Тарасов Л.В. - Ветры и грозы в атмосфере Земли (1109048), страница 20
Текст из файла (страница 20)
е. имеет центростремительное ускорение а = оз/г. 1 Это ускорение обусловлено силой г", па- рис. 1.50 правленной к оси вращения и равной по модулю (р, — р у1, где р, — давление атмосферного воздуха вне смерча, р — давление внутри смерча. Согласно второму закону Ньютона, Г = та и, значит, оз (Р— рг)о одР— г Таким образом, (р,— р)г Р= (!.16) 110 Глава 1 Циркуляция ваздумиых масс в атмосфере Полагая р, — р, = 0,2 Ч 10' Па, с( = 3 м, г = 20 м, и = ! 50 м/с, находим из (1.16), что плотность воздушно-водяной стенки смерча равна в рассматриваемом случае 6 кг/м'.
Ранее отмечалось, что смерч недолговечен. Когда истощается его энергия, возникает перетяжка (смыкание стенок смерча) в каком-нибудь месте хобота. Часть смерча, оказавшаяся ниже перетяжки, просто падает на поверхность земли. Часть смерча над перетяжкой втягивается обратно в материнское облако. К вопросу о зарождении смерча Ч итател ь. Мне вполне понятно, как развивается смерч и что он представляет собой; однако я не понимаю, как он зарождается.
Или точнее говоря, почему он зарождается. В качестве первопричины указывалось вращение нижней части материнского облака. Но почему это облако начинает вращаться вокруг вертикальной оси? Если вращение земного шара не играет роли в данном случае, то каков тот физический механизм, который заставляет облако вращаться? Автор.
Надо признать, что исчерпывающее объяснение физики зарождения смерчей пока отсутствует. Современная наука довольно глубоко проникла в тайны смерча. Однако постижению физики смерчей мешают, во-первых, невозможность проводить измерения различных физических величин непосредственно внутри смерча и, во-вторых, тот факт, что движение воздушных масс в смерче существенно турбулентное и потому с трудом поддается аналитическому рассмотрению. Ч итател ь. Но, наверное, существуют соображения, почему в том или ином месте атмосферы зарождается во время грозы смерч? Автор.
Разумеется существуют. Однако такое атмосферное явление, как смерч, оказалось весьма сложным. Мы просто не в состоянии рассмотреть здесь многие его стороны. Ч и т а тел ь. Ранее было сказано, что аллея торнадо в США обязана своим возникновением столкновению теплых влажных воздушных масс, движущихся летом со стороны Мексиканского залива, с прохладными воздушными массами, которые распространяются от Скалистых и Аппалачских гор. 1 7.
Смерчи (тромбы, торнадо) 111 Автор. В соответствии с газодинамическими моделями смерча его возникновение связано с неустойчивостью атмосферы в области холодного фронта (когда холодная воздушная масса полдвигается под теплую воздушную массу и приподнимает последнюю). В области фронта образуются мощные турбулентные вихри разного масштаба и разной ориентации. Благодаря трению между восходящими и нисходящими потоками воздуха, обладающими разной плотностью, может возникнуть из хаоса турбулентных вихрей в материнском облаке циркуляция воздуха вокруг вертикальной оси.
Читатель. Но может и не возникнуть? Авто р. Конечно. Далеко не всякое грозовое облако порождает смерч. Следует рассматривать возникновение смерча как случайный процесс — когда упорядоченная воздушная циркуляция случайно ромсдается из хаоса турбулентных вихрей. Ч и та тел ь. Порддок рождается из хаоса? Похоже на чудо. Автор. Это отнюдь не чудотворный, а естественный процесс. Его называют самоорганизацией систем.
Из хаоса органических молекул случайно сформировались на Земле первые живые организмы. Вся биологическая эволюция происходила благодаря естественному отбору случайно возникших вариантов. Обобщая, можно сказать, что информация ромсдается из шума. Шум — это хаос на языке теории информации. Однако мы отвлеклись от вопросов, связанных с физикой смерча. Возвращаясь к моделированию смерча, хочу заметить, что чисто газодинамические модели заведомо неполноценны, поскольку не принимают во внимание электрические силы, действующие в грозовых облаках. Ч и та тел ь.
Недаром внутри смерчей часто сверкают молнии! Авто р. Да, об этом нельзя забывать. Надо учитывать, что частицы воздуха в грозовом облаке несут электрические заряды, а в самом облаке возникает достаточно мощное электрическое поле. Не входя в детали, заметим, что движение заряженных частиц в турбулентных вихрях должно генерировать переменные магнитные поля, которые, согласно закону электромагнитной индукции, порождают вихревые электрические поля. Понятно, что последовательная теория смерча должна учитывать не только механические и тепловые 112 Глава 1 Циркуляция воздушных масс в атмосфере явления, но также явления электромагнитные.
Уместно заметить, что в годы активного Солнца, когда магнитосфера Земли испытывает сильные возмущения, количество торнадо в США возрастает до 1300, тогда как в обычные годы наблюдается в среднем 800 торнадо в год. Ч итател ь. Влияние электрических сил на формирование воронки смерча уже отмечалось ранее. А в т о р. Необходимо иметь в виду, что смерч возникает и формируется под действием различных сил — гравитационных„центробезкных, электрических, сил внутреннего трения, и сил, обусловленных перепадом давления. Без учета всех этих сил невозможно создать достаточно полную теорию смерчей, которая объяснила бы их зарождение.
Понятно, что такая теория должна быть вероятностной, как и всякая теория, рассматривающая самоорганизуюшиеся системы. Ч и т а тел ь. Как я вижу, многие вопросы физики смерчей остались у нас, как говорится, за кадром. А втор. Рассмотрение их даже в самых общих чертах выходит за рамки данной книги. Вертикальные вихри По своему виду нередко наблюдаемые вертикальные вихри напоминают смерчи, поэтому их иногда объединяют в одну общую группу со смерчами. Но они принципиально отличны ог последних.
Смерч — часть грозового облака, он связан с грозовым облаком. Вертикальный вихрь возникает в сильно нагретом у земли воздухе и не имеет никакого отношения к облакам. Он может возникнуть при совершенно безоблачной погоде. Смерч — зто двойной вихрь (восходящий во внутренней области и нисходящий в стенке). Что же касается вертикального вихря, то у него стенка вообще отсутствует; вертикальный вихрь представляет собой восходящий по спирали вертикально вверх воздушный поток, возникший над сильно нагретым участком земной поверхности вследствие достаточно сильной конвекции. Обратим внимание на то, что нагретый воздух поднимается вверх не по прямой линии, а по винтовой, т. е.
закручиваясь. Закручивание вызывают горизонтальные воздушные потоки, устремляющиеся к ).7. Смерчи (тромбы, торнадо) 113 зоне депрессии, которая образуется в результате конвекции. Кроме того, могут присутствовать в качестве дополнительного фактора горизонтальные ветры, дующие вблизи зоны депрессии. Внутреннее трение между горизонтальными воздушными потоками и восходящим конвективным потоком как раз и приводит к закручиванию этого потока. Скорости горизонтальных потоков с одной и противоположной стороны зоны депрессии всегда несколько различаются и могут обусловливать закручивание конвективного потока как в одном, так и другом направлении.
Вертикальные вихри гораздо меньше и слабее смерчей (диаметр вихря не превышает нескольких метров, высота нескольких десятков метров, скорость вращения в вихре 10 — 20 м/с). Но они довольно разнообразны. Широко распространены, особенно в жарких пустынях, пылевые вихри. В теплый день можно наблюдать сразу несколько вихрей, похожих на мачты, которые могут быстро перемещаться вдоль земной поверхности. Подожгите большую кучу сухой соломы — и вы будете наблюдать огненно-дымовой вихрь. Над водой могут возникать наполненные водяной пылью и брызгами водяные вихри. Встречаются и состоящие из чистого воздуха и поэтому невидимые (но хорошо ощущаемые) воздушные вихри.
Г Л А В А ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ 2 В АТМОСФЕРЕ 2.1. ОКСИД ВОДОРОДА В ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ Общие завяечания О химическом составе атмосферного воздуха справочники сообщают следующую информацию: в любом произвольно выбранном обьеме сухого воздуха содержится 78,08 % азота 1ч',, 20,95 % кислорода 0„0,93% аргона Аг; оставшиеся 0,04% приходятся на ряд других газов, из которых наибольшую концентрацию (в среднем 0,03 %) имеет диоксид углерода СОг Однако в действительности атмосферный воздух не является сухим, а содержит значительное количество вещества, имеющего химическую формулу НзО, которое химики называют оксидом водорода.
По имеющимся оценкам, общая масса оксида водорода в земной атмосфере постоянна и составляет 1,4 10м кг, т. е. 0,27 % обшей массы атмосферы (напомним, что общая масса атмосферы равна 5,2. 1Ом кг). Оксид водорода присутствует в атмосфере частично в трех агрегатных состояниях — газообразном (в виде воднного нара), жидком (в виде воды), твердом (в виде льда и снега).
Туманы и облака — это огромные скопления мелких водяных капель и ледяных кристаллов. Заметим, что термин «оксид водорода», как правило, на практике не применяется. Обычно предпочитают говорить о «воде» вЂ” газообразной воде (водяном паре), жидкой воде (собственно воде), твердой воде (льде или снеге). Таким образом, три состояния вещества, молекулы которых состоят из двух атомов водорода и одного атома кислорода, рассматривают как три состояния воды. Если придерживаться такой терминологии, то следовало бы говорить, что, например, бассейн наполнен не водой, а водой в жидком состоянии (или жидкой водой), а о «круговороте воды в природе» говорить как о 2.1 Окснд водорода в земной атмосфере 115 «замкнутом цикле с перемещениями в пространстве и переходами воды из одного состояния в другие».
Мы предпочитаем рассматривать воду как одно из трех состояний вещества с молекулами Н О, т. е. как одно из трех состояний оксида водорода. При этом вместо понятия «круговорот воды в природе» будем использовать понятие «круговорот оксида водорода в природе», Итак, в атмосфере Земли постоянно присутствуют примерно 1,4 10'ь кг (более десяти триллионов тонн!) оксида водорода. Часто говорят: над поверхностью Земли находятся более десяти триллионов тонн воды. Следует, однако, иметь в виду, что только часть этих десяти триллионов находится в виде водяных капель, тогда как другая часть присутствует в виде ледяных кристаллов или водяного пара Десять триллионов тонн воды (правильнее сказать, оксида водорода) в атмосфере! Много это или мало? По сравнению с массой всего Мирового океана зги десять триллионов тонн, конечно, очень малы.
Они составляют лишь стотысячную долю. Впрочем, масса этой стотысячной доли всего в два раза меньше массы воды в Байкале. Или в Балтийском море. Или во всех пяти Великих североамериканских озерах. Масса оксида водорода в атмосфере в два раза больше массы воды, которая ежегодно изливается в океан самой полноводной рекой Земли Амазонкой. Она в 20 раз больше годового стока Лены и в 60 раз больше годового стока Волги. Не имеет смысла пытаться оценить, какая масса атмосферного оксида водорода находится в том или ином состоянии, поскольку в атмосфере все время совершаются нроцессы нерехода оксида водорода из одного состояния в другое. Агрегатные состояния вещества и фазовые переходы между ними На время отвлечемся от оксида водорода и обратим внимание на то, что почти все вещества в зависимости от температуры и давления могут находиться в трех агрегатных состояниях — газообразном, жидком и твердом. Вещество может переходить из одного агрегатного состояния в другое.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
