15
Вихри, которые «делают погоду»
«… символические спиралы, как бы олицетворющие грозный атмосферный вихрь, можно встретить на изобравенях идлов и божеств, дополнительных do нас со временем древних цивилизаций.
… Идол с берегов Океании — более бурь у племени марии в Новой Зеландии — тоже украшен многочисленных спирами.»
И. Ситников. «Бетси, Камила и другие…»
Удивительное это образование — вихрь! От других потоков однородной жидкости или газа он отличается только характером движения, включшим вращение вокруг внутриеней оси. Но, по сравнению с другими потоками, вихрь обладает замечательной целостностью, устойчивостью и долговчувствью (см. «Квант» № 4, 1971 г.).
Высокое под потолок летят вихревые дымные колыца, выпущенные курильщиком, тогда как дым от его папиросы, едва поднявшись, разбивается на стружки, перемешивается с воздухом и распливается. Классические опыты с большими вихревыми колыцами, которые со стуком удалялись о стену лаборатории, описаны в статье американского физика-экспериментатора P. Вуда (см. «Квант» № 12, 1971 г.).
В природе вихри возникают во множестве. Они появляются в той части потока, где скорость быстро меняется в направлении, перпендикулярном потоку. Каждому случалось видеть вихри в быстро реке на перехождение от быстроины к замедленному течение у берега. Целая цепочка вихрей может тянться за движущимся предметом, скажем, автоматом. Их особенно удобно наблюдать на шоссе в метельные дни, когда машина обдувается крепким встречным ветром, а хлопья снега проявляют движение произрачного воздуха. Такие вихри появляются при обтекании преятистей.
Вихревой характер сильно ветра был заменен в 1821 г. У. Рэдфилдом, содержателем небольшего магазина в штате Коннектикут (США), который, объезжая после шторма района штата, обратил внимание на поваленные ветром деревья. В одном месте деревья лежали макишки к северо-западу, тогда как на некоторых систему ветров. Беседуя с моряками и анализируя судовые журналы, он установил направление вращения крупных вихрей и нашел траектории их центров. В 1831 г. вышел
16
труд У. Рэдфилда, излагающий результаты его исследования. Ближе взгляды высказывал немецкий ученый В. Дове. В эти же годы были построены первые ветровые карты.
Вобщество, вихревые движения характеристи для atmosферы Земли. Однако далеко не все выход «делают погоду». Погода на земном шаре в сильной степени зависит от присутствия гигантских atmosферных вихрей-циклов и антицикловов, задающих ветровой режим в данной Земли.
В выходной системе, называемой цикломом (рис. 1), atmosферное давление поняется от периферии к центру. Поэтому влизывание тестирования Земли воздействие текущего направления к центру циклона. Все циклоны имеют врашательную составляющую скорости ветра. В Северном полушарии она направлена против часовой стрелки, в Южном — по часовой. В развивающихся циклонах (т. е. таких, у которых давление в центре продолжает падать) наблюдается восходящие потоки. При этом образуется мощная облачность и выпадают осадки.
Посление два свойства циклона очень сильно между собой. В самом деле, выделим мысленно неокоторий объем воздуха и посмотрим, что произойдет при его подъеме. По падая в более разреженные слоны atmosферы, этот объем расширяется, температура воздуха внутри него падает, и содержащийся в нем водяной пар конденсируется.
Направление врашения цикломов в различных полушарях можно объяснить закручивающим действием силы Корилиса (подробнее см. «Квант» № 2, 1975 г.), связанной с суточным врашением Земли. Наломним известный факт, что отклоняющее действие этой силы заставляет реки подмывать свои правые берега. Воздуший поток не удерживает берегом, и поэтому при своем движении к центру он будет отклоняться вправо, если смотреть в сторону центра, т. е. против часовой стрелки при взгляде сверху.
Заметим, что возле самого экватора в полосе широт ≤5° по обе стороны мощные выходи не образуются. Этот факт хорошо вяжется с приведенным обязыванием, поскольку на экваторе горизонтальная составляющая силы Корилиса равна нулю.
В выходной системе антициклона все наборот: давление возраствает, достигаем максимума в центре выходи. В развивающихся антициклоне присутствуют низходящие потоки. Опу-
Рис. 1. Стрелками указаны направления ветров в циклоне.
Рис. 2.
скаясь, газ нагревается и удаляется от состояния насыщения водыным паром. Поэтому для антициклона характеристи ясная малооблачная погода. Anttiиклоны врашаются по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки в Южном. Направление врашения антициклона обязывается также закручивающим действием силы Корилиса.
17
В зависимости от места зарождения циклоны делят на тропические и внетропические.
Рисунки 2 и 3 представляют вид сверху, соответственно, внетропического и тропического циклонов. Внетропический циклон (называемый иногда просто циклоном) — это самый крупный атмосферный вихрь, достигающий нескольких тысяч километров в поперечине. Высота его коллебляется между 2—4 и 15—20 км. Скорость ветра в нем в большине служев не превыходит 40—70 км/час.
Поперечный размер тропического циклона (называемого также ураганом, тропическим ураганом, тайфуном и пр.) значительно меньше — всего несколько сот километров, высота его — до 12—15 км. Давление в ураганах падает намного ниже, чем во внетропическом циклоне. При этом скорость ветра достигает 400—600 км/час.
Самые большие скорости ветра в урагане наблюдаются вокруг так называемого «глаза бури» — зоны покоя в центральной части урагана. Черное пятно правильно формы на рисунке 3 — это и есть глаза бури. Выразительное описание глаза урагана дает оченьедц, пропелевший через тайфун на самолете meteослужбы — французский журналист П. А. Молэн, автор книги «Охотники за тайфунами».
«Мы летим на высоте 3 км в колодце диаметром 22 км, в котором плавает несколько перистых облаков, мирных, как игрушки. Степы этого колодца представляют недвижимая бури, удерживаемая тинстенной причины. Она направлена к верхушке стены, выходу из этого колодца в 15 км над нами. И перед нашим удивлением взором развертиются эти кипящие стены, эта гигантская бездна, это крупное ответение, которое и заставило назвать все явление «глазом тайфуна»».
Заметим, что внетропические циклоны «глазом» не обладают.
Еще четец зона покоя (полость) у мелкомасштабных вихрей — смерчей (торнадо, тромбов) (рис. 4). Размеры их очень малы: ширина — от нескольких метров до 2—3 км, в среднем 200—400 м, высота от нескольких десятков до 1500—2000 м, в среднем несколько сот метров. Скорость ветра в смерче иногда превышает звуковую (1200 км/час!).
В сердцевине смерча давление падает очень низко, поэтому смерчи
18
Рис. 5.
Рис. 6.
«всасывают» в себя различные, иногда очень тяжельые предметы, которые переносят затем на большие расстояния. Люди, оказывается в центре смерца, погибали. Поэтому нет наблюданий его полости изнутри. Но ее видели сизу, когда смерч проходил над головой наблюдаателя. Рисунок 5 представляет собой фотографию внутри полости смерца, снятую сизу.
Рис. 7.
По рассказам оченьидцев полость смерча похожа на внутренность черного пустого цилиндра, освещенного изнутри блеском молний, просакивающих между стенами. В некоторых случаях наблюдаемый молний не видели.
Однажды нижний край смерча прошел над головой наблюдаателя на высоте 6 м. Ширина внутренней полости этого смерча была около 130 м, тогда как толщина стенки — всего 3 м. В середине полости находится яркое, светящееся голубым светом произрачное облака. Немного позже, когда смерч уже прошел над наблюдаателем, конец его спустился к земле, коснулся соседнего дома и в одно мгновение унес его. Дом распался в воздухе.
So стороны смерч напоминает столб (рис. 6), воронку (рис. 7) или хобот (рис. 4), свешивающийся из основания мощного грозового облака. Может образовать сразу группа смерчей (рис. 8). Интересна зарисовка смерча с двумя воронками (рис. 9). В черной туче скрыта горизонтальная часть смерча — выходное образование, врашающее вокруг оси, вытянутой паралельно поверхности Земли. Эту часть смерча видел летчик, пролетавший на высоте около 300 м. По его словам, она напоминала огром-
21
Попробуем схематично описать «встречу» двух вихрей. У каждого одиночного вихря областить интенсивного врашення отделена от неподвижной зоны так называемой periферическая область, в которой скорость постепенно спадает до нуля. Представим себе, что два урагана оказались на таком расстоянии, что центр каждого их них попал в periферическую область другого. Пусть, для определения ураганы врашаются против часовой стрелки. Каждый из них приведет в движение центр своего «собрата» таким образом, чтобы тот врашался относительно него против часовой стрелки. Как легко видеть, это приведет к врашению центров обихх ураганов также против часовой стрелки относительно некоторых расположений на отрезке прямой, соединяющей центры ураганов, близке к более мощному вихрю. В нижних слоях атмосферы воздействуют питаекет к центру урагана, тогда как наверху оттекает от центра. В зависимости от интенсивности этих процессов у данной конкретной пары ураганов они могут слияться, если преобладает «всасывание», или отступать друг от друга, если сильнее проявят себя оттекающие потоки в верхних слоях.
При этом ураганы все время продолжают влиять друг на друга. По выражению американского физика К. Орра, движение их напоминает поведение боксов на ринге, выждающих момент для нанесения решающего удара.
Аналогичная схема позволяет расматривать встречу антициклов и пары циклон—антициклон. Кроме того, ее можно распространить на случай, когда вихрь попадает в мощное воздействовать с ним.
Развитие вихря определяют многие факторы, и сделать заранее какие-либо предположения о результате «встречи» двух вихрей практических невозможно.
Путь уже развившегося урагана иногда оказывается очень длинным, и, проходя его, вихрь испытывает различных превращения. При выходе из тропиков ураган принимает форму сильно внутреннего циклона.
Штормовые циклоны Западной Европы часто оказываются бышими тропическими ураганами, которые прошли вдоль берегов Северной Америки и пересекли Атлантику. Некоторые из них, пройдя по Европе, уходят затем в Азию.
Когда ураган выходит на сущу, то из-за «шероховатости» земной поверхности его нижние слоны начинают разрушаться. Кроме того, проходя над сущей, ураган слабее из-за недостатка «питания» — влаги. Но если ураган оказывается наadjacent to верхняя часть может «раскрутить механизм» с прежней силой.
Обрушиваясь на густонаселенные районы сущи, ураган уносит тысячи человекческих жизни и причинает огромный материалный щербб. Энергия его громадна: за один день больший ураган «расходует» энергию, равную энергии взрыва 13 000 мегатонных ядерных бомб; кинетическая энергия среднего урагана равна запасу энергии 1000 атомных бомб.
Деятельность ураганов меняет рельеф земной поверхности: исчезают кораловые острова, «передвигаются» берега океана, появляются новые profiles и т.п.
Прогнозы перемещений циклонов и антициклонов за последние два десятилетия стали намного надежнее благодарялись использованию ЭВМ и информации, доставляемой спутниками, радиолокатрами и самолетами. На помощь служебного приходят новые совершенные аппараты и приборы. Служба эта ведется постоянно.