.
|
Вообще, знаменитая подъемная сила торнадо происходит не из-за того, что воронка всасывает в себя предметы, а из-за того, что вращающийся столб воздуха имеет вертикальную турбулентность. То есть воздух обвивает воронку не строго по кругу (тогда бы вертикальное движение отсутствовало) и не по фиксированной спирали (тогда бы вертикальное движение было постоянным), а имеет быстро меняющуюся вертикальную компоненту скорости.
Поскольку для США проблема торнадо — одна из самых важных метеорологических проблем, то на их исследования регулярно выделяются значительные деньги. Планируется даже создать тяжелую машину типа танка, которая была бы одновременно и очень тяжелой, и достаточно проворной. Такая машина смогла бы догнать торнадо, войти в его центр и провести там эксперименты. Так что надо запастись терпением: вероятно, через год-два мы будем знать о внутренностях торнадо заметно больше, чем сейчас.
Смерч на службе человека.
Ежегодно мощные смерчи, которые в США называют торнадо, уносят жизни сотен людей, разрушают постройки, топят корабли. Но их механизм до последнего времени оставался для ученых загадкой.
Проникнуть в тайну удалось российскому физику С. В. Цивинскому, который создал аэродинамическую модель смерча. Более того, ученый предложил способы использования принципа торнадо для нужд людей.
С. В. Цивинский утверждает, что своим возникновением и существованием торнадо обязан кориолисовой силе. Эта сила возникает из-за вращения Земли, и благодаря ей правые берега рек, текущих вдоль меридиана, круче, чем левые.
По Цивинскому, при нагреве поверхности земли или воды возникает восходящий поток теплого воздуха, давление у поверхности уменьшается, и сюда, как по радиусам к центру круга, устремляется воздух из окружающего пространства. На движущиеся частицы воздуха начинает действовать кориолисова сила, которая заставляет их закручиваться по спирали по часовой стрелке(если смотреть сверху). Так и образуется самоподдерживающий себя смерч.
Ученый предложил создавать искусственный вихрь и использовать его энергию. Для этого с помощью горелки нужно инициировать восходящий поток, который при закручивании приобретает дополнительную энергию. Поставив на пути мощного вихря вентилятор, который приводит в действие электрогенератор, можно получать дешевую и экологически чистую энергию. Кроме того, поднимаясь вверх, содержащаяся в воздухе влага начнет конденсироваться и выпадать на землю дождем, пусть даже незначительным. Следовательно, подобная установка применима для тушения лесных пожаров.
Используя принцип торнадо, Цивинский изобрел новый тип летательного аппарата. Устройство представляет собой сегмент сферы с установленной на полюсе горелкой. Когда на смену захваченному восходящим потоком воздуху к полюсу сферы потекут сходящиеся воздушные потоки, то их частицы также будут ускоряться кориолисовой силой. Чем быстрее движение частиц воздуха, тем ниже давление над сферой. Под сферой, где воздух неподвижен, давление равно атмосферному. За счет разницы давлений возникает подъемная сила, как на крыле самолёта.
Список литературы:
1. Наливкин Д. В. Смерчи, - М. Наука, 1984.
2. Сидоров М Приручение торнадо// Известия вузов. Естественные и технические науки. – Л.: 2004. – с.159 – 160
3. Каганов В. И. Укрощение тропического циклона // Наука и жизнь. - № 8 2006 – с. 104 - 107