Энергия атмосферных вихрей. VIVOS VOCO: Л. Алексеева, "Вихри, которые «делают погоду»"
Для атмосферы Земли характерно вихревое движение. Среди множества непрерывно возникающих и затухающих вихрей разных размеров в формировании и изменении погоды внетропических широт особо важную роль играют циклоны и антициклоны. Они возникают, развиваются и затухают в средних и высоких широтах обоих полушарий. Циклоны и антициклоны - это мощные атмосферные вихри, с диаметром более 1500-3000 км. Протяженность их по вертикали небольшая. В зависимости от интенсивности развития высота их колеблется между 2-4 и 15-20 км. Легко определить, что горизонтальные размеры этих вихрей в среднем превышают вертикальные их размеры в 100-150 раз, т. е. они довольно плоские.
В системе циклонов атмосферное давление наименьшее в центре. Поэтому воздушные течения вблизи поверхности земли направлены от периферии к центру. Под действием силы Кориолиса происходит отклонение ветра, и он дует в системе циклонов против часовой стрелки в северном и по часовой стрелке - в южном полушарии.
В системе антициклонов атмосферное давление возрастает от периферии к центру. Поэтому ветры здесь направлены от центра к периферии и, отклоняясь под действием силы Кориолиса, дуют по часовой стрелке в северном и против часовой стрелки - в южном полушарии.
В развивающихся циклонах наблюдается восходящее движение, вследствие которого воздух охлаждается, содержащийся в нем водяной пар конденсируется, образуется мощная облачность и выпадают осадки. Втекающий у поверхности земли в систему циклона воздух выбрасывается на высотах за его пределы, что вызывает убыль массы воздуха в центральной части циклона и соответствующее понижение атмосферного давления, т. е. происходит углубление циклона.
В развивающихся антициклонах осуществляется нисходящее движение, вследствие которого воздух нагревается и удаляется от состояния насыщения водяным паром, и облака, как правило, рассеиваются. Поэтому в антициклонах преобладает ясная или малооблачная погода. Воздух, вытекающий у поверхности земли из системы антициклона, компенсируется воздухом, втекающим на высотах. Антициклон усиливается, т. е. давление в его системе продолжает расти, если втекание воздуха на высотах значительно превосходит вытекание его в слое трения.
Восходящие и нисходящие движения воздуха в системе развивающихся циклонов и антициклонов в среднем равны 3-5 см/сек, или 1-3 м/мин. В то же время средние горизонтальные скорости воздушных течений в системе этих барических образований достигают 500-1000 м/мин, или 30-60 км/час. В циклоне от момента возникновения до стадии наибольшего развития давление понижается. Горизонтальные градиенты температуры и давления увеличиваются и соответственно происходит усиление ветра, который нередко достигает штормовой силы. Облакообразование на фронтах и выпадение осадков происходят наиболее интенсивно. Зимой снегопады сопровождаются метелями. Затем давление в центре начинает расти, ветры ослабевают, фронты размываются, а осадки резко уменьшаются и прекращаются. Циклон обычно сливается с другими, более мощными циклонами и перестает быть самостоятельным образованием или исчезает.
В антициклонах, наоборот, от момента возникновения до стадии наибольшего развития давление в центре повышается. Горизонтальные градиенты давления, а соответственно и скорости ветра на его периферии возрастают, облака рассеиваются и наступает ясная погода. Во второй половине жизни антициклона давление в центре начинает понижаться, ветры ослабевают обычно до штиля. При разрушении антициклона нередко появляется облачность, и в отдельных частях его начинают выпадать осадки.
Наиболее часто давление в центре циклонов, развивающихся над Европой, составляет 980-1000 мб. В отдельных случаях они углубляются настолько, что давление в центре понижается до 950 мб. Чем ниже давление в центре, тем мощнее циклон, тем сильнее ветры в его системе. Мощные циклоны чаще всего возникают на севере Атлантики и Тихого океана. В этих случаях ветер достигает разрушительной силы. Зимой над северными частями Америки и особенно Азии циклоны развиваются на фоне повышенного давления, создающегося здесь вследствие выхолаживания воздуха зимой. Поэтому здесь нередки циклоны с давлением в центре 1010-1020 мб.
В центре развивающихся антициклонов давление достигает 1030-1040 мб, однако в отдельных случаях оно превышает 1060 и даже 1070 мб. Такие антициклоны возникают главным образом над Азиатским материком зимой. На рисунке 49 приведена схематизированная приземная синоптическая карта погоды в 3 часа 13 февраля 1962 г. с циклоном на западе Европейской части СССР и антициклонами над Атлантикой и Западной Сибирью. Циклон над Прибалтикой довольно глубокий. Давление в его центре равно 950 мб. Ветры в отдельных его частях очень сильные, особенно западные. Антициклоны также относятся к мощным. Давление воздуха у земли в центре их равно 1050 и 1040 мб соответственно. В их системе слабые ветры и малооблачная погода, но температура воздуха разная: -17°, -20° в Сибири и +10°, +15° над Атлантикой.
Те же вихри на высоте около 9 км, т. е. на поверхности 300 мб (АТ 300) изображены на рисунке 50. По отношению к поверхности земли все они несколько сдвинуты. Над Скандинавией и Балтикой на высоте около 9 км циклон выражен слабее, чем у поверхности земли, однако на южной его периферии наблюдались редкие для этих районов скорости ветра - временами свыше 250- 300 км/ч.
На севере Западной Европы ветры достигали ураганной силы. С этим циклоном было связано сильное наводнение в Северо-Западной Европе. Данные наблюдений в промежуточные сроки через каждые 3 часа показали, что скорость северо-западного ветра временами превышала 8-10 баллов.
Из таблицы видно, что энергия тайфунов и циклонов примерно в 10 и 100 раз соответственно превышает энергию E=4,2·10 Дж, выделяющуюся при ядерном взрыве мощностью q=10 тонн тротила.
К опасным атмосферным явлениям относятся также пыльные и песчаные бури, возникающие при сильных ветрах в засушливое время в степных, полупустынных и пустынных районах, а также грозовые электрические разряды – молнии.
Например, во время песчаной бури на юге Украины в апреле 1928 г., названной “черной” бурей, облака пыли охватили пространство более 1 млн. км . Сельскому хозяйству региона был нанесен значительный ущерб.
Ущерб, наносимый молниями, связан с сильными электрическими разрядами. При этом могут быть поражены люди, могут возникнуть пожары в зданиях, других сооружениях, в лесу.
Наконец, в связи с интенсивным выбросом в последнее время в атмосферу промышленных газов связывают такие явления, как парниковый эффект атмосферы, возможное потепление климата и, как следствие, возможность глобальной экологической катастрофы.
|
|
Формирование опасных атмосферных явлений связано со слоем воздушной оболочки Земли, прилегающим к ее поверхности (тропосферой). Давно известно существование общей глобальной циркуляции атмосферы. Моряки отмечали, в частности, наличие устойчивых пассатных ветров, которые позволяли в эпоху парусного флота совершать дальние морские переходы. Эти ветры обусловлены общим распределением атмосферного давления, которое в северном полушарии характеризуется максимумом ~1018мбар (1 мбар = 100 Па) около полюса, понижением давления до 1011¸1012 мбар в субполярном районе, т.е. 65° северной широты, повышением давления снова до ~1018 мбар на 35° северной широты (зона штилей) и новым минимумом ~1011¸1012 мбар вблизи экватора. В результате такого распределения давления воздух поднимается над экватором, движется на большой высоте к полюсу, спускается в зоне штилей и затем перемещается вблизи поверхности к экватору, образуя ветры. Сила Кориолиса, обусловленная вращением Земли вокруг своей оси, проявляется в северном полушарии в отклонении к востоку от меридионального направления южного ветра.
Названия и численные значения ускорений:
Полное ускорение;
Переносное ускорение, обусловленное вращением шара вокруг оси O ;
Относительное ускорение, обусловленное движением точки М по дуге окружности AB;
Кориолисово ускорение, обусловленное совместным действием двух движений (вращением шара и движением точки по дуге окружности AB).
В соотношениях (6.1) обозначено: - радиус шара, - радиус круга на параллели ab, угол - широта точки М. Видно, что ускорение Кориолиса равно удвоенному векторному произведению угловой скорости вращения шара , с которым связана подвижная система координат, на скорость точки относительно этой подвижной системы координат. Чтобы определить направление вектора , которое совпадает с направлением векторного произведения , нужно перенести вектор в точку М и восстановить из этой точки перпендикуляр к плоскости, в которой лежат векторы и . Вектор будет направлен по этому перпендикуляру в ту сторону, чтобы наблюдателю, смотрящему с его конца, поворот вектора на угол до совмещения его с вектором , представлялся происходящим против часовой стрелки, рис. 42.
Следует отметить, что Кориолисова сила – это инерциальная сила; она направлена противоположно ускорению .
Рассмотрим два частных случая.
Первый случай. Если скорость , что наблюдается на “полюсе” шара, то , и .
Второй случай. Если скорость || , что имеет место на “экваторе” шара, то , и .
Таким образом, при движении точки по меридиану вращающегося шара Кориолисова сила максимальна на его полюсах и равна нулю в точках на экваторе.
Действием силы Кориолиса, возникающей вследствие вращения Земли вокруг своей оси, объясняется так называемый закон Бэра, то - есть размывание правых берегов рек в северном полушарии и, наоборот, левых берегов рек в южном полушарии, текущих в направлении меридиана .
При движении точки по параллели, то – есть по окружности, лежащей в плоскости, перпендикулярной к оси вращения Земли, сила Кориолиса направлена по радиусу этой окружности к ее центру, если точка движения в западном направлении, и по радиусу от центра окружности, если точка движения в восточном направлении. При этом точка будет прижиматься к земной поверхности, если движется на запад, и, наоборот, отдаляться от нее, если движется на восток .
В общем случае движения точки по поверхности вращающегося шара под некоторым углом к меридиану скорость точки можно разложить на две составляющие, одна из которых направлена по меридиану, другая – по параллели. Применительно к каждой из составляющих справедливы пояснения, приведенные выше.
Специфические атмосферные явления связаны с образованием центров низкого и высокого давления вследствие нагревания земной (водной) поверхности. Перепады давления в горизонтальном направлении совместно с действием силы Кориолиса приводят к образованию сложных воздушных течений. Так, например, образование центра низкого давления приводит к формированию сходящегося к этому центру движения воздуха. Сила Кориолиса, действующая одновременно на обе противоположно направленные (сходящие) меридиональные составляющие течения воздуха приводит к возникновению вращающего момента относительно рассматриваемого центра давления.
При качественном описании этих течений можно пренебречь вертикальными ускорениями (в том числе и обусловленными движением воздушных потоков по параллели) и силами трениями – такие течения называются геострофическими .
Сила Кориолиса, действующая на единичный объем воздуха и направленная по нормали к вектору скорости ветра V, определяется по соотношению
где - широта места;
Угловая скорость вращения Земли;
Плотность воздуха.
Вторая сила F , влияющая на геострофическое течение, связана с горизонтальным градиентом давления, действует нормально к изобарам. Обозначив этот градиент через , можно получить
В стационарном геострофическом потоке равно . Поэтому геострофический ветер направлен вдоль изобар со скоростью
Таким образом, при наличии центров низкого и высокого давления с окружающими их замкнутыми изобарами, вокруг этих центров образуются круговые потоки. Они представлены вихрями различных размеров. Трение, имеющее место в реальном потоке, снижает скорость ветра, вследствие чего уменьшается и сила Кориолиса. В связи с этим в вихре, вращающимся вокруг центра низкого давления, воздух смещается к центру, при этом скорость ветра увеличивается вследствие постоянного углового момента.
Кроме того, из соотношения (6.4) следует, что скорость ветра в вихре прямо пропорционально величине градиента давления и обратно пропорциональна широте места, то – есть при движении вихря из зоны низких широт в зону высоких широт он постепенно ослабевает и расстраивается.
Рассмотрим особенности крупных атмосферных вихрей.
Самый крупный атмосферный вихрь – это циклон, рис. 36. Диаметр циклона 1000¸2000 км, высота 2¸10 км, давление в центре 950¸960 мбар, иногда 930 мбар (атмосферное давление на уровне моря 1012 мбар), средняя скорость его перемещения 30¸45 км/час. Воздушные массы в циклоне движутся по спирали, закручивающейся к его центру (против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке в южном), где они поднимаются вверх, порождая сильную облачность. Поэтому с приходом циклона, как правило, связывают выпадение осадков. Скорость ветра в циклоне обычно не превышает 20 м/с (иногда 30 м/с).
Тайфун – это разновидность циклона, так называемый тропический циклон. В переводе с китайского тайфун – очень сильный ветер; в Америке его называют ураганом. Тайфуны обычно зарождаются в низких широтах субтропических областей и перемещаются в направлении от низких к более высоким широтам. Они представляют собой атмосферные вихри диаметром несколько сот километров. Давление в центре может составлять ~900 мбар, иногда еще меньше. Сильное снижение давления в центре и небольшие размеры по сравнению с обычным циклоном приводят к образованию значительного градиента давления в радиальном направлении. Поэтому ветер в тайфуне достигает 30¸50 м/с; максимальная скорость 64 м/с была зафиксирована в сентябре 1928 г. в городе Сан - Хуане, (Пуэрто-Рико) . Тангенциально дующие ветры обычно окружают спокойную зону, называемую глазом тайфуна. Она имеет в среднем 25 км в диаметре, иногда 50¸60 км. По ее границе образуются облачная стена, напоминающая стену вертикального кругового колодца, рис. 43 . При прохождении тайфуна по морю уровень воды в зоне глаза тайфуна (и за ее приделами) поднимается. Согласно соотношению (5.22) высота подъема при p~900 мбар может превышать один метр. Это уже существенно. Ведь барический подъем воды происходит сразу на большой площади, измеряемой сотнями и тысячами квадратных километров. Подъем воды становится особо опасным, когда глаз тайфуна выходит на мелководное побережье (особенно в сужающиеся, бухты) и формируется штормовой прилив.
тайфуны, могут вызвать на суше катастрофический паводок. Выпадение 500 мм приблизительно за полдня не является редким исключением. В результате сильного ливня во время урагана Агнесса в июне 1972 г. на горе Митчелл (штат Северная Каролина, США) выпало 2530 мм осадков менее чем за 48 часов.
Известна легенда о Всемирном потопе. Согласно одной из гипотез описание потопа в Библии является пересказом шумеро-вавилонского предания об исключительно сильном наводнении, случившемся в давние времена в нижнем течении Ефрата и затопившем почти всю Месопотамскую низменность. Причиной его предполагается небывало мощный тайфун в Персидском заливе, который вызвал обильные дожди и нагнал огромные массы воды в устье Евфрата и долину реки . Гипотеза, несомненно, нуждается в серьезном обосновании и проверке. Известны и другие гипотезы, см § 6.8.
Таким образом, тайфуны – это всегда ураганные ветры, наводнения, разрушения и человеческие жертвы.
Торнадо (или смерч) – вихревое движение воздуха, возникающее в грозовом облаке, имеющее вид опрокинутой воронки, и затем распространяющееся по направлению к поверхности земли (воды) в виде хобота, разреженного внутри . Торнадо по своим масштабам относится к небольшим явлениям. Они редко превышают 1,5 км в диаметре; многие имеют диаметр менее 100 м. Средняя скорость их перемещения ~70 км/час, иногда ~100 км/час. Хобот приближенно можно представить в виде вихревой трубки. Скорость воздуха в стенке трубки достигает 100¸150 м/с (и даже больше). Отмечалась разность в давлении до 80 мбар внутри и вне хобота. Разрушения при прохождении торнадо вызываются большой скоростью ветра и резким перепадом давления, так как толщина стенки хобота невелика. Торнадо вырывает с корнями деревья, опрокидывает автомобили, поезда, корабли, поднимает в воздух или опрокидывает дома, сбрасывает с них крыши или полностью разрушает. Переносит в сторону, иногда на несколько километров, различные предметы, животных. По пути движения он всасывает в себя воду небольших озер, водоемов вместе с населяющими их флорой, фауной, которая переносится затем на большие расстояния и выпадает на землю вместе с дождем.
1. Выберите верные ответы. Над территорией России преобладают: а) арктические воздушные массы; б) воздух умеренных широт; в) экваториальные воздушные массы.
2. Дайте определение атмосферного фронта. Какие бывают атмосферные фронты?
Атмосферный фронт – переходная зона в тропосфере между смежными воздушными массами с разными физическими свойствами (в первую очередь температурой). Фронты могут быть: теплыми, холодными и окклюзии (смешанный).
3. Выберите верные ответы. Тёплый атмосферный фронт приносит: а) ливни, грозы; б) затяжные дожди; в) временное потепление; г) быстрое похолодание; д) ясную погоду.
Ответ: Б,В.
4. Что такое циклон? Что такое антициклон? Что у них общего?
Циклон – атмосферный вихрь огромного (от сотен до нескольких тысяч километров) диаметра с пониженным давлением воздуха в центре. Погода в циклоне: изменение температуры (зимой – потепление, летом – похолодание), увеличение влажности, выпадение осадков, давление низкое, погода пасмурная, усиление ветра. Антициклон – область повышенного атмосферного давления в центре и пониженного на периферии. Погода в антициклоне: ветер слабый, погода ясная и сухая, изменение температуры (зимой – похолодание, летом – потепление). Циклоны и антициклоны - это крупные атмосферные вихри, переносящие воздушные массы. На картах они выделяются замкнутыми концентрическими изобарами (линиями равного давления).
5. Установите соответствие. 1. Циклон. А. Крупный атмосферный вихрь с высоким давлением в центре. 2. Антициклон. Б. Пасмурная погода. В. Малооблачная, тёплая погода летом, морозная - зимой. Г. Крупный атмосферный вихрь с низким давлением в центре.
Ответ: 1 – А,В; 2 – Б,Г.
6. Какая погода - циклональная или антициклональная - приводит к большему загрязнению воздуха? Почему?
Загрязнение атмосферного воздуха больше будет во время антициклона, т.к. в нем господствует высокое атмосферное давление, в котором воздух имеет нисходящее движение. Таким образом, выбросы из источников загрязнения будут опускаться вниз и образовывать смог, в то время как в циклоне сильный ветер и восходящие токи воздуха, будут поднимать вверх и уносить выбросы предприятий.
7. Какая погода - циклональная или антициклональная - установилась над территорией вашего населённого пункта в данный период? Почему вы так считаете?
Сейчас установилась антициклоническая погода, об этом свидетельствует резкое понижение температуры (14.11.) до -5, отсутствие ветра и ясная, безоблачная погода.
8. Понаблюдайте, какая погода устанавливается в вашей местности при прохождении тёплых и холодных фронтов. Как часто погода меняется? С чем это связано?
Погода в регионе меняется часто, особенно в теплый период времени. Это связано с постоянным прохождением атмосферных фронтов, которые возникают из-за географического положения региона; Южный Урал находиться в зоне влияния западных атлантических циклонов, которые могут достигать Уральских гор, северных арктических воздушных масс и восточных сибирских антициклонов. При прохождении теплого фронта образуются перистые облака. Постепенно они превращаются в сплошную белую вуаль – в перисто-слоистые облака. В верхних слоях атмосферы уже движется теплый воздух. Падает давление. Чем ближе к нам линия атмосферного фронта, тем плотнее становятся облака. Солнце просвечивает тусклым пятном. Затем облака становятся ниже, Солнце скрывается совсем. Ветер усиливается и меняет свое направление по часовой стрелке (например, сначала был восточный, потом юго-восточный и даже юго-западный). Приблизительно за 300-400 км до фронта облака сгущаются. Начинается мелкий дождь или снег. Когда теплый фронт миновал, дождь или снег прекратился, тучи рассеиваются, наступает потепление – пришла более теплая воздушная масса. При прохождении холодного фронта теплый воздух отступает, а холодный рассеивается вслед за ним. Его приход всегда вызывает похолодание. Но при движении не все слои воздуха имеют одинаковую скорость. Самый нижний слой в результате трения о земную поверхность немного задерживается, а более высокие слои вытягиваются вперед. Таким образом, холодный воздух обрушивается на теплый в виде вала. Теплый воздух быстро вытесняется вверх, и создаются мощные нагромождения кучевых и кучево-дождевых облаков. Облака холодного фронта несут ливни, грозы, сопровождающиеся сильным порывистым ветром. Они могут достигать очень большой высоты, но в горизонтальном направлении простираются всего на 20-30 км. А так как холодный фронт движется обычно быстро, бурная погода продолжается недолго – от 15-20 мин до 2-3 ч. В результате взаимодействия холодного воздуха с теплой подстилающей поверхностью образуются отдельные кучевые облака с просветами. Затем наступает прояснение.
Удивительное это образование - вихрь! От других потоков однородной жидкости или газа он отличается только характером движения, включающим вращение вокруг внутренней оси. Но, по сравнению с другими потоками, вихрь обладает замечательной целостностью, устойчивостью и долгоживу честью (см. "Квант" № 4, 1971 г.)
Высоко под потолок летят вихревые дымные кольца, выпущенные курильщиком, тогда как дым от его папиросы, едва поднявшись, разбивается на струйки, перемешивается с воздухом и расплывается. Классические опыты с большими вихревыми кольцами, которые со стуком ударялись о стену лаборатории, описаны в статье американского физика-экспериментатора Р. Вуда (см. "Квант" № 12, 1971 г.).
В природе вихри возникают во множестве. Они появляются в той части потока, где скорость быстро меняется в направлении, перпендикулярном потоку. Каждому случалось видеть вихри в быстрой реке на переходе от быстрины к замедленному течению у берега. Целая цепочка вихрей может тянуться за движущимся предметом, скажем, автомобилем. Их особенно удобно наблюдать на шоссе в метельные дни, когда машина обдувается крепким встречным ветром, а хлопья снега проявляют движение прозрачного воздуха. Такие же вихри появляются при обтекании препятствий.
Вихревой характер сильного ветра был замечен в 1821 г. У. Рэдфилдом, содержателем небольшого магазина в штате Коннектикут (США), который, объезжая после шторма районы штата, обратил внимание на поваленные ветром деревья. В одном месте деревья лежали макушками к северо-западу, тогда как на некотором расстоянии макушки указывали прямо противоположное направление. Отсюда У. Рэдфилд сделал вывод, что шторм представлял собой вращательную систему ветров. Беседуя с моряками и анализируя судовые журналы, он установил направление вращения крупных вихрей и нашел траектории их центров. В 1831 г. вышел труд У. Рэдфилда, излагающий результаты его исследований. Близкие взгляды высказывал немецкий ученый В. Дове. В эти же годы были построены первые ветровые карты.
Вообще, вихревые движения характерны для атмосферы Земли. Однако далеко не все вихри "делают погоду". Погода на земном шаре в сильной степени зависит от присутствия гигантских атмосферных вихрей-циклонов и антициклонов, задающих ветровой режим в данном районе Земли.
Рис. 1. Стрелками указаны направления ветров в циклоне.
В вихревой системе, называемой циклоном (Рис. 1), атмосферное давление понижается от периферии к центру. Поэтому вблизи поверхности Земли воздушные течения направлены к центру циклона. Все циклоны имеют вращательную составляющую скорости ветра. В Северном полушарии она направлена против часовой стрелки, в Южном - по часовой. В развивающихся циклонах (т. е. таких, у которых давление в центре продолжает падать) наблюдаются восходящие потоки. При этом образуется мощная облачность и выпадают осадки.
Последние два свойства циклона очевидно связаны между собой. В самом деле, выделим мысленно некоторый объем воздуха и посмотрим, что произойдет при его подъеме. Попадая в более разреженные слои атмосферы, этот объем расширяется, температура воздуха внутри него - падает, и содержащийся в нем водяной пар конденсируется.
Направление вращения циклонов в различных полушариях можно объяснить закручивающим действием силы Кориолиса (подробнее см. "Квант" № 2, 1975 г.), связанной с суточным вращением Земли. Напомним известный факт, что отклоняющее действие этой силы заставляет реки подмывать свои правые берега. Воздушный поток не удерживается берегом, и поэтому при своём движении к центру он будет отклоняться вправо, если смотреть в сторону центра, т. е. против часовой стрелки при взгляде сверху.
Заметим, что возле самого экватора в полосе широт < 5° по обе стороны мощные вихри не образуются. Этот факт хорошо вяжется с приведенным объяснением, поскольку на экваторе горизонтальная составляющая силы Кориолиса равна нулю.
В вихревой системе антициклона все наоборот: давление возрастает, достигая
максимума в центре вихря. В развивающемся антициклоне присутствуют нисходящие
потоки. Опускаясь, газ нагревается и удаляется от состояния насыщения водяным
паром. Поэтому для антициклона характерна ясная малооблачная погода. Антициклоны
вращаются по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки
в Южном. Направление вращения антициклона объясняется также закручивающим
действием силы Кориолиса.В зависимости от места зарождения циклоны делят
на тропические и внетропические.
 Рис. 2 |
 Рис. 3 |
Рисунки 2 и 3 представляют вид сверху, соответственно, внетропического и тропического циклонов. Вне-тропический циклон (называемый иногда просто циклоном) - это самый крупный атмосферный вихрь, достигающий нескольких тысяч километров в поперечнике. Высота его колеблется между 2-4 и 15-20 км. Скорость ветра в нем в большинстве случаев не превосходит 40-70 км/час.
Поперечный размер тропического циклона (называемого также ураганом, тропическим ураганом, тайфуном и пр.) значительно меньше - всего несколько сот километров, высота его - до 12-15 км. Давление в ураганах падает намного ниже, чем во внетропическом циклоне. При этом скорость ветра достигает 400-600 км/час.
Самые большие скорости ветра в урагане наблюдаются вокруг так называемого "глаза бури" - зоны покоя в центральной части урагана. Черное пятно правильной формы на рисунке 3 - это и есть глаз бури. Выразительное описание глаза урагана дает очевидец, пролетевший через тайфун на самолете метеослужбы - французский журналист П.А. Молэн, автор книги "Охотники за тайфунами".
"Мы летим на высоте 3 км в колодце диаметром 22 км, в котором плавает несколько перистых облаков, мирных, как игрушки. Стены этого колодца представляет недвижимая буря, удерживаемая таинственной причиной. Она наполнена кипящими облаками, охваченными жесточайшими конвульсиями. Когда самолет кренится на виражах, глаза поднимаются к верхушке стены, выходу из этого колодца в 15 км над нами. И перед нашим удивленным взором развертываются эти кипящие стены, эта гигантская бездна, это крупное отверстие, которое и заставило назвать все явление «глазом тайфуна»".Заметим, что внетропические циклоны "глазом" не обладают.
Еще четче зона покоя (полость) выражена у мелкомасштабных вихрей - смерчей (торнадо, тромбов) (Рис. 4). Размеры их очень малы: ширина - от нескольких метров до 2-3 км, в среднем 200-400 м, высота от нескольких десятков до 1500-2000 м, в среднем несколько сот метров. Скорость ветра в смерче иногда превышает звуковую (1200 км/час).
В сердцевине смерча давление падает очень низко, поэтому смерчи "всасывают"
в себя различные, иногда очень тяжелые предметы, которые переносят затем
на большие расстояния. Люди, оказавшиеся в центре смерча, погибали. Поэтому
нет наблюдений его полости изнутри. Но ее видели снизу, когда смерч проходил
над головой наблюдателя. Рисунок 5 представляет собой фотографию внутренней
полости смерча, снятую снизу.
 |
 |
 |
| Рис. 4 | Рис. 5 | Рис. 6 |
По рассказам очевидцев полость смерча похожа на внутренность черного пустого цилиндра, освещенного изнутри блеском молний, проскакивающих между стенами. В некоторых случаях наблюдатели молний не видели.
Однажды нижний край смерча прошел над головой наблюдателя на высоте
6 м. Ширина внутренней полости этого смерча была около 130 м, тогда как
толщина стенки - всего 3 м. В середине полости находилось яркое, светящееся
голубым светом прозрачное облако. Немного позже, когда смерч уже прошел
над наблюдателем, конец его спустился к земле, коснулся соседнего дома
и в одно мгновение унес его. Дом распался в воздухе.
 Рис. 7 |
Со стороны смерч напоминает столб (Рис. 6), воронку (Рис. 7) или хобот (Рис. 4), свешивающийся из основания мощного грозового облака. Может образоваться сразу группа смерчей (Рис. 8). Интересна зарисовка смерча с двумя воронками (Рис. 9). В черной туче скрыта горизонтальная часть смерча - вихревое образование, вращающееся вокруг оси, вытянутой параллельно поверхности Земли. Эту часть смерча видел летчик, пролетавший на высоте около 300 м. По его словам, она напоминала огромную извивающуюся змею. Подобную "змею", переходившую в смерч, наблюдали однажды с Земли. "Змея" была наполнена водой, которую смерч высасывал из озера. Похоже, что горизонтальная часть смерча связана с громадным вихревым кольцом, образующимся иногда в облаках. Появляется она раньше самого смерча. |
Рис. 8.
Зарисовка водяных смерчей 1840 г. в
Средиземном море у берегов Алжира.
Рис. 9. Зарисовка смерча 1879 г. в Канзасе (США).
Смерчи обыкновенно возникают в районах, где соприкасаются воздушные массы с резко отличными тепловыми свойствами, в области мощных вертикальных движений и сходящихся потоков. Накоплен огромный фактический материал о физических свойствах смерчей (см. книгу Д.В. Наливкина "Ураганы, бури и смерчи"). Например, известно о фантастически больших перепадах скорости ветра в смерче.
Казалось бы, действие сил вязкости (внутреннего трения) должно сглаживать резкость картины. Однако приведем такой пример.
Смерчи часто наблюдаются в равнинных штатах Северной Америки. Проходя через фермы, они разрушают строения, в частности, курятники, разбрасывая их обломки далеко по равнине. На большом расстоянии от фермы находят куски разорванных куриных тушек. Бывали случаи, когда стены и крыши курятника исчезали, а куры оставались на месте, живые или мертвые. Часть кур находят ощипанными: смерч всасывает в себя перья. Возможно, этому помогает следующее обстоятельство: в коже курицы у основания перьев находятся воздушные мешочки, которые могут взрываться, если давление окружающего воздуха упадет достаточно низко.
Так или иначе, потерять перья курица может только в том случае, если она находилась в воронке смерча. Но однажды нашли курицу, у которой перья были ощипаны только на одной половине тела. Это значит, что скорость ветра менялась на расстоянии нескольких сантиметров от "ощипывающей" до близкой к нулю.
Удивительна способность смерчей втыкать продолговатые предметы (соломинки,
палки и др.) в деревья, стены домов, землю и т. п. Мелкие камни пробивают
стекло подобно пулям, выпущенным из револьвера.
 Рис. 10 |
Зарегистрирован случай, когда во время прохождения смерча сосновая палка пробила лист железа толщиной около сантиметра. Этим же качеством обладают ураганы. На рисунке 10 мы видим палку, проткнувшую ствол пальмы. По-видимому, эта способность также связана с резкими перепадами скорости в вихре. В последние десятилетия крупные вихри исследовались со специальных самолетов метеослужбы. Радиолокаторы и метеоспутники позволили получить "изображения" глобальных ветровых систем. Особенно четкими получаются фотографии циклонов, поскольку они сопровождаются сильной облачностью и осадками. Как показывают фотографии, осадки в циклонах концентрируются в четко выделяющиеся спиральные полосы. Антициклон прозрачен, осадки в нем редки, а если они и выпадают, то обычно на периферии в виде мороси. Поэтому антициклоны значительно труднее различить на спутниковых фотографиях. |
И все-таки, несмотря на обилие фактического материала, последовательной теории вихрей еще нет. Связано это, прежде всего, с тем, что в каждом конкретном случае зарождения вихря его развитие определяется огромным множеством внешних факторов. Неясно, какое именно сочетание известных условий вызовет первоначальное развитие вихря. В самом деле, до стадий урагана развиваются менее 10% образовавшихся в тропиках областей пониженного давления, остальные бесследно исчезают. Пока нельзя предсказать развитие урагана или смерча в данной конкретной ситуации.
Особенно плохо разработана теория смерчей. И дело здесь не только в том, что возникают они неожиданно и при более разнообразных условиях, чем ураганы (так, смерчи иногда образуются в глубине материка). Огромная скорость ветра в смерчах мешает их экспериментальному изучению. Это же обстоятельство не позволяет сколько-нибудь последовательно изучить это явление математически.
В самом деле, даже на самый "грубый" вопрос - в какую сторону будет вращаться смерч - нельзя ответить однозначно. При громадной скорости движения внутри мелкомасштабного вихря периодический процесс суточного вращения Земли может оказаться слишком медленным, чтобы активно взаимодействовать с процессом быстрого внутреннего движения, и развитие такого мелкомасштабного вихря будет определяться только конкретными внутренними условиями в газе. Они же будут определять направление вращения вихря. Поэтому, если большие вихри Северного полушария - внетропические циклоны и ураганы - вращаются против часовой стрелки, то для смерчей того же полушария не исключается вращение по часовой стрелке.
Возможны случаи одновременного появления двух или более вихрей в одном и том же районе. Оказавшись на достаточно близком расстоянии друг от друга, такие вихри начинают взаимодействовать между собой. Это явление называется эффектом Фудзивары.
Попробуем схематично описать "встречу" двух вихрей. У каждого одиночного вихря область интенсивного вращения отделена от неподвижной зоны так называемой периферической областью, в которой скорость постепенно спадает до нуля. Представим себе, что два урагана оказались на таком расстоянии, что центр каждого их них попал в периферическую область другого. Пусть, для определенности, ураганы вращаются против часовой стрелки. Каждый из них приведет в движение центр своего "собрата" таким образом, чтобы тот вращался относительно него против часовой стрелки. Как легко увидеть, это приведет к вращению центров обоих ураганов также против часовой стрелки относительно некоторой точки, расположенной на отрезке прямой, соединяющей центры ураганов, ближе к более мощному вихрю. В нижних слоях атмосферы воздух притекает к центру урагана, тогда как наверху оттекает от центра. В зависимости от интенсивности этих процессов у данной конкретной пары ураганов они могутсближаться, если преобладает "всасывание", или отступать друг от друга, если сильнее проявят себя оттекающие потоки в верхних слоях.
При этом ураганы все время продолжают влиять друг на друга. По выражению американского физика К. Орра, движение их напоминает поведение боксеров на ринге, выжидающих момент для нанесения решающего удара. Аналогичная схема позволяет рассматривать встречу антициклонов и пары циклон-антициклон. Кроме того, ее можно распространить на случай, когда вихрь попадает в мощное воздушное течение и начинает взаимодействовать с ним.
Развитие вихря определяют многие факторы, и сделать заранее какие-либо предположения о результате "встречи" двух вихрей практически невозможно.
Путь уже развившегося урагана иногда оказывается очень длинным, и, проходя его, вихрь испытывает различные превращения. При выходе из тропиков ураган принимает форму сильного внетропического циклона. Штормовые циклоны Западной Европы часто оказываются бывшими тропическими ураганами, которые прошли вдоль берегов Северной Америки и пересекли Атлантику. Некоторые из них, пройдя по Европе, уходят затем в Азию.
Когда ураган выходит на сушу, то из-за "шероховатости" земной поверхности его нижние слои начинают разрушаться. Кроме того, проходя над сушей, ураган слабеет из-за недостатка "питания" - влаги. Но если ураган оказывается вновь над океаном, то сохранившаяся его верхняя часть может "раскрутить механизм" с прежней силой. Обрушиваясь на густонаселенные районы суши, ураган уносит тысячи человеческих жизней и причиняет огромный материальный ущерб. Энергия его громадна: за один день большой ураган "расходует" энергию, равную энергии взрыва 13000 мегатонных ядерных бомб; кинетическая энергия среднего урагана равна запасу энергии 1000 атомных бомб.
Деятельность ураганов меняет рельеф земной поверхности: исчезают коралловые острова, "передвигаются" берега океана, появляются новые проливы и т. п. Прогнозы перемещений циклонов и антициклонов за последние два десятилетия стали намного надежнее благодаря использованию ЭВМ и информации, доставляемой спутниками, радиолокаторами и самолетами. На помощь службе погоды приходят новые совершенные аппараты и приборы. Служба эта ведется постоянно.
Изобретение относится к метеорологии и может быть использовано для борьбы с крупномасштабными вихревыми атмосферными образованиями. Сооружение выполнено в виде несущей центральной опоры со смонтированной на ней горизонтально расположенной дискообразной центрально-симметричной конструкцией с вертикальными каналами. Каналы имеют форму шестигранников с образованием сот для обеспечения возврата приземных потоков воздуха основному вихрю и расположены в гексагональном порядке. Размер дискообразной конструкции составляет 100-120 м. Длина канала определяется как корень квадратный из размера конструкции. Высота расположения верхней границы сооружения составляет 25-30 м. Такое конструктивное выполнение позволит повысить эффективность борьбы с крупномасштабными вихревыми атмосферными образованиями. 11 ил.
Изобретение относится к средствам активного воздействия на атмосферу, находящуюся в состоянии вихревого движения.
Уровень техники.
Известно (Наливкин Д.В. Смерчи. - М: Наука, 1984. 112 с.) такое природное явление, как смерч, торнадо или тромб. Эти названия объединяют один физический процесс - вихревое мелкомасштабное по сравнению с циклонами и мезоциклонами спиралевидное восходящее к верхним слоям атмосферы движение воздуха. Смерч приносит многочисленные разрушения и сопровождается гибелью людей и животных.
Известен (Росс Хоффман. Повелевать ураганами. Журнал "В мире науки", №1, 2005. http://www.sciam.ru/2005/1/meteo.shtml) ряд средств борьбы с атмосферными вихрями, суть которых заключается в том, чтобы разрушить атмосферный крупномасштабный вихрь с помощью дополнительных затрат материальных, энергетических, трудовых и пр. ресурсов.
Во всех случаях оказывается, что величина затрат должна быть сопоставима с запасами энергии в атмосферном вихре - это, например, взрывы в завихренной атмосфере вихря, подогрев атмосферы, охлаждение водной поверхности океана, охлаждение стенки ядра вихря, называемого "глаз вихря", что крайне расточительно для человечества. Вместе с высокозатратными предложениями есть и изначально экологически вредные - это, например, искусственные пленки на морской или океанской поверхности, ядерный взрыв или вещества с высокой гидрофильностью, распыляемые в атмосфере.
В нашей разработке (патент №2251835) предложен "Способ возврато-вихревого турбулентного подавления крупномасштабного синоптического вихреобразования". Предлагаемое изобретение является устройством-сооружением по этому способу.
В нашем способе (патент №2251835) для подавления атмосферного вихря использовалась энергия самого вихря на создание группы вторичных возвращаемых вихрей, энергия которых затрачивается на взаимодействие с основным вихрем. Это приводит к принудительному уменьшению энергии главного вихря, приводящему, в частности, к нарушению условий возникновения торнадо, в результате чего он не образуется или разрушается.
Для реализации способа использовалось устройство решетка в виде кругового цилиндра с группой коаксиальных круговых цилиндрических каналов, расположенных в гексагональном порядке, с заполнением S=1-F 1 /F 2 =0,8, где F 1 - общая площадь сечения каналов, a F 2 - полная площадь сечения решетки. Отношение высоты h цилиндрического тела решетки к ее диаметру d равнялось 0,1.
В использованном варианте устройство, предназначенное для формирования возвращаемых вихревых потоков, допускает улучшение в вопросах снижения общего сопротивления устройства возвращаемым потокам, оптимизации самой формы каналов, толщины и общего внешнего размера устройства-сооружения.
Технический результат повышения эффективности устройства-сооружения достигается применением шестигранной формы каналов, образующих в совокупности тело в виде сот, сооруженное в виде осесимметричной конструкции, имеющей центральную опору, как показано на фиг.1. Внешний размер сооружения определяется масштабом ядра атмосферного вихревого образования, внутренний размер - поперечный размер каналов - определяется как квадратный корень из внешнего размера сооружения, а высота канала как корень квадратный из размера канала.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Обратимся к исходным данным.
1. О смерче известно следующее.
"Смерч (торнадо, тромб) представляет собой атмосферный вихрь малой горизонтальной протяженности (характерный радиус 50-300 м, реже до 1 км) и большой интенсивности.
Он возникает в конвективной ячейке, связанной с грозовым облаком, и имеет вид спускающейся из облака воронки (серии воронок, столба и т.д.). Воронка заполнена воздухом, медленно движущимся вниз. Ее поверхность является почти изобарической.
Смерч сопровождается грозой, дождем, градом и, если воронка достигает земли, то вызывает значительные разрушения.
Торнадо делятся на: слабые - со скоростью ветра до 50 м/с (около 70% всех торнадо); сильные - со скоростью ветра от 50 до 100 м/с (около 28%); и неистовые - со скоростью ветра свыше 100 м/с (˜2%). В сильных и, возможно, в неистовых торнадо восходящий поток поднимается, вращаясь в тонком слое, охватывающем воронку. По некоторым оценкам скорость ветра в торнадо может превышать скорость звука. Высота смерча обычно составляет 800-1500 м. Давление в ядре смерча на 10-15% ниже, чем на его периферии.
Смерч обычно возникает перед холодным фронтом и движется примерно в том же направлении, что и фронт, со скоростью несколько десятков метров в секунду (до 60), проходя за несколько часов своего существования 40-60 км (до 300).
В процессе своего возникновения и формирования смерч связан с циклоном мезомасштаба, т.н. торнадо-циклоном с радиусом 5-25 км, тангенциальной скоростью 15-25 м/с и завихренностью в окрестности смерча порядка 10 -2 с -1 .
Смерч обычно образуется вблизи оси вращающегося торнадо-циклона в области между восходящими и нисходящими потоками в тыловой части грозовой ячейки.
Сейчас не вызывает сомнений роль вертикального сдвига ветра в формировании атмосферных вихрей.
Большое количество работ и разнообразие теоретических подходов не разрешают, однако, всех сомнений о роли различных физических процессов в механизме образования и самоподдержания смерча.
Натурные исследования смерчей осложняются, во-первых, большим разнообразием атмосферных вихрей и условий их возникновения, что затрудняет анализ экспериментальных данных, и, во-вторых, относительно малыми пространственными размерами смерча, что не позволяет надежно разрешить структуру восходящих и нисходящих потоков (Прикладная физика, 2001, №1, с.56-61. К вопросу о формировании и геометрических характеристиках смерча. У.Юсупалиев, Е.П.Анисимова, А.К.Маслов, С.А.Шутеев. МГУ. Москва. Россия. http)://www.vimi.ru/applphys/2001/1/f1-8.htm)".
2. О некоторых теоретических представлениях относительно явления турбулентности атмосферы (А.В.Колесниченко, М.Я.Маров. Турбулентность многокомпонентных сред. М., МАИК "Наука", 1999. 336 с.).
Турбулентными называют беспорядочные неустановившиеся движения жидкости (газа), налагающиеся на основное движение среды, которое можно представить как некоторое статистически среднее движение. Такие режимы движения жидкости возникают при потере устойчивости упорядоченного ламинарного движения, когда безразмерное число Рейнольдса Re=VL/υ (где V, L - характерные скорость и линейный масштаб течения, υ - кинематическая вязкость) превосходит некоторое критическое значение Re кр. В более общем смысле турбулентность служит одной из форм проявления многообразия движения гидродинамических систем, обладающих очень большим числом степеней свободы и высокой степенью нелинейности. В такой системе с ростом числа Re образуются новые макроскопические связи и внутренняя (мелкомасштабная, вихревая) структура течения становится полностью хаотической. Вместе с тем, на ее фоне часто возникают крупномасштабные когерентные (почти упорядоченные) вихревые структуры, так что, если возникновение турбулентности характеризует переход от порядка к хаосу, то в развитом турбулентном потоке (при Re≫Re кр) имеет место рождение порядка из хаоса.
В интервале масштабов от миллиметров до тысяч километров l≪r≪L (где l и L - так называемые внутренний и внешний масштабы турбулентности), охватывающем практически весь спектр динамических процессов в атмосфере, происходит каскадный процесс передачи энергии от крупномасштабных к мелкомасштабным вихревым движениям. Квазистационарный режим существования подобного каскадного механизма в турбулизованной атмосфере Земли характеризуется некоторой приблизительно постоянной (не зависящей от масштаба вихря r) величиной ε 0 ≈0,0003 м 2 /с 2 , которая, с одной стороны, является скоростью передачи кинетической энергии вихревого вращения от крупных атмосферных вихрей к более мелким вихрям, а с другой стороны, характеризует удельную скорость диссипации турбулентной (кинетической) энергии в тепло за счет молекулярной вязкости, которая происходит в вихрях минимального колмогоровского размера l k =υ 3/4 ε 0 -1/4 ·υ=0.16·10 -4 м 2 /с - коэффициент молекулярной вязкости атмосферы.
Коэффициент турбулентной вязкости υ T , отвечающий эмпирическому "закону четырех третей" Ричардсон-Обухова (этот же закон следует также из соображений теории размерностей и подобия) имеет вид
Для волнового числа k=f/V=1/r, где f=ω/2π - частота колебаний в с -1 или герцах, а ω - круговая частота и V - средняя скорость потока на рассматриваемом уровне атмосферы, разномасштабных вихрей, выражение (1), разрешенное относительно r, может быть записано в виде
3. О каскадном процессе передачи энергии движения от крупномасштабных к мелкомасштабным вихрям (Т.Е.Фабер. Гидроаэродинамика. М., Постмаркет, 2001. - 560 с.).
При подводе энергии к крупномасштабным движениям, характерный масштаб которых равен, скажем, k 0 =1/L, а темп этого подвода на единицу массы жидкости равен ε 0 . От крупномасштабных движений непрерывным каскадом идет энергетическая подпитка движений с большими волновыми числами k=1/r, и в итоге - непрерывная диссипация энергии в тепло. Из соображений размерности можно заключить, что стационарный спектр при однородной и изотропной турбулентности может быть записан в виде
Величина диссипации в интервале dk может быть рассчитана: в расчете на единицу массы она по порядку величины равна υk 2 Edk, где υ=η/ρ -кинематическая вязкость, η - динамическая вязкость, ρ - плотность среды. С учетом этой диссипации темп ε передачи кинематической энергии вниз по каскаду, в расчете на единицу массы и в единицу времени, должен падать с ростом k как
Подстановка (2) в (3) дает
Таким образом, оказывается, что поток кинетической энергии ε, передаваемой от больших вихрей к меньшим, уменьшается с уменьшением размеров вихрей. Каскадная передача энергии может быть увеличена путем принудительного перевода масштаба первоначального вихря в более мелкие вихри.
Т.е. становится очевидным, чем больше размер вторичных вновь образованных вихрей, тем интенсивней главный вихрь теряет свою энергию. Следовательно, сооружение, размещенное в поле атмосферного вихря, должно, во-первых, производить вторичные вихри, во-вторых, размеры возмущенной вихрями области, должны эффективно снижать интенсивность главного вихря.
Сооружение должно быть телом с каналами, формирующими группу вихрей из потоков, возвращаемых главным вихрем.
4. Переход от газа к жидкости (Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Гидродинамика. "Наука". М., 1988.)
Величина диссипации энергии в потоке ε˜(υ T l) 3 /l˜(υRe/Re крит) 3 l 2 . Если для воздуха ε 0 ˜0,0003 м 2 /с, а вязкость υ=1,5·10 -5 м 2 /с, то при вязкости воды υ=0,1·10 -5 м 2 /с для турбулизованной водной среды можно получить оценку ε 0B ˜0,0000001 м 2 /с.
5. Как возникает момент вращения у потока жидкости, попавшей в канал устройства?
Рассмотрим плоский потенциальный вихрь жидкости как сечение объемного вихря в плоскости перпендикулярной вихревой нити. Вращение жидкости осуществляется с угловой скоростью ω=∂ϕ/∂t в положительном направлении, т.е. против часовой стрелки. Выделим часть поверхности вихря в виде части кольца с радиусами r 1 и r 2 , вырезанной двумя радиальными лучами с углом их расхождения ϕ. Если считать, что выделенная часть площади кольца представляет собой след входного отверстия канала, в который поступает жидкость, то можно показать, что жидкость, внезапно втянутая в канал, имеет положительный ненулевой момент вращения. Это подтверждается экспериментально. На фиг.2 можно, например, видеть, как вращается по часовой стрелке сотовая модель в жидкой среде, движущейся как потенциальный вихрь с вращением по часовой стрелке. В случае движения жидкой среды против часовой стрелки хонекомб, погруженный в нее, также приобретает вращательное движение против часовой стрелки. Это экспериментально подтверждает возникновение завихренности жидкости и, следовательно, переход части общего момента вращения или интенсивности вихря к вновь образованным вторичным вихрям. Совокупность вторичных вихрей, взаимодействующих со стенками сооружения, приводит к возникновению момента вращения у сооружения. Между тем, для первоначального потенциального вихря характерным свойством является отсутствие завихренности любой выделенной области, не содержащей центр вихря.
6. Какой формой должны обладать каналы?
При большом многообразии форм наилучшей формой следует считать шестигранную по следующим основаниям:
6.1. Хонейкомб, образованный такими каналами, обладает по сравнению с решеткой в виде пластины, перфорированной цилиндрическими каналами, или хонейкомбом с трубчатыми каналами наименьшим сопротивлением из-за малости параметра заполнения S. В нашем случае S=0,08 для хонекомба-соты и S=0,8 для ранее использовавшейся формы в виде решетки, что на порядок улучшает эффективность устройства. Эффективность заключается в том, что из-за большей прозрачности в создании вихрей участвует в десять раз большее количество среды в случае хонейкомба, чем для решетки.
6.2. При прохождении завихренного потока через хонейкомб-соты не происходит существенного подавления завихренности потоков из-за турбулизации среды, задающейся формой канала. Такого рода оптимальность подсказывается (Т.Е.Фабер. Гидроаэродинамика. М., Постмаркет, 2001. - 560 с.) природой (ячейки Бенара).
Воспользуемся вышеизложенной информацией для получения оценок внешних и внутренних размеров предлагаемого сооружения.
Если примем, что высота h атмосферного слоя, участвующего в создании смерча, равна 800 метрам, максимальная горизонтальная скорость V потока равна 100 м/с и вязкость атмосферы υ=1,5·10 -5 м 2 /с, то число Рейнольдса Re оказывается равным Re=Vh/υ=5·10 9 , что указывает на турбулентный характер движения среды. А применение формулы (1) позволяет оценить турбулентную вязкость υ T ∝ε 0 1/3 r 4/3 =500 м 2 /с для этого слоя.
В свою очередь образование и устойчивое развитие турбулентности в потоке текучей среды происходит при числе Рейнольдса Re=2000. Это означает, что при h=800 м, V=100 м/с. Re=2000 турбулентная вязкость может быть оценена как υ T =40 м 2 /с. Тогда согласно (1) размер области возмущения как основного масштаба источника турбулентности в этих условиях, определяющего поперечный размер сооружения, оценивается как r≈120 м. Что вполне согласуется с размерами ядра смерча или торнадо.
Кроме того, хорошо известно (Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Гидродинамика. "Наука". М., 1988) явление, называемое кризисом сопротивления: в области значений числа Рейнольдса Re≈4·10 6 по мере роста этого числа происходит резкое уменьшение сопротивления среды при обтекании погруженного в него тела, а затем - тоже резкий рост этого сопротивления. Сопоставляя указанное значение числа Рейнольдса с его критическим значением Re кр ≈2·10 3 , приходим к заключению, что для соотношения масштабов вихрей при их последовательном каскадном дроблении от крупных с размером L к мелким с размером r действует правило
Дальнейшую аргументацию действенности такого правила для каскада вихрей в настоящем описании не приводим. Но заметим, что для отдельного канала сооружения оценка размера канала (согласно (5) и внешнему размеру сооружения в 120 м) оказывается ≈11 м. Тогда длина канала ≈ 3,4 м.
Далее. Профиль горизонтальной скорости V потока описывается логарифмической зависимостью V≈alg(h/h 0). При а=47,3 и h 0 =6,15 получаем V=100 м/с на высоте h=800 м, V=30 м/с на высоте h=26,5 м скорость ветра и при h=10 м - V=10 м/с.
Характерный размер "хобота" разрушительного торнадо от 20 до 500 м. Если D=20 м - поперечный размер канала, задающего размер неоднородности в виде отдельного вторичного вихря в общем потоке, прошедшем через сооружение, V=30 м/с - скорость горизонтального потока над каналами и, следовательно, внутри каналов на выходе из них. Re=2000 - условие поддержания развития турбулентности, то оценка локальной вязкости потока на этом уровне υ T =0.3 м 2 /с. А согласно (1) масштаб возмущения, поддерживаемого такими условиями, оценивается как 3 м, что вполне определяет высоту канала сооружения. Однако в целях создания в канале условий для формирования вихря из циклически движущегося потока необходимо увеличение высоты каналов до ˜10 м. При большей высоте следует ожидать повышения сопротивления сооружения, выражающегося в нарастании подавления крупномасштабных вторичных вихрей собственными для канала мелкомасштабными вихревыми образованиями, снижая "прозрачность" каналов для протекающих по ним потоков и эффективность их воздействия на основной вихрь. "Собственная турбулентность возникает и имеет максимум в области выхода потока из канала. Затем происходит достаточно быстрое уменьшение масштаба собственной турбулентности и нарастание турбулентности, обусловленной взаимодействием потоков (Е.У.Репик, Ю.П.Соседко. Управление уровнем турбулентности. Изд. Физ. - мат. литература. М., 2002. - 244 с.)".
Потери энергии главным вихрем могут быть разделены на две части. Первая - это потери на микроуровне, второе - это потери на уровне масштаба, сопоставимого с масштабом самого вихря. Потери на микроуровне - необратимые потери диссипации кинетической энергии среды в тепловую энергию. Об этих потерях известно из вышесказанного, что основной вихрь их "не замечает". Энергетические потери второго уровня - это потери энергии на поддержание вихрей из каскада последовательного дробления основного вихря на более мелкие - именно здесь происходит самый энергичный переток энергии от крупномасштабного вихря к мелкомасштабным вихрям.
Следовательно, сооружение должно возвращать прошедший через него поток среды в виде элемента каскада вихрей, готового к взаимодействию как с самим главным вихрем, так и между собой, эффективно снижая кинетическую энергию вихревого движения основного вихря.
Изобретение поясняется иллюстрациями, на которых:
Фиг.1. Диметрическая проекция устройства-сооружения с усеченным активным элементом 1 в виде сот с шестигранной формой каналов и центральной цилиндрической опорой 2.
Фиг.2. Фотография водяной модели завихренной атмосферы. Вращение слоя жидкости по часовой стрелке возбуждает вращательное движение сотовой модели в жидкой среде также по часовой стрелке. В центре сосуда сосредоточились визуализирующие частицы.
Фиг.3. Фотография модели среды для создания вихря в виде слоя воды в цилиндрической емкости диаметром 0,4 м; количество воды 6 литров, уровень свободной поверхности ˜5 см, дополнение - частицы, визуализирующие потоки. Модель среды в состоянии покоя после завершения свободного вращательного движения жидкости.
Фиг.4. Фотография модели активного элемента сооружения в виде сетки с внешним размером 6,5×6,5 см, размером ячейки 2,5×2,5 мм, толщиной провода 0,5 мм.
Фиг.5. Фотография модели активного элемента сооружения в виде решетки - кругового цилиндра диаметром 5 см и высотой 5,5 мм, перфорированного в гексагональном порядке цилиндрическими отверстиями диаметром 5 мм.
Фиг.6. Фотография модели активного элемента сооружения в виде хонейкомба - плоскопараллельного тела, составленного из шестиугольных сотоподобных каналов, высотой 5,5 мм, стороной шестиугольного канала 10,0 мм и внешним размером 8×7,5 см 2 .
Фиг.7. Приведены экспериментальные результаты измерения зависимости угловой скорости f в оборотах в секунду вращения среды от числа оборотов N среды. Экспериментальные данные аппроксимируются линиями тренда, т.е. кривыми, наилучшим образом (в смысле приближения значения коэффициента корреляции R к единице) описывающими поведение этих данных. 1 - ◆, слой воды, линия тренда f1=0.0035N2-0.0993N +0.865 и коэффициентом корреляции R2=0.9798; 2 - Δ, слой воды с активным элементом сетка, линия тренда f2=0.0029N2 - 0.081N+0.6041 и коэффициент корреляции R2=0.9937; 3 - , ---- слой воды с активным элементом решетка, линия тренда f3=0.0024N2 - 0.0673N+0.516 и коэффициент корреляции R2=0.9915; 4 - слой воды с активным элементом хонейкомб-соты, линия тренда f4=0.6324e-0.2595N и коэффициент корреляции R2=0.9865.
Фиг.8. Фотография процедуры возбуждения активатором (вращающимся электрическим приводом насадом) вращательного по часовой стрелке движения воды путем приведения в центре сосуда в контакт насада и свободной поверхности воды.
Фиг.9. Фотография сосуда со следом в виде концентрации в центре сосуда визуализирующих частиц, оставленным свободным главным вихрем в присутствии модели сооружения-сетки в момент общего успокоения воды.
Фиг.10. Фотография сосуда со следом в виде концентрации визуализирующих частиц на части круга, оставленным свободным главным вихрем при его движении по часовой стрелке в присутствии модели сооружения-решетки в момент общего успокоения воды.
Фиг.11. Фотография сосуда со следом в виде концентрации визуализирующих частиц на части круга, оставленным свободным главным вихрем при его движении по часовой стрелке в присутствии модели сооружения-хонейкомба в момент общего успокоения воды.
Для демонстрации реализации предлагаемого технического решения воспользуемся методом физического моделирования.
А. Роль атмосферы будет играть вода.
При этом пользуемся известным приближением, что воздушная среда может считаться жидкостью с плотностью меньшей, чем у воды.
Например. Л.Прандтль. Гидроаэродинамика. R&C Dynamics. Москва-Ижевск. 2002. Стр.18-19.
"Газы отличаются от жидкостей тем, что при помощи достаточно большого давления они могут быть сжаты до очень малого объема; с другой стороны, если предоставить любому газу большее пространство, чем то, которое он занимает, то происходит расширение газа: он равномерно заполняет все предоставленное ему пространство, но давление его при этом уменьшается. В остальном поведение газов очень сходно с поведением жидкостей: В состоянии покоя они, подобно жидкостям, не оказывают никакого сопротивления деформации, а при внутренних перемещениях в них, как и жидкостях, проявляется вязкость. Следовательно, до тех пор, пока не происходит изменения объема, поведение газа в качественном отношении ничем не отличается от поведения жидкости, занимающей сплошь - без образования свободной поверхности - такое же пространство, как и газ".
Б. Модель среды для создания вихря в нашем случае представляет собой слой воды в цилиндрической емкости диаметром 0,4 м, количество воды 6 литров, уровень свободной поверхности ˜5 см, дополнение - частицы, визуализирующие потоки. На фиг.3 приведена фотография такой модели в состоянии покоя жидкости.
Критерии подобия. (А.М.Мхитарян. Аэродинамика. М., "Машиностроение", 1976, - 448 с.). При сопоставлении результатов натурных исследований и модельных с помощью числа Рейнольдса возникает связь натурных размеров и вязкости с аэродинамическими в трубе: υ н /υ м (r н /r м) 2 Уменьшение линейных размеров модели в n раз требует уменьшения коэффициента кинематической вязкости в аэродинамической трубе в n 2 раз.
Отсюда, производя оценки, получаем, что наша модель вихря в водной среде удовлетворяет условиям подобия: если ν T н =500 м 2 /с, r н =800 м, υ T м =8.6·10 -5 м 2 /с, (ν Т н /ν Т м) 0,5 ≈2400 ˜800/r м, то r м ˜0,33 м, что достаточно близко к размеру модели вихря, задаваемому сосудом диаметром 0,4 м.
Моделирование вихревого движения осуществляется путем принудительного равномерного кругового вдоль периметра сосуда помешивания до момента возникновения устойчивого циклического радиусом r=0,18 м движения среды с линейной скоростью 1,1 м/с или с угловой скоростью один оборот в секунду. При вязкости воды ν=0,1·10 -5 м 2 /с число Рейнольдса Re=2·10 5 .
В. В качестве активных элементов моделей сооружения используются:
1. сетка с внешним размером 6,5×6,5 см 2 , размером ячейки 2,5×2,5 мм 2 , толщиной провода 0,5 мм (фиг.4);
2. решетка - круговой цилиндр диаметром 5 см и высотой 5,5 мм, перфорированный в гексагональном порядке цилиндрическими отверстиями диаметром 5 мм (фиг.5);
3. хонейкомб - плоскопараллельное тело, составленное из шестиугольных сот, высотой 5,5 мм, стороной шестиугольного канала 10,0 мм и внешним размером 8×7,5 см 2 (фиг.6).
Г. Вода, приведенная в циклическое движение и оставленная после этого в свободном состоянии, проявляет типичное для этого случая поведение, при котором визуализирующие частицы собираются в центре сосуда. Это можно видеть на фиг.3, где приведена фотография описанного состояния жидкости.
На фиг.7 приведены экспериментальные результаты измерения зависимости угловой скорости f вращения среды от числа оборотов N среды. Экспериментальные данные аппроксимируются линиями тренда, т.е. кривыми, наилучшим образом (в смысле приближения значения коэффициента корреляции к единице) описывающими поведение этих данных.
Из графиков видно, что наилучшими свойствами по снижению кинетической энергии циркуляционного движения среды обладает хонейкомб. При помешивании жидкости с целью придания ей угловой скорости один оборот в секунду, помещенный в нее хонейкомб активно противодействует этому, очень быстро гася циклическое движение жидкости. Это можно видеть на фиг.7, сравнивая кривые 1 для жидкости и 4 для жидкости с хонейкомбом. Близкое к нему поведение обнаруживает решетка (кривая 3). Но в силу ее меньшей прозрачности она обладает меньшей производительностью вторичных вихрей, а потому меньшей эффективностью воздействия на главный вихрь. Циклическое движение среды существенно затормаживается сеткой (кривая 2). Однако в этом случае меньшая эффективность сетки по сравнению с хонейкомбом и решеткой объясняется тем, что, интенсифицируя микромасштабную собственную турбулентность среды и способствуя снижению энергии циклического движения среды на самом нижнем уровне турбулентности, сетка не порождает устойчивых крупномасштабных вихрей. А это приводит к тому, что основные крупномасштабные вихревые движения, как и положено, "не замечают" микротурбулентность.
При скорости (конвергентных по отношению к центру вихря в придонной области сосуда) потоков 0,1 м/с и размере отдельной ячейки хонейкомба, равном 0,02 м, число Рейнольдса Re=2·10 3 , что означает, что при меньших скоростях конвергентных потоков ячейки хонейкомба перестают быть областями устойчивого рождения крупномасштабной турбулентности, что выражается в сближении кривых в области большого числа оборотов, совершенных жидкостью, т.е. по прошествии достаточно большого времени. Это можно видеть на фиг.7.
Д. Дополнительная информация о влиянии сооружений, гасящих вихревое движение главного вихря.
В водной среде, содержащей модели сооружений в виде сетки, решетки или хонейкомба, возбуждалось вращательное движение активатором в виде цилиндрического осесимметричного насада с электрическим приводом (фиг.8). Вращающийся насад приводился в центре кругового сосуда в контакт со свободной поверхностью слоя воды, содержащегося в нем. Вода приобретала круговое вращательное движение по часовой стрелке, максимум угловой скорости которого достигался в течение 10 секунд удержания активатора в контакте с водой. После этого контакт устройства и воды прерывался и далее осуществлялось наблюдение за поведением возникшего искусственного вихря.
На фотографиях фиг.9, 10, 11 по следу, оставленному визуализирующими частицами, можно видеть различное угасание главного вихря. На фиг.9 сооружение-сетка гасит вихрь так, что след располагается главным образом в центре сосуда. На фиг.10 сооружение-решетка принуждает вихрь покинуть центральную часть сосуда и совершить путь в виде круга. На фиг.11 сооружение-хонейкомб принуждает вихрь покинуть центральную часть сосуда и совершить путь в виде круга, но большего радиуса, чем круг на фиг.10.
Сопоставляя результаты наблюдений для различных сооружений приходим к естественным заключениям, что сооружение-сетка в большей степени служит главным образом возбуждению микротурбулентности, ускоряющей диссипацию энергии главного вихря. Сооружение-решетка рождает вихри бóльшего масштаба, т.е. такого масштаба, что главный вихрь начинает вести себя как вихрь в присутствии другого вихря. Т.е. главный вихрь смещается от центра, как от точки, являющейся центром движения двух вихрей. В дальнейшем достаточно быстро главный вихрь теряет свою энергию движения, что приводит к потере энергии вторичными вихрями, а следовательно, к возвращению центра главного вихря в центр сосуда. В случае сооружения-хонейкомба главный вихрь теряет еще большую энергию движения, что приводит к росту интенсивности вторичных вихрей и, следовательно, к большему радиусу круга - следа главного вихря.
Обращает на себя внимание тот факт, что визуализирующие частицы оставляют след вихря, очень похожий на след торнадо, образованный обломками всего того, что он разрушил.
Е. Из вышеприведенных результатов следует, что:
1. Сооружение должно состоять из двух частей - активной, служащей гашению энергии вращения атмосферного вихря, и центральной несущей опоры.
2. Активная часть сооружения должна быть выполнена в виде сот с показателем заполнения S≈0,1 и меньше.
3. Внешний размер активной части сооружения определяется размером ядра атмосферного вихря. Исходя из типичных размеров торнадо - это 100÷120 метров.
4. Наилучшей формой каналов активной части сооружения должна быть шестигранная форма.
5. Внутренний размер - размер отдельного канала сооружения определяется размером хобота в случае смерча или торнадо. Исходя из типичных размеров торнадо - это 12÷20 метров.
6. Уровень расположения верхней границы сооружения определяется высотой в пределах 25÷30 метров, что определяется согласно профилю скоростей ветра существенным логарифмическим замедлением роста значений горизонтальной скорости воздушных потоков с высотой.
7. Высота каналов активной части сооружения 5÷10 м.
8. Уровень расположения нижней границы активной части сооружения определяется высотой каналов сооружения и профилем местности, что дает для высоты опоры оценку 10÷20 м.
9. Форма внешнего граничного контура сооружения должна быть осесимметричной из соображений необходимости азимутальной равнозначности сооружения.
Сооружение для активного воздействия на крупномасштабные вихревые атмосферные образования, выполненное в виде несущей центральной опоры со смонтированной на ней горизонтально расположенной дискообразной центрально-симметричной конструкцией с вертикальными каналами, имеющими форму шестигранников с образованием сот для обеспечения возврата приземных потоков воздуха основному вихрю и расположенными в гексагональном порядке, причем размер дискообразной конструкции составляет 100-120 м, длина канала определяется как корень квадратный из размера конструкции, а высота расположения верхней границы сооружения составляет 25-30 м.
Изобретение относится к области прикладной метеорологии и экологии, а именно к устройствам для изменения атмосферных условий, использующим тепловой нагрев воздуха, чтобы получить конвекцию воздушных масс, обеспечивающую вынос загрязняющих атмосферу частиц из приземной зоны сквозь инверсионный слой в верхние слои атмосферы
Изобретение относится к экологии, в частности к оценке содержания тяжелых металлов, таких как Cu, Ni, Co, Pb, Zn, в атмосферном воздухе по степени их накопления тканями листостебельных мхов, выполняющих функции живого поглотителя и сорбирующей поверхности
