Р. Скорер - Аэрогидродинамика окружающей среды (1115254), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В книге имеются ссылки на многие их работы, а для меня их сотрудничество всегда было источником вдохновения. Я также должен подчеркнуть, что работам профессоров Ф. Ладлэма, С. Ий и Р. Лонга эта книга обязана в большей мере, чем об этом можно было бы заключить по приведенным ссылкам. Р. С. Скорер Имвиривл колледж, поилок, февраль Г977 и. ВВЕДЕНИЕ Часто совершенно случайные события помогают открыть новую область исследований. Канонада Великого сражения во Фландрии могла быть сльппна в Британии вне «мертвой зоны», а падение Тунгусского метеорита в 1908 году произошло именно тогда, когда стали применяться первые чувствительные барографы, и вот результат: оба эти события вызвали долговременный интерес к изучению нагретых слоев в стратосфере. Полстолетия спустя развитие фотохимив, стимулированное нсследованяями лос-апджелесского смога, способствовало ускорению первых ша~ов в изучении состава стратосферы и, в частности, озона, связанного с образованием высоких нагретых слоев.
Недавно большой интерес вызвали весьма простые модели, описывающие возможное воздействие человеческой деятельности па количество озона в атмосфере, и многие умозрительные предсказания пагубных последствий антропогенного воздействия способствовалп проведению интенсивных программ измерений малых химических составляющих атмосферы. Первые же сообщения о результатах таких измерений выявили тот факт, что распределения всех составляющих, содержание которых подвержено большим вариациям, зависят от таких локальных свойств движения воздушных масс, о которых имеется лишь очень скудная информация, особенно для стратосферы.
В люоой другой период более трезвого подхода к проблемам окружающей среды подобные события не привлекли бы к себе столь пристального внимания обществснпости, и наука могла бы спокойно развиваться в атмосфере более обоснованных гипотез. Исследования поведения стай саранчи навели на мысль, что и у многих других насекомых и птиц имеются интересные особенности поведения в полете, составляющие важную часть механизма выживания этих видов. Многие явления в области аэродинамики окружающей среды были обнаружены плансристамн. В это же время развитие радиолокационной техники позволило обнаружить и исследовать такие невидимые явления, как крупные волновые процессы в атмосфере и термики, 12 ввадвнив что в свою очередь способствовало появлению на летательных аппаратах радаров, использующих эффект Доплера, и ЭВМ, позволяющих определять непосредственно в полете траектории воздушных масс и даже небольшие ветровые порывы.
Сейчас уже известна связь между этими явлениями и зонами концентрации многих видов летающих насекомых и птиц, которые также определяются с помощью радаров. Таким образом, изучение полей плотности в атмосфере в значительной степени связано с энтомологическими исследованиями, а изучение морских бризов пролило новый свет на исследования образа жизни некоторых видов насекомых.
Практически никогда нельзя заранее сказать, к какому результату приведут те или иные исследования. Мы живем в весьма динамичную эпоху. Известны прогнозы, согласно которым природа трагически обречена, и многие аспекты человеческой деятельности оказываются неприемлемыми ввиду суровых ограничений, налагаемых на них простыми прогностическими моделями, особенно когда они применяются для описания бесконечно сложной внешней среды. Этого и следует ожидать, поскольку упрощенные модели позволяют получать теоретические результаты только для искусственно выделенных фундаментальных механизмов. В настоящее время нередки также попытки оценки вероятности разрушительных последствий человеческой деятельности в эпоху истощенных почв, загрязненных вод и грандиозных смогов в городах.
Современная эпоха может рассматриваться, с одной стороны, как период быстрого экономического развития и роста благосостояния, а с другой — как цепь самоубийственных, акций, явившихся следствием необузданной алчности людей. Определенно нам следует много сделать для того, чтобы исправить допущенные отклонения, и в то же время сохранить те возможности, которые дает нам материальный прогресс. Стратосфера в настоящее время является благодатным объектом для различных догадок и предположений, так как наши знания достаточны для того, чтобы выдвигать правдоподобные фантазии, и одновременно слишком скудны, чтобы разработать всеобъемлющую и обоснованную теорию.
С тропосферой дело обстоит иначе, поскольку мы хорошо представляем себе ее быстротекущие процессы кругооборота и мощные восстановительные механизмы. Тем не менее еще в Х1Х столетии многие формы облаков были «объяснены» совершенно фантастическим образом на основе популярных тогда выводов из электростатики, а немногим более десятилетия назад один известный физик уверенно заявил, что водородная бомба должна влиять на погоду, и публика, как всегда, была готова поверить, что именно человеческая деятельность является при- вваданнг. чпной того, что она была склонна рассматривать как климатические аномалии. Только после того, как численные расчеты на ЗВМ подтвердили, что капельные облака имеют сильную тенденцию к коагуляции с переходом к образовапшо мороси или дождя, многие специалисты по физике облаков позволили себе поверить в то, что рядовые метеорологи уже давно знали.
В течение нескольких десятилетий с земли и с самолетов опи многократно наблюдали, что дождь может выпадать пз облака, у которого нет нп одной части, имеющей температуру нпжс точки замерзания. Типичным для нашего времени является недавно сделанное предположение о том, что лос-анджелосский смог может, а следовательно, и должен быть устранен распылением различных примесей в воздухе. Однако лппп знание гидродпнамнческнх условий, необходимых для протекания тако~о процесса, возможно, умерит пыл сторонников этой идеи, доказав невозможность ес реализации.
Универсальные рецепты «изготовителей дож,чя», «защитников от града» н других деятелей подобного толка, которые пытаются извлечь ренту нз нау ~ных реальностей, всегда впечатляют членов законодательных органов, плановиков и хозяйственников. Однако контракты н даже субсидии па научные работы не должны зависеть как от выдвижения фантастических проектов, так и от отсутствия определенных доказательств того, что сложная природа легко готова подчиниться человеческой прихоти. Частные факты, вообще говоря, ничего не доказывают, но прн соответствующем отборе статистические данные выглядят весьма впечатляюще. Убеждение в том, что буйство ураганов может быть умсрено засевом облаков соответствующими реактивами, было в основпои таким жс заблуждением, как и недавняя вера в то, что если распылить достаточное количество йодистого серебра в атмосфере, то, возможно, дожди разом прекратятся навсегда н повсюду.
Псевдонаучные проекты, связанные с распылением сажи над арктическими льдами плн тропическими морямп и покрытием песков Сахары ячейками фотоэлементов, чтобы разрешить мировой энергетический кризис, не учитывают того факта, что плоды таких грандиозных усилий могут быть сведены на нет снежной нли песчаной бурей либо штормом.
В пастоящес время период экстравагантных проектов и веры во всемогущество техники, по-видимому, проходит. Тем не менее за последнее время мы получплп много новых сведений об окружающем нас мпрс, п среди прочего то, что этот мнр принадлежит пе только нам. Можно, конечно, восхищаться выдающимися достижениями спектроскопистов и инженеров, ВВЕДЕНИЕ которые снабдили нас прекрасными снимками Земли, полученными с помощью спутников и содержащими несметное количество детальной информации.
Все же банальные грезы об универсальном благополучии увядают, и человечество скоро начнет уделять большее внимание тому, как жить в тесном согласии с природой. Можно надеяться, что будет предпринято больше попыток проникнуть в суть вещей, как это всегда делали настоящие ученые, вместо того, чтобы скользить по поверхности явлений, поскольку эпоха научно-технического и экономического прогресса заставляет задуматься о месте людей в окружающем их мире. Исследования движений воздушных масс, описанные в этой книге, касаются важного динамического фона жизни на Земле. Прн этом нельзя забывать, что состав атмосферы практически целиком определяется биологическими процессами в биосфере, от которой человечество составляет лишь малую часть, и жизнь многих видов животных и растений целиком зависит от движений воздуха. Часть 1 Об!цая теория, завихренность и волны Глава 1 ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ 1.1.
Безвихревое движение и реальные жидкости В классической теории безвихревого движения несжимаемой жидкости существует несколько теорем, которые играют большую роль при изучении реальных жидкостей. Эти теоремы прекрасно изложены во многих учебниках, н здесь мы затронем нх только вкратце и в менее ортодоксальной манере. Предполагается, что в невязкой жидкости - действующими силами являются только массовые, такие, как сила тяжести, и давление жидкости, которое действует по нормали к любой поверхности. Вязкость же вызывает возникновение сил, которые действуют вдоль поверхности. Для вычисления силы, обусловленной давлением, мы рассмотрим результирующую силу, действующую на массу жидкости, ограниченную поверхностью 5. Для этой поверхности вводится элементарный вектор ИЗ, по модулю равный площади элемента поверхности д5, перпендикулярный к этому элементу и направленный вовне.
Если !— , единичный вектор в заданном направлении, то составляющая силы в этом направлении, действующая на жидкость, ограниченную поверхностью 5, и обусловленная давлением на элемент этой поверхности, равна ( — р! НЯ), где р — давление жидкости. Суммарная сила, действующая на поверхность в этом направлении, будет, следовательно, равна — ) 1 рЮ=- — ~ б1ч(1р) сЬ= — 1. ~ пгаб рот, (1.1,1) где Жт — элемент объема, а интегралы берутся либо на полной поверхности, либо по ограниченному этой поверхностью объему. Здесь мы использовали теорему Гаусса — Остроградского, а именно для любого векторного поля А ~ д!чАнт равен ГЛАВА 1 16 — ~ р!!3= — ~ пгаб р!(ъ (1,1,2) вов Отсюда видно, что сила, действующая в точке на единичный объем, равна — птах р.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
