Иванов Владимир Александрович
Публикация статьи: 10.03.2004
Тропические циклоны, как и внетропические, возникают при неустойчивости атмосферы, наличии зоны низкого давления, окружённой воздушными массами с нормальным или повышенным давлением (антициклонами). Такая ситуация возникает при нагревании воздуха на значительной территории, что понижает его плотность и, соответственно, атмосферное давление. Насыщение воздуха влагой хоть и незначительно, но тоже понижает плотность воздушной смеси. Возникающие локальные воздушные потоки, ориентируясь в направлении постоянных атмосферных потоков и под воздействием сил Кориолиса, начинают закручиваться в спираль. Чередующиеся участки холодного и тёплого воздуха, разделённые фронтами, по этой спирали начинают втягиваться в образовавшуюся зону пониженного давления. Так возникают циклоны. Тёплый влажный воздух при этом поднимается вверх, преодолевает точку росы, выделяет теплоту конденсации и продолжает двигаться вверх, отклоняясь и расходясь по сторонам.
Тропический циклон (буря, шторм, ураган, тайфун) имеет меньшие размеры (100-300 км), чем внетропический, но за счёт больших скоростей (до 50-100 м/сек) может вызвать катастрофические разрушения. Воздушные потоки, двигаясь по спирали вверх, образуют так называемый глаз бури - область затишья без облаков размером 10-20 км. Возникают тропические циклоны над водной поверхностью в широтах от 5 до 20 градусов чаще летом и осенью.
Когда циклон уже набрал силу, непрерывное пополнение энергии
происходит за счет подъёма больших масс теплого воздуха и скрытой теплоты
конденсации. Однако возникают вопросы по поводу механизма зарождения циклона.
Локальные перепады температуры и давления в тропиках не настолько велики,
чтобы только эти факторы могли сыграть решающую роль в возникновении циклона,
столь значительно ускорить воздушные потоки.
Вероятно, в районе зарождения тропического циклона складывается следующая ситуация. Отсутствие сколько-нибудь существенных движений
воздушных потоков (так называемое "затишье перед бурей") создаёт условия
для прогревания воздуха и насыщения его влагой над водной поверхностью.
Постепенно влажный тёплый воздух поднимается на всё большую высоту. Расширяясь
и охлаждаясь, влажный воздух достигает точки росы и в условиях безветрия
остаётся в состоянии переохлаждённого пара, продолжая всё больше охлаждаться
(тем самым создаются условия для лавинообразной конденсации за счёт нейтрализации
охлаждённым воздухом скрытой теплоты конденсации). Недостаточное количество
центров конденсации (пылинок, солевых частиц) здесь тоже имеет значение.
Нарушить это неустойчивое состояние может даже незначительный поток воздуха.
Начавшийся процесс конденсации вызывает резкое локальное понижение давления.
Туда устремляются уже более быстрые потоки, всё более ускоряя процесс конденсации,
вовлекая всё новые и новые воздушные массы с переохлаждённым паром. Затишье
вдруг сменяется шквальным ветром (шквалом). Причину этого шквалистого ускорения потоков невозможно было бы объяснить
только подъёмом тёплого влажного воздуха. Когда тропический циклон уже сформируется,
перепады температуры и давления на разных высотах и процессы выделения скрытой
теплоты конденсации (то есть вся запасённая потенциальная энергия) будут
играть уже существенную роль в развитии циклона.
В районе действия циклона часто возникают маломасштабные вихри. В США, где наиболее часто случается это явление, их называют торнадо, в Европе - тромбами. Над водной поверхностью этот вихрь часто называют смерчем. Так же он называется в регионах, где встречается значительно реже. В раскалённых солнцем пустынях, например, в пустыне Сахаре в Египте, часто наблюдаются песчаные вихри.
Обычно, на границе фронтов, холодный воздух, сталкиваясь
с тёплым, вытесняет его в верхние слои. Это может происходить и на периферии
циклона. Таким образом, область переохлаждённого пара может протянуться
и вдоль границы фронтов. При резком падении давления в этой области образуются
локальные вихри (мезоциклоны), которые могут перерасти в торнадо (смерч,
тромб). Судя по всему, через воронку (рукав, хобот) при её продвижении вдоль
границы фронтов, в область конденсации (и низкого давления) поступает быстрый
поток воздуха, а так как процесс конденсации не прекращается, захватывая
всё новые области, и быстрым потоком воздуха только усиливается - это объясняет
устойчивость торнадо. Сконденсированные внутри воронки пары воды в виде
тумана (и частицы пыли) забрасываются в область неустойчивости (конденсации) и служат дополнительными
центрами конденсации. Торнадо сопровождаются грозами, проливным дождём,
градом.
Быстрое вращательное движение воздуха (до 100 м/сек и более) в виде вихря-воронки диаметром до 200м и более создаёт за счёт центробежных сил разрежение воздуха внутри этой воронки. Это обеспечивает всасывание больших объёмов воздуха в отдалении от зоны конденсации и на всём протяжении воронки с ориентацией к земной поверхности, где плотность воздуха выше. Вихрь торнадо ещё можно представить в виде длинного цилиндрического сита, в котором необходимый поток воздуха обеспечивается большой площадью всасывания.
Круговое движение воздуха в стенках воронки и поступательное вверх внутри воронки - в обоих случаях ламинарное (слоистое, струйное течение), иначе оно не достигло бы таких больших скоростей. Например, в верхних слоях атмосферы наблюдаются крупномасштабные струйные течения, достигающие 100 м/сек, связанные с градиентом температуры и давления на границе дня и ночи.
Турбулентность в вихре-воронке возникает на границе разнонаправленных ламинарных потоков и усиливается ещё и тем, что воздух из быстро вращающихся стенок поступает вовнутрь и сталкивается с направленными вверх потоками, которые тоже движутся по спирали, но с гораздо меньшей радиальной скоростью.
Вращающаяся воронка действует как сепаратор, отделяя лёгкий (внутренний) воздух от тяжёлого (внешнего). Воздух, движущийся в стенках воронки, имеет промежуточную плотность.
Кинетическая энергия вихревых потоков возникает за счёт кинетической энергии движущегося вверх воздуха внутри торнадо. Передача энергии происходит в момент поступления вовнутрь новой порции воздуха. Условно этот процесс можно разделить на две фазы.
Инерционная фаза. При соприкосновении ламинарного (внутри стенок вихря) потока с зоной турбулентности образуется локальный вихрь (Рис. 1), который ещё продолжает двигаться внутри стенки со скоростью ламинарных потоков (и вращается вокруг собственной оси), но уже касаясь зоны турбулентности. Этот локальный вихрь как колесо катится по границе турбулентности, оставляя там (в зоне турбулентности) из-за трения часть потерявшего свою скорость воздушного потока. Оставшаяся часть локального вихря может возвратиться в ламинарный (вовнутрь стенок вихря) поток с удвоенной скоростью (как верхняя часть колеса, имеющая при качении удвоенную скорость), тем самым, возвращая и часть кинетической энергии обратно в вихрь-воронку.
Рис.1. Инерционная фаза (поперечное сечение вихревой воронки).
Стрелка указывает направление движения струй (сплошные линии) в стенке воронки; точками
обозначены воздушные потоки вверх внутри воронки; А - локальный
вихрь (в месте расположения стрелки возможно удвоение скорости);
Т - зоны турбулентности (на границе воздушных потоков).
В месте сброса вовнутрь (всасывания) части воздушного потока из стенки воронки, возникает турбулентность с разнонаправленными вихрями, возможно, частично опоясывающая (по ходу вращения вихря-воронки) внутренний столб движущегося вверх воздуха. Для простоты представим эту турбулентность в виде шара с разнонаправленными вихрями (Рис. 2). Находясь большей своей частью внутри
Рис.2. Энергетическая фаза (поперечное сечение вихревой воронки).
Стрелка указывает направление движения струй (сплошные линии) в стенке воронки;
Точками обозначены воздушные потоки вверх внутри воронки;
А - турбулентно-вихревые образования на границе потоков,
"выступ" вызывает ускорение воздушных потоков;
Т - зоны турбулентности (на границе воздушных потоков).
воронки, эти турбулентно-вихревые образования, увлекаемые внутренними воздушными потоками вверх, внедряются меньшей своей частью в стенку воронки. Но так как скорость воздушных потоков внутри стенки вихря-воронки очень высока, то эти потоки огибают образовавшийся "выступ", ускоряются, как над крылом самолёта (уравнение Бернулли), и этот дополнительный импульс передаётся соседним воздушным потокам, тем самым ускоряя вихрь в целом. Таким образом, часть кинетической энергии воздушного потока, движущегося вверх внутри воронки, с помощью силы "упругих выступов", увлекаемых этим потоком (вверх), передаётся вихревому движению (непосредственно в зоне взаимодействия).
Удлинение вихря можно объяснить тем, что на конце воронки образуется более мощный вихрь всасывающегося воздуха, который ориентируется в горизонтальной плоскости (то есть так же, как и вихри, составляющие стенку воронки, но с более сильным воздушным потоком). За счёт этой энергии и происходит раскручивание и удлинение концевой части воронки. При соприкосновении с землёй или водной поверхностью этот концевой вихрь начинает ориентироваться вверх, образуя каскад брызг и пыли.
Часто наблюдается удержание воронкой тяжёлых предметов и перенос их на большие расстояния. Вероятно, предмет, находящийся внутри воронки, при соприкосновении с внутренней стороной вращающейся стенки получает сильный поступательный или вращательный импульс, то есть всякий раз отскакивая от стенок воронки вовнутрь, подхватывается внутренним воздушным потоком и продвигается вверх.
Детальное изучение физических процессов и метеорологии тропических циклонов, торнадо затруднено их разрушительным действием, грозами. Однако, по ряду факторов можно дать метеопрогноз, оценить вероятность возникновения стихии или предсказать направление движения уже возникшей стихии, что тоже очень важно.
Обнаружив значительную массу воздуха с переохлаждённым водяным паром (на уровне верхней атмосферы и в тропосфере), можно с большой вероятностью ожидать перерастания в этом месте депрессии в циклон. Можно попытаться и предотвратить зарождение вихря. Например, заранее применяя на этом участке реагенты, ускоряющие процесс конденсации (твёрдую углекислоту, йодистое серебро), можно снизить вероятность возникновения лавинообразной конденсации и следовательно, снизить вероятность зарождения тропического циклона. Таким же способом можно предотвратить зарождение торнадо или ослабить уже усилившееся торнадо - то есть обрабатывать участки с наиболее высокой степенью переохлаждённости водяных паров. Это и есть наиболее вероятное направление движения торнадо - вдоль фронта, по границе холодных и тёплых воздушных масс.
Реконструкция с сайта: www.izvestia.ru
Тема обсуждения на форуме: "Тропические циклоны, торнадо" (сейчас не доступна).
В.И. - Владимир Иванов
Известно, что любые атмосферные вихри (циклоны) образуются при движении вверх тёплого влажного воздуха, который выделяет ещё и скрытую теплоту конденсации. Однако, основной причиной зарождения тропических циклонов (ураганов, тайфунов) и торнадо (смерчей, тромбов), вероятно, является лавинообразная конденсация переохлаждённого водяного пара, резкое понижение давления. В этот момент наблюдается шквалистый ветер, затем образуется мезоциклон, который перерастает в крутящуюся воронку, опускающуюся до земли. Воронка-вихрь перемещается вслед за областью интенсивной конденсации и воздушным потоком с частицами пыли и тумана ещё больше ускоряет этот процесс. Для торнадо резкое понижение давления - основной источник кинетической энергии.
Восходящий воздушный поток внутри воронки передаёт часть кинетической энергии движению воздуха по кругу (и там, и там - струйное течение). Это происходит в момент вбрасывания воздуха из крутящейся стенки вихря вовнутрь. Сначала может образоваться локальный вихрь, который какое-то время продолжает двигаться внутри стенки вихря-воронки, вращаясь одновременно и вокруг собственной оси. Ускоренной частью (аналогично удвоению скорости верхней части колеса при качении) этот локальный вихрь возвращает часть кинетической энергии обратно в вихрь-воронку. Затем (или одновременно) на границе потоков образуется область турбулентности, которая, внедряясь в стенку вихря, образовавшимся "выступом" ускоряет, как над крылом самолёта, огибающие его воздушные потоки и, следовательно, сам вихрь.
Чужой
Насколько я уловил из одной из статей в "Ломоносов" (могу найти, если интересно), и это не противоречит тому, что Вы рассказали, поверхность раздела фаз имеет большое значение. При образовании вихря она с каждой минутой увеличивается. Статья в журнале была о том, как "гасить" ураганы. Авторы предлагали и даже испытывали экологически натурализуемые сорбенты влаги, сбрасыаемые с самолета. Правда, это сработает только в самом начале.
Но вот что интересно - хочу спросить и Вас и всех, кому любопытно: можно ли усмирить ураган на более поздней стадии например мощными инфракрасными излучателями? Внесением тепловыделяющих реагентов? Для того, чтобы резко снизить поверхность раздела фаз?
В.И.
Для этой цели можно использовать те же самые реагенты, которые при распылении вызывают дождь или мелкий град путём образования множества центров конденсации, например, твердую углекислоту, йодистое серебро. Это, видимо, из возможных самый перспективный способ предупреждения ураганов. Аналогичные эксперименты проводились и по нейтрализации торнадо на стадии зарождения.
Проблема в том, что нужно проводить мониторинг состояния атмосферы на большой территории с помощью самолётов, зондов или проводить сплошную (большой предполагаемой площади) обработку реагентом, что ещё дороже.
Обнаружив в атмосфере, способом мониторинга, области переохлаждённого пара, можно распылить реагент в определённой концентрации, что снизит вероятность лавинообразной конденсации в последствии и, следовательно, предупредит образование вихря.
Введение тепловых реагентов или тепловое облучение зоны зарождающегося вихря тоже, вероятно, на какое-то время приостановит его образование, если это воздействие ограничить слоем атмосферы с переохлаждённым паром. То есть повышение температуры, естественно, понизило бы степень переохлаждённости пара. Но так как тепловая энергия является относительно "дорогой", то экономическая эффективность тепловой обработки может быть ещё ниже, чем обработка реагентами, вызывающими конденсацию.
Если провести тепловую обработку на более поздней стадии развития урагана, то, вероятно, он ещё больше усилиться. Это добавит теплоты к уже выделяющейся "скрытой теплоте конденсации", которая, в основном, и питает энергией тропические циклоны.
Статья, на которую Вы ссылаетесь, мне не знакома, и точная ссылка не помешала бы...
А ссылка на журнал "Ломоносов" у меня не раскрывается...
Чужой
Уважаемый Владимир!
ссылка на Ломоносов и не раскроется, к сожалению - домен они теперь используют только для почты и для авторизованного доступа. Журнал распространяется только по подписке :(
Вот номер этого журнала, о котором мы говорили: Октябрь 2002 10/4
Вот сайт, на котором рассматриваются интересные проекты по климатической технике: http://www.dynomat.com
Есть еще статья в этом же номере про то как атмосфера планеты всегда совершает максимальную работу по теплопереносу. А поскольку максимальная скорость теплопереноса достигается при наибольшем градиенте температур, то есть при встречных потоках, то прогноз атмосферных катаклизмов на ближайшие десятилетия неутешительный. Потому что имеет место неравномерный прогрев атмосферы вследствие солнечной активности. Лучше б это был парниковый эффект :)
В.И.
Вероятно, именно парниковый эффект и увеличивает перепад температуры на границе дня и ночи. То есть на стороне ночи тепло путем излучения также быстро теряется (как в парнике ночью, как будто нет никакого укрытия), а вот на стороне дня наличие парникового эффекта становится особенно заметным. И как следствие - перепад давления становится более резким, что может усилить воздушные потоки. Этот эффект будет наблюдаться и при неизменной солнечной активности. А если солнечная активность меняется, то циклично, как и всё в природе, и рано или поздно возвращается к обычному уровню.
Давление не причем, более того, есть следствие а не первопричина.
Если воздух у земли нагревается, то происходит ествественное его движение вверх (без образования вихрей). Идет обычный теплообменный процесс в атмосфере. И не важно влажный это воздух или нет. Если влажный - будут формироваться облака, будет лить дождик. Ламинарный режим конвекции плюс теплообмен разрешат все флуктуации в атмосфере и подержат динамический температурный балас своими широкими плечами :).
Однако, рецепт
1. Взять теплый влажный воздух (можно из тропиков, но из соседнего района тоже подойдет)
2. Навалить на него сухой холодный воздух из Арктики (можно из другого соседнего района, но из Арктики лучше)
3. Свалить от греха подальше
Чем этот рецепт отличен? Числом Релея, иными словами глубиной нарушения теплового баланса в атмосфере. Влажный воздух, накапливает больше энергии (за счет большей теплоемкости, то-то нам плохо в сырую погоду) и как было верно замечено, может ее дифференцировать во время конденсации.
Таким образом, если действовать по рецепту мы имеем - относительно перегретый воздух внизу (с большим запасом энергии) и холодный воздух ввреху. Такая ситуация, по каким-то причинам является абсурдной с т.з. природы. Однако, просто перевернуть этот слоенный тортик природе влом, а вот вихрями гораздо проще (меньше энергии тратится). Дело в том, что ламинарный поток, не формируется, в силу того, что разница между холодными и горячими слоями слишком велика, что результирует в большой скорости. Как результат, возникает большая диссипация, турбулетнтность и падение эффективности теплопереноса. С вихрем жить гораздо проще, он по большей части ламинарен - соотвественно не тратит энергии понапрасну.
Цитата: В.И.
Восходящий воздушный поток внутри воронки передаёт часть кинетической энергии движению воздуха по кругу (и там, и там - струйное течение).
Это безусловно новое слово в физике :) Что-то типа если прыгнуть вверх, то прыгнешь в сторону :) Только мне, кажется, что внутри движения вверх нет - или оно незначительно (на то есть вихрь). В вихре, кстати, движение происходит по спирали. Сколь либо значимой струи в ядре вихря возникать не может, по нескольким причинам. В частности, в таком случае, вихрь не мог бы коснуться земли - откуда воздух для струи брать?!
Цитата: В.И.
Для торнадо резкое понижение давления - основной источник кинетической энергии
Движение по кругу приводит к возникновению центробежных сил, как результат раскрученный воздух стремиться убежать от центра. Следствие - понижение давления в центре, возникновение струи и пр. чудеса. Причем если вихрь не замкнут (не сидит на земле), он всасывает воздух и расширяется, расширяясь теряет устойчивость. Именно поэтому, вихри "севшие" на повехность земли более стабильны. (этого не в учебнике за шестой класс, но есть в курсе гидродинамики)
Цитата: В.И.
Введение тепловых реагентов или тепловое облучение зоны зарождающегося вихря тоже, вероятно, на какое-то время приостановит его образование, если это воздействие ограничить слоем атмосферы с переохлаждённым паром.
Проблема еще в том, что гравитационная неустойчивость возникает на большой территории в пределах которой точки появления вихрей не предсказуемы. Кроме того, погасив вихрь в одной точке, причина не ликвидируется, что означает что проблема не решена.
Кроме того, есть еще одна причина, почему это может не работать, даже если мы научися вычислять точки зарождения вихрей (торнадо). Помимо теплоты конденсации, есть и другой эффект - осушение воздуха. При осушении, воздух теряет плотность сохраняя температуру, а конечном итоге, именно разница плотностей есть причина гравитационной неустойчивости.
Если не учитывать энергию скрытой теплоты конденсации и возникающий в связи с конденсацией градиент давления, то тогда не понятен источник энергии вихрей.
Плотность тёплого, приземистого воздушного слоя не намного ниже плотности несколько разреженного с высотой холодного воздуха.
Архимедовы силы и энергия понижения результирующего центра тяжести воздушных масс очень невелики по сравнению с разрушительными силами и энергией ураганов.
Цитата: З.И.
Влажный воздух, накапливает больше энергии (за счет большей теплоемкости, то-то нам плохо в сырую погоду) и как было верно замечено, может ее дифференцировать во время конденсации.
Энергия тепла (теплоёмкость) в нагретом влажном воздухе очень незначительна по сравнению с энергией скрытой теплоты конденсации водяных паров, содержащихся в этом воздухе. Эта разница примерно сопоставима, если сравнивать расход энергии: в одном случае на нагревание воды, в другом - полное выпаривание этой воды. Естественно, выпаривание более энергоёмко, чем нагревание.
В состоянии неустойчивой стратификации (когда нагретый воздух находится под толщей холодного), тепловая энергия (температура и некоторая разрежённость) этого нагретого воздуха имеет значение только в самом начальном периоде зарождения циклона, вызывая конвекцию и локальные потоки. Когда циклон уже развился, основной энергией, питающей вихрь-циклон, будет выделяющаяся скрытая теплота конденсации (в виде дальнейшего вытеснения вверх этого дополнительно подогретого воздуха и перепадов давления, тоже вызванных конденсацией).
Самочувствие ухудшается по двум причинам (теплоёмкость здесь не имеет значения): 1-я - пот не испаряется и не охлаждает, 2-я - пары воды вытесняют кислород из воздуха, а с повышением температуры растёт абсолютная влажность. Возникает ощущение духоты, и это не субъективная оценка. Автомобильные двигатели тоже «не тянут» в такую погоду.
Цитата: З.И.
Только мне, кажется, что внутри движения вверх нет - или оно незначительно (на то есть вихрь). В вихре, кстати, движение происходит по спирали. Сколь либо значимой струи в ядре вихря возникать не может, по нескольким причинам. В частности, в таком случае, вихрь не мог бы коснуться земли - откуда воздух для струи брать?!
Воздух всасывается преимущественно через стенки вихря. Это необходимое условие стабильности вихря. То есть передача энергии происходит непосредственно на месте действия (в момент всасывания), а ни где-то в стороне. Торнадо ещё можно представить в виде длинного цилиндрического сита, в котором необходимый поток обеспечивается большой площадью всасывания.
Цитата: З.И.
Это безусловно новое слово в физике :) Что-то типа если прыгнуть вверх, то прыгнешь в сторону :)
Согласен, предположение, что кинетическая энергия восходящего потока передаётся вихревому движению, довольно спорно.
Могу, к случаю, привести другой пример из физики - наблюдаемое "чудо" - прецессия гироскопа (тоже толкаем прямо - движется вбок).
Хотя, почему "другой пример"? Вихрь на таких больших скоростях наверняка будет проявлять некоторые свойства гироскопа.
Цитата: З.И.
Причем если вихрь не замкнут (не сидит на земле), он всасывает воздух и расширяется, расширяясь теряет устойчивость. Именно поэтому, вихри "севшие" на повехность земли более стабильны.
Можно предположить, что при касании с землёй вихрь становится более стабильным (или усиливается) из-за ускорения процесса конденсации: всасываемая пыль - это ещё и центры конденсации.
Цитата: З.И.
Проблема еще в том, что гравитационная неустойчивость возникает на большой территории в пределах которой точки появления вихрей не предсказуемы. Кроме того, погасив вихрь в одной точке, причина не ликвидируется, что означает что проблема не решена.
Вызывание дождей, борьба с градом - широко применяемые методы. Расходы сопоставимы.
Цитаты: З.И.
Влажный воздух, накапливает больше энергии (за счет большей теплоемкости, то-то нам плохо в сырую погоду)
Помимо теплоты конденсации, есть и другой эффект - осушение воздуха. При осушении, воздух теряет плотность сохраняя температуру, а конечном итоге, именно разница плотностей есть причина гравитационной неустойчивости.
Теплоёмкость - это способность запасать тепловую энергию. Теплоёмкость и плотность влажного воздуха несколько ниже, чем теплоёмкость и плотность сухого при той же температуре, так как теплоёмкость зависит от плотности, а плотность от молекулярной массы. У воды один атом кислорода, а у молекулы кислорода - два, и у азота два. То есть потеряв пары воды в результате конденсации, воздух становится несколько плотнее, но этот эффект теряется при выделении скрытой теплоты конденсации. В результате чего, воздух остаётся разреженным (тёплым), и относительно невысокая плотность является причиной его дальнейшего подъёма.
В.И.
По теме "Тропические циклоны" есть патент РФ.
Изобретение называется:
«Способ ослабления тропических циклонов (ураганов, тайфунов)»
Авторы: Пелевин В.Н. и др.
Номер патента: 2 150 134
Предлагается искусственно инициировать образование циклона, мощность которого не достигнет разрушительного уровня. То есть, путем воздействия (взрыв, тепловое воздействие, засев зоны веществом, создающим центры конденсации влаги) на одну или несколько зон в тропосфере, преобразовывать доступную потенциальную энергию в кинетическую.
Зоны с доступной потенциальной энергией (близкой к предельно допустимому значению) определяются по распределению температуры на поверхности океана и вертикальному распределению влажности в воздухе тропосферы.
Реконструкция с незначительными сокращениями.
4 декабря 2004г.
