151770 (Теория вихрей)

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Удмуртский Государственный Университет»

Факультет информационных технологий и вычислительной техники

Реферат на тему:

«Теория вихрей»

Выполнил

студент группы 39-31: Килина Е.С.

Проверил

Доктор физико-математических наук: Кондратьев Б.П.

Ижевск 2009

Традиционное объяснение механизма образования циклонов сводится к воздействию силы Кориолиса на воздушные потоки. Си́ла Кориоли́са (по имени французского учёного Гюстава Гаспара Кориолиса, впервые его описавшего) — одна из сил инерции, существующая в неинерциальной (вращающейся) системе отсчёта из-за вращения и законов инерции, проявляющаяся при движении в направлении под углом к оси вращения. Ускорение Кориолиса было получено Кориолисом в 1833 г., Гауссом в 1803 г. и Эйлером в 1765 г.

Причина появления силы Кориолиса — в кориолисовом (поворотном) ускорении. Для того, чтобы тело двигалось с кориолисовым ускорением, необходимо приложение силы к телу, равной F = ma, где a — кориолисово ускорение. Соответственно, тело действует по третьему закону Ньютона с силой противоположной направленности. FK = − ma. Сила, которая действует со стороны тела, и будет называться силой Кориолиса.

Рассмотрим теперь теорию, разработанную инженером и патентоведом Павлом Николаевичем Манташьяном, объединяющую природные объекты и явления, отличающиеся в миллиарды раз - спиральные галактики и вихри в атмосфере, тайфуны и молекулы воды, которые вращаются в магнитном поле земли, подчиняются одним и тем же законам. Его гипотеза предполагает, что первопричина возникновения циклонов — появление момента количества движения у дипольной молекулы воды, движущейся в магнитном поле земли.

(Из-за полярности связей О–Н и уголковой формы молекула воды представляет собой электрический диполь. Электрический диполь – частица или тело, несущая равные по модулю положительный и отрицательный заряды, не совпадающие в пространстве.)

Рассмотрим с этой точки зрения различные природные явления.

В земной атмосфере находятся пары воды, которые с воздушными потоками перемещаются в магнитном поле Земли, и, как следствие этого, в атмосфере образуются вихри разных размеров. Наиболее интересны и характерны из них, а также наиболее разрушительны тропические циклоны, или тайфуны, диаметры которых составляют сотни километров.

У всех тайфунов есть общая черта: в Cеверном полушарии они закручены против часовой стрелки, а в Южном — наоборот, по часовой. Тропические циклоны зарождаются в штилевой зоне над океанами (преимущественно между широтами 5—25°) как в Северном, так и в Южном полушарии, но полностью отсутствуют в экваториальной зоне, ограниченной приблизительно 5° северной широты и 5° южной широты.

Тропический циклон представляет собой систему очень сильных ветров, дующих вокруг безветренного центра, называемого глазом, вблизи которого скорость ветра может достигать 300—400 км/ч. Тропические циклоны характеризуются мощными восходящими потоками влажного воздуха вокруг “глаза” и нисходящими потоками воздуха в “глазе” тайфуна.

Попробуем объяснить механизм образования тропических циклонов.

Земля — гигантский намагниченный шар. Его поле совпадает с полем магнитного диполя, расположенного вблизи центра земного шара со смещением около 400 километров в сторону Тихого океана и наклонённого примерно на 12° к оси вращения Земли. Силовые линии этого гигантского магнита выходят из северного магнитного полюса в Южном полушарии и устремляются к южному магнитному полюсу в Северном полушарии. Они огибают земной шар и распространяются на многие тысячи километров в околоземном космическом пространстве.

Магнитное поле Земли в каждой точке пространства характеризуется величиной и направлением. Из всех его характеристик в плане образования циклона нас интересует вектор магнитной индукции В и магнитное наклонение I, то есть угол между горизонтальной плоскостью и вектором магнитной индукции.

Картина магнитного поля Земли очень сложна, она периодически меняется, вызывая существенные отклонения от средней величины в данной местности.

Взаимодействие движущихся вверх молекул воды с магнитным полем Земли в первую очередь зависит от величины магнитной индукции В, то есть от магнитной широты (которая мало отличается от географической широты места). Момент количества движения молекул, а значит, и скорость их вращения в тайфуне максимальны на широтах 16°. То есть именно на этих широтах вероятность возникновения тайфуна наиболее велика. Это хорошо согласуется с результатами наблюдений за погодой. Но для его возникновения поднимающийся воздушный поток должен также иметь высокую влажность, которую могут обеспечить только обширные водные пространства с хорошо прогретой поверхностью (по данным некоторых авторов, не менее 27 градусов Цельсия). И тайфуны действительно образуются вблизи от экваториальной зоны (10—25° широты), над океаном, поверхностные воды которого хорошо прогреты, а восходящий поток имеет практически стопроцентную влажность. Как следствие этого, появление тайфунов носит ярко выраженный сезонный характер, что отражено данными, приведёнными в таблице:

За 79-летний период тайфуны в северной части тропической зоны Атлантического океана возникали 636 раз, то есть практически по 8 тайфунов в год. Из них 504 тайфуна, или почти 80%, приходятся на август, сентябрь и октябрь — период, когда поверхностные воды Атлантики прогрелись, но зато в январе, когда они остыли, за 79 лет не было ни одного тайфуна.

Как отмечалось выше, реальное магнитное поле Земли отличается от магнитного поля идеального магнитного диполя. А поскольку именно величина индукции магнитного поля играет важную роль в механизме образования тайфуна, районы океана с её повышенным уровнем наиболее “тайфуногенны”. К ним относятся районы между Южной и Северной Америками, к востоку от побережья Австралии, районы Японских островов и Индонезии. Во всех этих местах индукция магнитного поля составляет 40—50 микротесл. А в районах западного и восточного побережий Южной Америки и в Южной Атлантике, где тайфунов не бывает, уровень индукции магнитного поля Земли не превышает 25—30 микротесл.

В целом картина возникновения тайфуна такова. Хорошо прогретая поверхность океана обеспечивает мощный восходящий поток влажного воздуха, насыщенного молекулами воды, которые, поднимаясь, начинают вращаться вследствие взаимодействия с магнитным полем Земли.

Чтобы понять роль молекул воды в образовании тайфуна, представим себе ёмкость, заполненную воздухом, в которую опустили вентилятор. Его лопасти вращаются, вовлекая во вращение воздух. Если теперь мысленно уменьшить размеры лопастей вдвое, одновременно увеличив число вентиляторов в два раза, скорость вращения воздуха в ёмкости сохранится. Если последовательно продолжать мысленный процесс уменьшения размеров вентиляторов с одновременным увеличением их числа, в пределе можно дойти до лопастей размером с молекулу. Образно говоря, в процессе образования тайфуна каждая молекула воды играет роль миниатюрного вентилятора, так как она совершает вращательное движение в результате пересечения ею силовых линий магнитного поля Земли. И посредством многочисленных соударений каждая молекула воды передаёт собственный момент количества движения другим молекулам, не имеющим дипольного момента. Постепенно во вращательное движение вовлекается всё больше молекул влажного воздуха. Такая “спиновая поляризация” воздушного пространства со временем приводит к суммированию моментов количества движения отдельных молекул, что и служит основой образования вихря гигантских размеров.

Теперь рассмотрим соотношение масс молекул воды и воздуха, содержащего эти молекулы воды. При температуре океана 27 градусов Цельсия температура воздуха над океаном будет около 35 градусов. При такой температуре и стопроцентной влажности масса паров воды в одном кубическом метре воздуха составит порядка 40 г, тогда как масса сухого воздуха того же объёма — 1260 г. Таким образом, видно, что масса молекул воды составляет примерно три процента от общей массы влажного воздуха. Отсюда понятно, что для образования тайфуна необходим длительный, порядка нескольких дней, “инкубационный период”. В течение этого времени происходит постепенное образование моментов количества движения у молекул воды в результате их взаимодействия с магнитным полем Земли, передача их посредством соударений нейтральным молекулам и аккумуляция моментов количества движения всех молекул в виде вихря. Тайфун возникнет, если процесс накопления момента количества движения идёт по нарастающей. Для этого достаточно, чтобы температура поверхностных вод океана не опускалась ниже 27 градусов Цельсия, а в дневное время уровень солнечной радиации способствовал испарению воды и созданию мощных восходящих потоков влажного воздуха. К счастью, все эти условия соблюдаются не всегда, поэтому тайфуны не такие уж частые гости в тропических широтах.

Как указывают многие исследователи, тайфун — своего рода тепловая машина, которая превращает тепловую энергию Солнца в энергию восходящего потока влажного воздуха, а она с помощью магнитного поля Земли преобразуется в энергию гигантского воздушного вихря.

Что же происходит с молекулами воды, которые восходящим потоком воздуха перемещаются с поверхности океана, природного нагревателя, в верхние слои атмосферы, служащие холодильником этой своеобразной тепловой машины? Они конденсируются, образуя облака, которые через некоторое время проливаются тропическим ливнем. Получается, что если при движении вверх молекулы воды вращаются в одну сторону, закручивая воздух в тайфуне, то при движении вниз они должны вращаться в противоположную сторону, тормозя вращение тайфуна. А поскольку количество молекул воды, движущихся в обоих направлениях, одинаково, то в принципе, казалось бы, тайфун должен быстро угаснуть. Однако этого не происходит.

Между молекулами воды, движущимися вверх и вниз, есть большая разница: они совершают свои путешествия в различных агрегатных состояниях. Вверх молекулы воды добираются поодиночке, в парообразном состоянии, а вниз — в виде капель жидкости. Одиночная молекула воды имеет большую свободу движения и может более эффективно играть роль своеобразного вентилятора, тогда как молекулы воды в жидкости, находясь в более тесном взаимодействии, такой свободой не обладают. Отсюда можно сделать вывод, что вероятность образования вихря напрямую зависит от агрегатного состояния дипольных молекул.

Анализируя таблицу повторяемости тропических циклонов в северной части тропической зоны Атлантического океана (см. выше), можно заметить, что максимальное число тайфунов возникает именно в сентябре, когда после жаркого лета поверхностные воды океана достаточно прогрелись. Много тайфунов образуется также в августе — температура океана уже высокая и в октябре — температура ещё высокая, тогда как в июне и июле их число составляет всего лишь 20 процентов от сентябрьской нормы — океан ещё не успел прогреться после зимы.

Пространственно-временной анализ картины распределения тайфунов косвенно подтверждает гипотезу о возможности образования момента количества движения у дипольной молекулы, перемещающейся в магнитном поле.

Следует отметить, что таблица содержит суммарную информацию о тайфунах, а на диаграмме отражено число главных ураганов в Северной Атлантике по годам.

Из приведённой диаграммы видно, что распределение ураганов по годам неравномерно. Современные исследователи связывают это со многими факторами, в том числе и с активностью Солнца. Один из возможных механизмов такого влияния включает корональные выбросы — сброс старых магнитных петель конвективной зоны Солнца. Эти гигантские облака намагниченной плазмы массой до 10 миллиардов тонн летят к Земле со скоростью более 1000 км/с. В результате такого выброса в районе геомагнитного экватора регистрируются потоки протонов, позитронов и электронов, причём поток положительно заряженных частиц в несколько раз превышает поток электронов.

При движении молекулы воды в магнитном поле Земли её массивная отрицательно заряженная часть ОН играет основную роль в образовании момента количества движения и задаёт направление вращения молекулы. Данные о корональных выбросах Солнца, приводящих к потокам положительно заряженных частиц, влияющих на образование тайфунов, полностью подтверждают теорию.

Формула силы Лоренца

содержит четыре сомножителя, каждый из которых может быть положительным или отрицательным. В случае с корональным потоком, состоящим преимущественно из положительно заряженных частиц, каждая из которых в тысячи раз превосходит по массе электрон, их векторы скорости направлены прямо противоположно вектору скорости восходящего потока. Следовательно, они противоположны по знаку, то есть знак меняется у двух сомножителей из четырёх, что никак не отражается на знаке их произведения.