Иванов Б.Н. - Мир физической гидродинамики. От проблем турбулентности до физики космоса (1107606), страница 49
Текст из файла (страница 49)
В 1965 г, в спектрах радиоизлучения ряда источников (туманность Ориона и др.) впервые были обнаружены очень интенсивные и весьма узкие линии в сантиметровом диапазоне. Известно, что «спокойное» Солнце является источником теплового радиоизлучения. Интенсивность его «радиолиний» в спектрей примерно в 1О'а раз меньше, чем в обнаруженных необычных радиоисточниках. Кстати, так же количественно соотносятся интенсивности видимого излучения у лабораторных тепловых и лазерных источников света.
В результате, с большой долей вероятности можно заключить, что в обнаруженных радиоисточниках действие мазерного механизма излучения налицо. и Спектр радиоизлучения Солнпа носит казззотепрерыаный характер. 209 Астрофизика Сами необычные радиоисточники (туманности) находились в областях активного звездообразования. Молодые формирующиеся звезды являются генераторами инфракрасного ИК-излучения. Они осуществляют ИК-накачку молекул газовой туманности. Возникающая инверсная населенность квантовых уровней молекул среды, а также резонансное взаимодействие с ними проходящего сквозь туманность радиоизлучения (близкого по частоте к ИК-диапазону), ведет к резкому его усилению за счет вынужденного излучения возбужденных молекул среды.
Родившийся ливень тождественных когерентных фотонов давал чрезвычайно узкие линии радиоизлучения огромной интенсивности. Мощность таких космических мазеров достигает 10зв эрг/с. Для сравнения заметим, что у Солнца полная мощность энерговыделения составляет 1Озз эрг/с.
К 020.4. О жидкой планете, похожей иа звезду Речь идет о Юпитере. Его химический состав практически не отличается от солнечного, т. е. содержит по массе свыше 70% водорода, свыше 20% гелия и около 2% других элементов. А ведь в твердом теле Земли, например, наиболее характерными элементами являются Ре (35%), О (29%), бй (15%) и Мя (13%). Самые распространенные соединения в земной коре — 510з и А1зОз. Ядро Земли, по-видимому, состоит из железа. Недра Юпитера находятся в жидком состоянии. Это естественно, поскольку температура перехода в твердую фазу для водорода Т св 14 К, а гелий, как известно, вообще не кристаллизуется (при давлении в 1 атм).
На глубинах 25000 км жидкий водород, по-видимому, испытывает переход в металлическое состояние. Дело в том, что при обычных условиях все фазовые состояния водорода являются молекулярными. Так, у твердого водорода в узлах кристаллической решетки находятся молекулы Нз. Связи между молекулами в решетке очень слабы (действуют силы Ван-дер-Ваальса). В электрическом отношении такой молекулярный кристалл будет диэлектриком. Металлизация твердого молекулярного водорода наступает при давлении около 2,5 млн атм. Что происходит при этом с молекулой Нз, представляющей собой систему двух протонов, стянутых единой замкнутой оболочкой из пары электронов, имеющих взаимно антипараллельные спины. При указанном давлении электронные оболочки полностью ионизуются, а протоны, испытывая кулоновское отталкивание, становятся одиночными.
В результате возникает кристаллическая модификация с изолированными протонами в узлах решетки и свободными коллективными электронами. Такой кристалл будет обладать прочной металлической связью, и электрической проводимостью, характерной для металлов. В центральной области Юпитера температура оценивается в 30 000 К, и давление 10з + 1Оз атм. При таких условиях кристаллы металлического водорода окажутся за пределом текучести. В итоге, окрестности центра 2!О Пр вложен де планеты, скорее всего, будут представлены жидким металлическим водородом. Жидкометаллическое состояние недр объясняет происхождение довольно сильного магнитного поля Юпитера, так как достаточно высокая электропроводность и малая вязкость допускают возможность механизма турбулентного магнитогндродинамического динамо (см. З!9.2).
Этот механизм, который приводится в действие врашением планеты и тепловой конвекцией в жидком металле, создает внутреннее и внешнее магнитное поле. На Юпитере имеется мошная, плотная многослойная атмосфера. Ее химическими компонентами являются водород Нз и гелий Не. По их объемному содержанию в атмосфере, водороду отводится а86%, а гелию и14%.
Имеются также следы метана, аммиака, водяных паров и др. Яркие красные, оранжевые и коричневые облака могут быть окрашены различными химическими соединениями и находиться на различной глубине. Верхние слои облачного покрова имеют температуру до 130 К. Атмосфера простирается вглубь на 1000 км. Предполагается, что плотность газообразного водорода постепенно увеличивается от верхних слоев к центру, непрерывно переходя в жидкое состояние. На Юпитере хорошо развиты магнитогидродинамические процессы. Одной из причин является увлечение во врашение достаточно ионизованной атмосферой Юпитера его магнитосферы (благодаря частичной или полной «вмороженности» юпитерианского магнитного поля в среду).
Это обстоятельство ведет к возникновению разного рода динамо-механизмов генерации интенсивных электрических полей. Последние создают сложную систему токов и ускорения заряженных частиц. В магнитном поле планеты движение, в частности, ускоренных электронов рождает синхротронное радиоизлучение. Могцные его всплески порою сравниваются с мошностью радиоизлучения Солнца. Что касается магнитосферы Юпитера, то ее строение во многом подобно магнитосфере Земли.
Размеры же юпитерианской магнитосферы грандиозны ( 10 млн км). Геофизика и солнечно-земные связи К $20.4. Торнадо: его топология, физика и псгродииамика До 1970 г. торнадо было во многом загадкой для метеорологов. С появлением в руках исследователей таких инструментов, как доплеровский радар, природа торнадо стала заметно проясняться. Направленная параболическая антенна радара излучает радиоволны в сантиметровом диапазоне, и зондирует, например, грозовое облако, которое формирует мошный вихрь — торнадо. Скорость воздушных потоков в облаке определяется по изменению частоты принятого отраженного радиосигнала (доллер-эффект).
Геофозоно и солнечно-земные связо г!! В чем трудности этого метода при изучении динамики самого торнадо? Дело в том, что диаметр воронки вихря, как правило, не превышает несколько сотен метров. Такие масштабы оказываются малыми для уверенной регистрации с помошью радиоволн распределения скоростей воздушных потоков в вихре. Применение световых пучков (киносъемка), при сохранении самого принципа зондирования, позволило разобраться во многих особенностях воздушного потока в воронке торнадо.
Разумеется, лабораторное и компьютерное моделирование явления торнадо вносят свой вклад в его исследование. Каковы условия возникновения торнадо? Это: 1) крайне неустойчивое распределение температуры и влажности в атмосфере, 2) наличие резких холодных фронтов, которые способствуют подъему теплого приземного воздуха (конвекция), 3) существование струйных высотных течений, рождающих вертикальную «тягу» для приземных масс воздуха. Указанные условия активно реализуются при встрече континентального полярного воздуха (холодного и сухого) с морским тропическим воздухом (теплым и влажным). На нашей планете наибольшая частота возникновения торнадо, по-видимому, достигается в центральной части США в весенний период.
В это время со стороны Канады надвигается воздушный полярный фронт, а со стороны Мексиканского залива идут мошные потоки тропического влажного воздуха. Температурный контраст при столкновении воздушных масс максимален в апреле месяце. Кстати, на полуострове флорида, где на мысе Канаверал расположен космодром им. Дж. Кеннеди, частота «обитания» торнадо очень высока, что иногда срывает намечаемые старты космических кораблей типа «Шаттл». Как формируется само торнало? На высотах 10 + 12 км струйное течение, шириной примерно 100 км и толшиной 1 км, имеет скорость потока — от 80 до 300 км/ч.
Структура струйного течения напоминает движение «сгустко⻠— областей„длиной в сотни километров, имеющих особенно большие скорости. Передний фронт этих сгустков оттесняет встречный воздух вниз, тыльная часть сгустков — наоборот, вызывает «подсос» воздуха снизу. Такая локальная циркуляция способствует возникновению грозового облака. Кучево-дождевые облака (об их природе см. Э 10.4) достигают в поперечнике 10 —: 20 км и до 17 км в высоту. Сушествуюшее в них интенсивное конвективное движение запасает в себе огромную энергию. Возвратимся к скоростным «сгусткам» струйных течений.
Из-за большой разницы в касательных составляюших скоростей на границе сгусток — окружаюшая среда, возникает тангенциальная неустойчивость потока. Последняя, как известно, ведет к возникновению вихрей, в данном случае, к формированию почти горизонтально расположенного вихревого вала. Однако отвесно поднимающиеся потоки приземного воздуха (возникшие, как отмечалось, благодаря созданной струйными течениями «тяге» вЂ” эффект Бернулли), этот вихревой вал «установят» вертикально. Этому будут способствовать и конвективные движения в грозовом облаке. Таким образом, «вихревой столб» возникает в верхней атмосфере.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
