Б.И. Извеков, Н.Е. Кочин - Динамическая метеорология (часть 1) (1115249), страница 30

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 30)

Вторая схема Ма ргулеса соответствует случаю когда в каждой вертикальной колонне равновесие устойчивое~ но существует асимметрия в горизонтальных плоскостях. Холодные массы лежат бок о бок с теплыми, вследствие чего происходит образование барических градиентов и перемещение масс, связанное с изменением потенциальной энергии системы. Эти два случая неустойчивого равновесия представляют собой только простейшие типы явлений такого рода. В действительности в атмосфере повидимому может иметь место одновременно то н другое условие, благодаря чему процесс обмена энергии внутри воздушных масс становится очень сложным. Пусть, например, (рис. 11) пространство под поршнем вертикальной 'перегородкой разделено на 2 части.

В левой половине воздух поддерживается при более низкой температуре, чем в правой. Внешнее давление сверху одинаковое для обоих. Тогда очевидно в нижней части'первой камеры давление будет больше, чем'в нижней части второй. Предположим, что сначала воздух находится в состоянии безразличного равновесии в каждой камере, а потом перегородка быстро убирается. Тогда начнется перетекание, и холодный воздух займет пространство внизу камеры, а теплый воздух поднимется наверх, причем холодный воздух сожмется, а теплый расширится.

Если давление в верхней части камеры увеличится, то поршень„ который мы должны представить себе наверху, должен прицодняться. Когда поршень поднимается, то воздух, находящийся в камере, производит работу поднятия, если же поршень опускается, то работа совершается внешней атмосферой. ТСОЛЫЙ >и>>> охами Рис. !! При подсчете общего количества развившейся кинетической энергии это обстоятельство также должно быть принято во внимание, но для простейших приблизительных подсчетов можно считать, что поршень остается неподвижным.

Производя самый подсчет получающейся вследствие перераспределения масс кинетической энергии, М а р г у л е с показал что если, например, принять начальную разность температур, в 10' в каждом горизонтальном уровне, то получаются такие результаты: л =2000 3000 6000 я 1~= 13 16 23 я!сея где >> ссть высота перегородкч, а Р развивающаяся скорость. Конечно, условия, которые действительно имеют место в атмосфере, гораздо сложнее.

Если вначале процесса можно еще в идеа-, "-": лизированной схеме допустить возможность существования поверхности раздела подобной вертикальной стенке, то уже 'никак нельзя сказать, что поверййость раздела может быть удалена сразу. На самом деле, если -"':.' возникает разность в распределении давления в горизонтальном слое, то воздух приходит в движение постепенно, и поверхность раздела, как это показал сам Маргулес, под влиянием отклоняющей силы вращения земли, должна принять наклонное положение.

Так как благодаря внутреннему трению и турбулентности процесс перераспределения масс всегда сопровождается диссипацией энергии, часть потенциальной энергии переходит прямо в теплоту. В общем процесс, соответствующий схеме, рис. 12, надо представлять таким образом. Когда вертикальная перегородка удалена, то вслед-,:.':;::";-";, ствие наличия горизонтального градиента давления холодный воздух;.'::;::!.: начинает двигаться по направлению к камере 11, где он вначале сжи-:'::.'."~ мает теплый воздух до тех пор, пока давление не примет одно и то же:.,',:;::::;,.", значение яо всем горизонтальном слое.

В продол>кении этой стадии про'";;"."Э цесса возникает небольшое количество кинетической энергии, которое'-"„,:!4 и обнаруживается в этих горизонтальных перемещениях. Когда давление' й~ в каждом горизонтальном уровне выравнивается, то граничная поверхность:,:::,э! будет проходить примерно по линии АВ как показано на рис. 12. Так как воздух в камере 2 адиабатически сжимается, то температура его ноз;::."=':;! ''йь — 129— растает.

М а р г у л е с полагает, что вначале воздух находился в состоянии безразличного равновесия, и так как в камере 2 сжатие, а следовательно и повышение температуры возрастает сверху вниз, то равновесие по вертикали становится неустойчивым. Наоборот, воздух в камере 1 охлаждается и при этом тем больше, чем ниже уровень в камере.

Поэтому положение в этой камере становится более устойчивым. В дальнейшем очевидно может развиться замкнутая циркуляция. Воздух в камере 2, находящийся в неустойчивом равновесии начнет подниматься вверх н на его место снизу начнут притекать массы холодного воздуха. Отсюда становится понятным, что только часть потенциальной энергии преобразуется прямо в кинетическую энергию горизонтальных движений. Значительная (может быть большая) часть запасов потенциальной энергии идет на поддержание циркуляции, т. е.

тратится на работу расширения и местные изменения давления в вертикальной колонне воздуха, переходит потом в кинетическую энергию вертикальных движений и, наконец, просто диссипируется в силу турбулентности и внутреннего трении. А холодный ! В Рис. 12 В работах Ма ргулеса была впервые сделана попытка выяснить вопрос о взаимном преобразовании различных форм энергии в атмосфере. Особенное внимание М а р г у л е с обратил на вопрос изменения вертикального напластования масс различной потенциальной температуры, причем эти изменения ведут к освобождению больших количеств потенциальной энергии и преобразованию ее в другие виды. Он хорошо выяснил понятия о различных формах энергии и устранил путаницу, которая господствовала в этом вопросе до него.

Старые взгляды на вопрос о происхождении воздушных течений, взгляды, которые нередко повторяются и сейчас, сводятся к тому, что источнйком кинетической энергии мощных воздушных течений в атмосфере является поле распределении давления. В горизонтальных градиентах давления как в натянутых упругих пружинах заключаются запасы потенциальной энергии,':способные приводить в движение большие воздушные массы с большими скоростями. Выравнивание горизонтальных градиентов, сопровождающее перемещение больших воздушных масс, согласно старым воззрениям, вполне должно было об'яснить и качественно и количественно всю энергию атмосферных движений замкнутой системы, например, циклона.

Однако, такие взгляды по существу были ошибочны. Увеличение давления в данной массе газа может происходить без возрастания температуры. Оно появляется в результате сжатия, и давлению, как таковому, нельзя приписывать потенциальную энергию. Одно из основных свойств идеального газа состоит в том„что энергия содержащаяся в определенной массе газа является функцией только его температуры, и если температура остается неизменной, то энергия не будет изменяться при изменениях давления. Маргулес показал, что та работа, которая получается при перемещении воздушных масс под действием градиентов давления, получается за счет запасов потенциальной энергии внешних частей атмосферы.

Горизонтальные смещения сопровождаются всегда опусканием и поднятием воздушных масс в каких нибудь других частях атмосферы. В конечном счете кинетическая энергия движущихся масс получается из потенциальной энергии положения и от внешнего притока тепла, благодаря которому повышается температура воздушной массы, т. е. увеличивается ее внутренняя энергия, которая потом уже переходит в энергию движения. Поле давления имеет здесь только посредствующее значение: через посредство возникающих в нем градиентов давления совершается горизонтальный перенос масс, Самые градиенты являются выражением разницы в потенциальной энергии соседних вертикальных столбов воздуха.

М а р г у л е с произвел подробные подсчеты для сравнения энергии горизонтального распределения давления, заключающейся в областях, занятых большимн циклонами, с той кинетической энергией, которая соответствует ймеющимся градиентам давления. Он рассматривал идеализированную модель циклона, строя ее по возможности близко к реальным условиям. Он нашел, что эта энергия горизонтального распределения давления оказывается далеко недостаточной для того, чтобы об'яснить всю кинетическую энергию, развивающуюся в циклоне. Таким путем может быть об'яснено только около б'~, общего запаса кинетической энергии.

Самые схемы М а р г у л е с а, о которых мы упоминали, конечно представляются весьма условными. Они никоим образом не могут служить для об'яснения действительных процессов, сопровождающих возникновение и развитие циклона. Маргулес рассматривает воздушные массы, ограниченные твердыми стенками, и внезапное мгновенное перемещение масс.

Характеристики

Список файлов книги