Р. Скорер - Аэрогидродинамика окружающей среды (1115254), страница 82

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

Текст из файла (страница 82)

Очевидно, что если два соседних клуба расположены на расстоянии, меньшем, чем четыре ширины следа, то между ними не сможет образоватьси еще одни, а если расстояние между клубами в — 12 раз больше ширины следа, то места оказывается достаточно для образования еще одного возмущения. Там, где существует неустойчивость, вихри противоположного направления гасят друг друга, а остающиеся вихри объединяются. Подобные вихри иногда видны в конденсацнонных следах. На рис. 11.4.7 показана эволюция следов дыма, выпускаемого с концов крыльев самолета типа «Комета» на высоте -3 км. Атмосфера была устойчиво стратифицирована. Разрушение вихрей наблюдается приблизительно через минуту, как этого можно было бы ожидать на основании подъема верхней точки торможения в сопровождающем потоке, когда часть внешнего потока вовлекается глава и Рис.

11А.6. Комленсапмамные следы самолета. Верхний снимок показывает рас. пдызающггйса саед. который «онааиетса, когда самолет девает разворот непосредственно е верхушке осанка идн иад ней. В обавкс происходит онсденсннс, н нонденсаннонный саед сто ннтенсифигтнруст. Нижний снимок, свезенный через Е мин, показывает просвети в бо.тас»викой части того жс самого патака зв счет каубпв ионденсадн- оииого стада. сверху в центр следа. Если имеет место неустойчивость, то вращение быстро затухает, давление в центре растет, облачпыс трубки исчезают и происходит быстрое персмешавапие.

Показанный на риг. ! !.4.7 шлейф быстро рассеиваетсн. Там, где вихри разрушаются, опн гасят друг друга, объединяя свои рыхлыс края, так как вихревые липин не могут заканчиваться в потоке. Пример различных видов следов приведен па рис. !!.4.8. ОВЛЛКЛ И ОСАДКИ Рнс. !!.4.7. Следы дыма, выпурлсегого с ковков крыльев свмолета тпва «ттомета»,летяядсго ка высоте ЗООО м, Сфотографированы снизу в моменты времени. укизвпиыс справа ст снимков (в сснуикикы стрелки псказыввыт овен и тс жс точи» следа Оьти »«ихних снимнов оторви точке нкколитсв ва левым красы сннютав ГЛАВА П Рис.

11.4.8, Четыре вослсдовательных снимки кондепсвнионнога следа от че- тырехмоторного сймолета. На первом снимке. сделанном под углом ЗГ, можно видеть, что ннсходишпй поток, который поворачивает след внутреннего мотора относнтетьно следа «вешнего мотора, йорождает различие во ююшисм виде дв>х пар слсдои. Па остазьнык трех фотоснимка» енины тольнп следы от неси~них мотором окружающие вихревые идра, На четвертом фотоснимке ближней <верхний) след выглидит более деформированным, чем далы<нй. нз-за того. что 4ютосннмок сделан снизу. 11.5.

Динамика кучевых облаков Копвскцпя переносит частицы воздуха до уровня конденсации, выше которого теплота, освобожденная прп конденсации, становится <>сповпым источником плавучссти. Хотя дождь и выпадает па землю, большая часть конвективных облаков испаряется, псрсмсп<иваясь с окружающим воздухом, в котором опп поднимались. Таким образом, потери тепла па испарение также являются важным свойством процесса. Как только возрастает роль влаги, простота математичсского описания ситуации исчезает, и попытки многих авторов воскресить радости медового месяца с теорией частично турбулентного потока оказываются тщетными.

В проблеме есть нечто неуловимое, чего ни карты, ни ЭВМ (как и ничто другое) не могут отразить лучше, чем сами облака. Система действительно очень сложна и непрерывно реагирует на все, что происходит и в непосредственной близости, и за много тысяч километров от пее. Она является частью того, что метеорология по своей простоте называет <общей 451 ОБЛАКА И ОСАДКИ циркуляцией», имея в виду картину, которая может изучаться только с помощью всей мировой метеорологической службы и крупнейших вычислительных цептров. Эта проблема все еше остается неразрешимой, неразрешимой в том смысле, что пока еще нельзя сделать ничего достаточно полезного для человека в поле,— в поле, которое дает хлеб.

Тем пе менее рассмотрим просто кучевые облака, чтобы попытаться понять, каким образом опи переносят массу в атмосфере, создавая прекрасное разнообразие погодных условий, в которых человек может возделывать различные культуры, которые являются элементами его цивилизапии.

11.5.1. Эрозия термиков Пример зондирования атмосферы приведен на рис. 11.5.! в виде линии Я).К ца тефиграмме. Предположим, что теплый источник образовал теплую частицу воздуха в точке А, что температура в ней немного выше средней температуры на земле в точке Я и что опа поднимается до уровня конденсации С вдоль сухой адиабаты, а затем к точке 0 вплоть до уровня середины кучевой облачности по влажной адпабате.

В течение всего подъема частица остается теплее окружающего воздуха. В конечном итоге она всплывает в облаке и перемешивается с окружающим воздухом в точке )с, воздух в которой непасышен и, по вашему предположению, имеет отношение смеси, равное ! г/кг. Результаты перемешнвапия можно определить, если представить себе, что частица и окружающий воздух перенесены на уровень конденсации таким образом, что частица опять попадет в точку С, а окружающий воздух — в точку 5 вдоль сухой адиабаты, проходящей через точку )т'. Если смешение произошло, то полученная смесь будет характеризоваться точкой М, средней для прямой ЯС, и отношение смеси будет средним между 9 и 1, а именно 5 г)кг.

Если теперь вернуть смесь на соответствующий ей уровень, то она переместится но сухой адиабате до точки У вдоль линии насыщения для отношения смеси в 5 г/кг, а затем по влажной адиабате — до точки Р, Таким образом обнаруживается, что смесь на 2'С холоднее окружающего воздуха, который характеризует точка )с', иногда как окружающий воздух в точке Е был бы на 1'С холоднее.

Если ~еперь эта частица будет перемещаться до точки равновесия, она достигнет точки ь, где будет иметь ту же температуру, что и окружение. Следовательно, этот пример (а таких примеров с помощью тсфиграммы можно привести много) показывает, что частицы па вершине кучевых облаков много холоднее окружающего воздуха, особенно если они сухие (в нашем примере окружающий 452 ГЛАВА 11 воздух имеет относительную влажность, равпу)о 20 $). Оседание, которве возникает в результате этого процесса, легко мо. оагр ! ) 7г/кг ! О'Г бг)кг Рнс.

11.5.!. Кривая зондирования на тефнграмме. Окружающий воздух представлен кривой зондирования ЯЬН. теплая частица воздуха, поднимающегося без заметного вереиешиваинв от точки А, должна была бы цзедовать вдоль АСО, соти бы оиа стала нвсывгшшой в точке Р. Если она перемеп|нвается в рав. иых пропорциях с окружением в точке я )окружение имеет гшажность го и), то смесь имеет характеристики тачка Р )М являетея серединой отрезка СЗ), ддя частицы в точкс Р равновесный уровень нахазгится и точке г )полробпостн см.

в тексте), жег наблюдать внимательный исследователь облаков, а для ила. неристов этот процесс является общеизвестным. аэ,~ Рнс, 11.5,2. Последовательные положения поднимающегося термика, в кото- рый вовлекается окружающий воздух. Объем окрунгающего возлуха заштрнхован. После ~олпжения 4 атот объем воздуха дот. жеи расширвтьгя ао асс стороны. В свою очередь, чтобы облако могло подняться в сухой атмосфере высоко, оно должно быть достаточно большим для того, чтобы частицы могли подниматься вплоть до его границы, не 433 овлака и осадки испаряясь; это наиболее вероятно, если подъем происходит вдоль пути, уже увлажненного предыдущим термиком.

С целью иллюстрации интенсивности персмешиваппя на рис. 11.5.2 показана последовательная эволюции некоторого объема окружающего воздуха (на рисунке заштрихована), который вовлекается в термик. После положения 4, показанного па ри. сунке, вовлеченный воздух будет циркулировать относительно оси термика; таким образом, воздух будет полностью перемешан за то время, пока термик поднимается на высоту, равную полутора своим диаметрам. Если в облако вовлечен внешний 'прпветть лпнйанга ни и б г д 4 Рис. 1цб,з, Последовательные положеиив термика, поднимающегося выше уровня коидеисапии.

После того, как термнк примет послепиес положение, ириаекениое иа рисунке, башня быстро нсоарнтс» н опустится анна. сухой воздух, то, очевидно, термик пс сможет подняться высоко, пока все облако пе испарится. На рис. !1.5.3 эволюция облачной башни показана в виде последовательности ее состояний. Четко очерченная вершина, характерная для растущего кучевого облака, находится там, где к поверхности поднимается свежий насыщенный воздух.

Благодаря большой скорости подъема количество влаги оказывается достаточным для образования капель в ядрах конденсации. Вследствие этого облако становится довольно плотным и имеет прозрачность порядка метра и меньше, что и является причиной его четких очсртаний. После состояния 4 остатки башни занимают свой уровень равновесия в устойчиво стратифицированном окружении и постепенно испаряются, совершая небольшие движения, возникающие за счет выхолаживания при испарении, до тех пор, пока облако, накопсп„пе осчезпст. После этого остается увлажненная башня чистого воздуха.

Если термнк растет при наличии сдвига ветра (рис. 11.5.4), то его ось наклонена в направлении, противоположном наклону остальной части облачной башни. Механизм эрозии можполсгко ГЛАВА 11 продемонстрировать в лаборатории с помощью эксперимента, в котором модель термика опускается в стратифицированной массе воды. На рис. 11.5.5 в верхней части резервуара масса жидкости нс стратнфицировапа, и термик ведет себя так же, как и на рис.

8.2.1. Как только термик достигает стратифицированпого слоя, он оставляет за собой след, состоящий из разбавленного вещества самого термика, причем каждая частица приходит в состояние покоя на уровне, соответствующем ее плотности. На последнем снимке показан термик, который перестал Р'' а~ "и Р'"Ф "Р '"" "" '"'Р Проермль вектоо УРОВЕНЬ КВНОРНСиции Рис. !!.5.4. Последовательные положения облачной башни, поднимающейся при ветре со сдвигом.

Хотя бамин иаалонена а направлении енввга. оса термина во время его ионъема накло- нена в протнвоволожном направлении. выше этого уровня. Облачность, подобная описанной башне, характерна для зоны пассатов и других океанических областей (см. снимок на рис. 11.5.6, а также работу Малкуса и Скорера, 1955). Когда влажные башни воздуха находятся в течение нескольких часов в потоке со сдвигом ветра, их вершина может сместиться па расстояние в сотни миль от основания. В результате такой деформации башня превращается в ряд топких слоев воздуха с высокой влажностью, перемежающихся прослойками с меньшей влажностью (рис. 1!.5.7).

Характеристики

Список файлов книги