Б.И. Извеков, Н.Е. Кочин - Динамическая метеорология (часть 1) (1115249), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Образование, развитие и разрушение так называемых фронтон в циклонах связано с уничтожением системы соленоидов н происходящим при этом преобразовании потенциальной энергии соленоидов в кинетическую энергию ветров. (см. гл. Х(!!). Происходящий при этом обмен энергии можно учесть с помощью теоремы циркуляции и теоремы работы. В следующих главах нашей книги будет подробно выяснено, при каких условиях две разнородные массы находятся в равновесии одна относительно другой, образуя при этом наклонную поверхность разрыва и систему изобаро-изостерических соленоидов, которая поддерживается в равновесии благодаря отклоняющей силе вращения земли.
Но когда на такой поверхности разрыва распространяются возмущения характера волн, то возникает на фронте или поверхности разрыва с одной стороны скольжение вверх теплого воздуха относительно холодного (на поверхности так называемого теплого фронта и в нижней части поверхности холодного фронта) и скольжение вниз теплого воздуха относительно холодного (в верхней части поверхности холодного фронта). Во время процесса окклюзии соленоидальное поле постепенно уничтожается, и сначала происходит переход потенциальной энергии в кинетическую энергию, а затем постепенно наступает смерть циклона и потеря кинетической энергии путем трения и диссипацин. Для того, чтобы получить некоторый приблизительный количественный результат, характеризующий превращения энергии в циклонах, вообразим себе термодинамнческую машину, состоящую из замкнутой трубки, одно колено которой с восходящими воздушными массами 'расположено в теплой стороне поверхности фронта, а другая часть с нисходящими массами лежит в холодной стороне фронта.
Пусть вертикальные размеры трубки будут около 8 кя. Далее пусть в нижней горизонтальной части трубки т. е. вблизи земной поверхности произошло уже перемещение холодных и теплых массс, т. е. поверхность разрыва нарушена и воздух там протекает без резких изменений состояния. Если в такой трубке получится нарушение равновесия и разовьется замкнутый ток, то в восходящей части будет происходить адиабатическое охлаждение, а в )нисходящей части †адиабатическ нагревание. Это будет иметь следствием постепенное уничтожение системы соленоидов и такое полное уничтожение наступает уже после того, как будет пройден не весь цикл, а некоторая часть его.
Собственно говоря, выравнивание температур будет происходить не одновременно иа всех уровнях. В течение некЬторого времени первоначальное ноле соленоидов будет перестроено, так что в одних местах получится поле положительного, а в других местах в поле отрицательного знака. Если предположить, что движение жидкости будет все же происходить в тех же трубках, то циркуляция будет увеличиваться до тех пор пока число положительных соленоидов не сравняется с числом отрицауельных соленоидов. К этому моменту кинетическая энергия достигает максимума. В действительности, в атмосфере, где не существует трубок с твердыми стенками, вертикальная циркуляция прекратится раньше на тех уровнях, где раньше произойдет выравнивание температур. Таким образом единый замкнутый ток разбивается на несколько токов, и кинетическая энергия, порождаемая вертикальной циркуляцией, будет неравномерно распределена на разных уровнях.
Равным образом, прн отсутствии вертикальных стенок в атмосфере, отклоняющая сила вращения земли сообщит воздушным массам горизонтальные скорости. Однако работа отклоняющей силы вращения земли всегда равна нулю, так что последнее обстоятельство можно не учитывать в.дальнейшем вычислении кинетической энергии. Ради простоты примем, что температура в части трубки с восходящим течением распределяется по влажной адиабате. Таким образом влажный воздух в состоянии насыщения поднимаясь снизу вверх не изменяет распределения температуры в трубке.
Необходимо, при этом, чтобы температура и влажность воздуха, притекающего снизу из трубки с нисходящим потоком оставались бы постоянными. Для того, чтобы это имело место в отношении температуры достаточно предположить, что в нижней части трубки нисходящего тока будет сухой адиабатический вертикальный температурный градиент. Для сохранения постоянной Влажности необходимо предположить, что в нижней части цикла происходит непрерывное увлажнение спускающегося сухого воздуха до состояния 'насыщения. о' я Н1' - аат " та" Рис. 14 Пример вычисления кинетической энергии при эамкнуто м круговом цикле. Сплошные линни — начальное температурное распределение в обоих коленах трубки тока.
Штриховые линии — температурное распределение в полене нисходящего Движения после О,х25 полного обхода. Пунктирные линии в температурное распределение в обоих коленах после 0,117 полного обхода беэ конденсапия. В верхней части кривой нисходящего цикла должен образоваться Г' . градиент меньший адиабатического, и спускающиеся по сухой адиабате массы должны поэтому производить там местное нагревание.
На прилагаемом чертеже изображен такой замкнутый цикл. Кривая изменения состояния охватывает 1816 соленоидов, Прн полном цикле находящиеся внизу воздушные частицы поднимаются на высоту, соответствующую изменению давления на 60 сбр. и потом снова опускаются к уровню прежнего давления. Следовательно, например, одной десятой цикла отвечает поднятие на 12 гор.> ибо прн этом через каждое поперечное сечение трубки проходит 0,1 всей циркулирующей массы. Диаграмма наглядно показывает, что после опускания на 27 сбр, что соответствует 0,225 полного цикла, температурное распределение в колене с опускающимся воздухом, которое представлено штрихованной кривой будет таково, что кривая эта пересечется с кривой восходящего тока приблизительно на 70сбр. Плошади А и А', равные по величине и считающиеся с разным знаком, в сумме дадут нуль и таким образом число охваченных соленоидов также будет равно нулю.
В этот момент достигнутая средняя кинетическая энергпя на единицу массы очевидно выразится так — Уз = 0,225 — = 0>225 — = Ю4 м т~сск з Отсюда получается г'-20 м7сак, что отвечает сильному ветру, часто наблюдаемому в больших циклонах. Полученная кинетическая энергия должна быть прибавлена к ранее существовавшей кинетической энергии воздушных потоков, таким образом число 20 н/сгк.
должно быть еще увеличено. Таким образом возникновение больших циклонических бурь, сопровождаемых шкваловыми ветрами, может быть об'яснено тем, что быстро движущийся воздушный поток втягивается еще в большой замкнутый цикл в сильном соленоидальном поле. Такие сильные соленоидальные поля, где происходит сгущение большого числа соленоидов обычно связаны с полярным фоонтом. Чем больше число оказывающихся в замкнутом цикле соленоидов и чем большая доля полного процесса проходит до уничтожения соленоидов, тем больше получается в результате кинетическая энергия.
Бержерон и Свобода'] (Вегнегоп ппб 5ч>оЬода) произвели подсчет соленоидов в меридиональном сечении длй полярного фронта 10~И 1923 года. При этом ширина фронта на земной поверхности бйла около 110 кж и наклон фронта †,';,. Они рассматривалн изотермо-изэнтропические соленоиды (Т, й) в меридиональном вертикальном сечении; И означает число соленоидов, которые помещаются на вертикальной площадке 1 кж высоты и основанием в один градус широты. Направление циркуляции получается против часовой стрелки от лтпа> 9 к йпМТ если смотреть с запада (см. рис. 15). Присутствие водяного пара в рассмотренном цикле сильно повышает количество кинетической энергии.
Если мы рассмотрим прежнюю схему распределения температур, но с воздухом повсюду сухим, совершакпцим круговой процесс, то происходящее в восходящем токе сухого воздуха адиабатическое охлаждение приводит к гораздо более быстрому уничтожению соленоидов, чем в случае циркулирующего влажного воздуха. 0 Ъеюап. >>. Оеорпув. 1вм. 1е~рмя Х»епе Зепа. Вд. 1П. Н. 2. В самом деле в этом случае оказывается достаточным поднятие на И сэр в одном колене и опускание на 14 сбр в другом, т.
е. всего 0,117 полного цикла, чтобы первоначальное температурное распределение заменилось новым, при котором алгебраическая сумма всех опоясанных соленоидов равна нулю. (На рисунке новые пунктирные кривые, кривые, характеризующие температурное распределение после 0,117 полного цикла пересекаются приблизительно на 57,6 сэр, причем площади А, и А,' равны и число опоясанных соленоидов равно нулю). При этом кинетическая 1' энергия достигает своего максимума — гз = 0117 —, откуда и =14 Б я'сск. йыфюйлРнш 7-0 сОлбноиЗод вмеии0иоиальном велижаьям сеынии над 1вРопгй 10-1Я 19В~ 77 й' тО 'а Ф.' Рис.
га Таким образом в примере с влажным воздухом получается приблизительно вдвое большее количество кинетической энергии, чем в примере с сухим воздухом. На самом деле очевидно имеют местонекоторые средние условия. Во всяком случае большая сухость воздуха встречается только в сильно континентальном климате. В условиях морскогоклимата умеренной зоны только вблизи 'поверхности земли, приблизительно до зОО м высоты атмосфера остается безоблачной, т. е.
только в самых нижних частях рассматриваемой термодинамической машины можно говорить о восходящих токах сухого воздуха. Начальные вертикальные температурные градиенты также имеют большое значение и от них сильно зависит количество освобождающейся канетической энергии. Чем устойчивее будет вертикальное напластование воздушных масс тем меньшей доли полного цикла оказывается достаточной для полного уничтожения соленоидов. Таким образом фронты и связанные с ними сгущения соленоидов в стратосфере дают меньше энергии, чем фронтальные поверхности соответствующих соленоидальных полей в тропосфере. Нередки случаи, в особенности в циклонах полярного фронта, когда в тропическом влажном воздухе получается влажно неустойчивое равновесие (у„'<т< у,).
При этом могут освобождаться большие количества кинетической энергии, соответствующие большим долям круговых циклов в соленоидальном поле. Ревсдаль показал, что циклоны с влажно-неустойчивыми теплыми воздушй1ями массами могут давать быстрое увеличение кинетической энергии. Оклюдированные циклоны при благоприятных обстоятельствах могут даже возрождаться с образованием вторичных соленоидальных полей. Пусть рассматривается циркуляция по замкнутой линии тока, причем движение предполагается стационарным. Мы можем представить себе такую циркуляцию так, что происходит непрерывный приток тепла в одном месте нашей замкнутой струи и отдача тепла в другом месте.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
