Иванов Б.Н. - Мир физической гидродинамики. От проблем турбулентности до физики космоса (1107606), страница 50
Текст из файла (страница 50)
Приложение Крайне неустойчивое состояние внутри большого грозового облака возникает, например, в случае, котла тяжелый сухой воздух холодного фронта оказывается вверху, а теплый влажный воздух внизу (неустойчивость типа Рэлея — Тейлора). Такое состояние системы стимулирует возникновение процессов, сонровождающихся освобождением от избытка энергии, и нроисходит концентрация избыточной энергии огромного грозового облака в «внхревом столбе», пронизывающим само облако. Динамика «вихревого столба» формируется под влиянием двух сил— центробежной, стремяшейся создать вакуум в окрестности оси вращения, и силы внешнего давления, црепятствуюшей указанному расхождению слоев вращающегося воздуха. В результате, вихревой столб является, по существу, «вихревой трубой», Через стенки такой трубы внешние потоки воздуха проникать не могут. Сама вихревая труба имеет тенденцию уменьшать диаметр и увеличиваться но вертикали.
При этом, в силу сохранения момента количества движения, скорость вихревого движения в «трубе» возрастает. Заметим, что диаметр «вихревой трубы» составляет 2 —:6 км, высота же ее простирается от верхней границы облака (15 км) до нижней границы (около 1 км). Не мудрено, что под таким могучим вихрем возникнет (благодаря вязкости) вихревое движение и приземных слоев воздуха. Прн этом скорости в вихре достигают 100 —: 120 км/ч. Надкритический сток энергии из крайне неустойчивой системы— крупномасштабного грозового облака — в вихревую трубу, может последнюю вытянуть до самой земной поверхности — возникает собственно торнадо. Обычно у поверхности Земли поперечник вихревой воронки торнадо ° 10~ м. Внутри воронки давление понижено, и окружающий приземный воздух интенсивно втягивается в канал воронки, поднимаясь вверх.
Доплеровские измерения на инфракрасном излучении были использованы для снятия параметров с гигантского торнадо (США, шт. Оклахома, май !981 г.). Его воронка имела диаметр 1600 м, скорость ветра составила 300 км/ч. При этом радарные измерения показали, что воронка простиралась до высоты верхней границы «материнского» грозового облака (12 км). Источник: Сноу Дж.
// В мире науки. 1984. Х» 6, К 620.4. О солнечной сейсмологии и акустическом зондировании океанов и мантии Земли По каким наблюдаемым явлениям мы судим о структуре, составе и динамике солнечных недр? Непосредственно достуцен наблюдению лишь внешний слой Солнца — фотосфера (его толщина 10~ км). Зернистая структура фотосферы (грануляция) и ее постоянная изменчивость указывает на сильное турбулентное движение газа вблизи поверхности. 21З Геофизики и солнечно-земные связи Едва различимая крупномасштабная структура (супергрануляция) свндетельствуег о конвективной циркуляции вещества более глубоких слоев (их глубина 104 км).
Солнечные магнитные поля также проявляют себя на поверхности (спикулы, протуберанцы, солнечные пятна). Эти и другие видимые явления позволяют лишь косвенно судить о процессах, идущих в недрах Солнца. Новые пути в изучении недр нашей звезды открывает гелиосейсмология. Акустические (звуковые) волны, постоянно возбуждаемые внутренними процессами, «дают знать о себе» в виде колебаний солнечной поверхности. Форма и период этих колебаний позволяют составить представление о внутренней «жнзни» Солнца.
Как известно (см. з 8.1), в жидкой, газообразной и плазменной средах распространяются волны сжатия и разряжения — акустические волны. Скорость и направление их распространения зависят от температуры, химического состава и движения вещества. Акустические волны, распространяясь сквозь толщу Солнца, выходят на поверхность и заставляют ее участки подниматься и опускаться. Это проявляется в периодическом изменении частот спектральных линий солнечною излучения от этих участков (действие эффекта Доплера). Локальное сжатие и разряжение газа на поверхности (под влиянием волн) изменяет его температуру и оптическую яркость.
Сейсмическая активность на Солнце весьма слаба, и связанные с ней флуктуации частоты и яркости излучаемого света малы. Усовершенствованная аппаратура уже позволила зарегистрировать конфигурацию и периоды собственных акустических колебаний шарового солнечного «резонатора»41. Представления о Солнце как акустическом резонаторе позволило воссоздать картину внутреннего строения Солнца, независимо от каких бы то ни было теоретических моделей. Тем не менее, эта картина оказалась в хорошем соответствии с существующей «стандартной солнечной моделью».
Однако методы гелиосейсмологии выявили ряд новых данных о радиальной структуре Солнца (что особенно ценно) и о динамике солнечною вещества. В частности, была лучше понята роль взаимодействия интенсивных горизонтальных течений (в гигантских конвективньпг ячейках) с дифференциальным вращением солнечного вещества в процессе генерации магнитных полей механизмом гидромагнитного динамо (см. з 19.2). Поговорим теперь об акустических исследованиях земного океана. В отличие от гелиосейсмологии, где «акустозондирование» происходило путем самовозбуждения звуковых волн и образованием для них естественного резонатора, н изучении океана применяется прямое зондирование ею глубин сторонними источниками акустических волн.
Ч Вспомните акустические «фигуры Хладни на аибрируюгпей пластинке, покрытой тонким слоем сухого песка. Посл«дина собирается по линиям «узлов» и уходит из мест «лунностей*. 214 Проложение Метод акустической томографии, как называют его океанологи, имеет целью получить трехмерную картину океанических течений, распределения температуры и др.
При этом для зондирования используют низкочастотные звуковые (акустические) волны (с частотой (100 Гц), которые слабо затухают с расстоянием, преодолевая тысячи км. На примере подводного звукового канала в океане (см. 8 8.6) мы видели, что скорость распространения звука в морской воде зависит от ее температуры, солености, плотности и характера течения.
Посылая по разным направлениям в глубины океана акустические сигналы ог системы источник-приемник, можно получить «трехмерное изображение» течений, иными словами, восстановить значения скоростей и направлений потоков в водной среде. По акустическому отклику океана, т.е. анализу принимаемых возмущенных сигналов (фиксируется, главным образом, изменение скорости звука), составляется карта распределения температур, плотностей и др.
Для изучения временных изменений параметров состояния океана (особенно при исследовании его больших акваторий), систему приемно- передающих акустоэлектронных устройств располагают на оси подводного звукового волновода (на глубине примерно 1 км), Методы прогноза поведения Мирового океана только зарождаются.
Уже сейчас с помощью акустической томографии океана возможно получать огромный объем информации о его состоянии. Теми же методами акустической томографии пользуются геофизики и при изучении сложного слоистого строения земного шара. Источниками акустических волн в этих исследованиях являются землетрясения. в связи с чем эти волны именуют сейсмическими. В год в среднем происходит около 10 тыс. сдвигов земной коры.
Землетрясение умеренной силы порождает волны, которые фиксируются сейсмографами в любой точке Земли. С помощью широкой сети сейсмических станций анализ акустических волн в их совокупности дает возможность картировать мантию Земли в трех измерениях. Полученные карты позволяют судить о структуре конвективных потоков в мантии, приводящих в движение плиты земной коры.
Конвективная циркуляция «жидкой» мантии является причиной многих геологических процессов на Земле. Подчеркнем роль конвективных движений в процессах перемешиваиия в мантии. Сами конвективные смешения мантийных слоев происходят со скоростью около 1 см/год. Однако за времена 1Ое лет конвективное перемешивание способно сделать все вещество верхней мантии однородным по составу. Механизм такого перемешивания, по-видимому, во многом подобен рассмотренному в (э 10.5).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
