Читаем Вихри Бенара в природе (СИ) онлайн бесплатно

2.1

Простейшим, но не единственным вихрем Бенара в природе является вихрь над нагретым солнцем склоном холма. На фоне окружающей холодной поверхности на склоне появляется тёплое пятно, которое природе страсть как охота остудить. И со всех сторон на холодное пятно устремляется холодный воздух. Конечно же за краткие мгновения нахождения на склоне холодный воздух нагреться не успевает. Но уравнение Бернулли позволяет всестороннему потоку испарить влагу с поверхности склона. А как известно, влажный воздух легче сухого. Поэтому над нагретым склоном появляется поток вверх. Не дремлет и сила Кориолиса, тут же закручивая двигающийся вверх поток.

Трубка же Ранка

[img]http://i9.pixs.ru/storage/6/1/3/trubkaRank_6811905_14635613.jpg[/img]

Рисунок 1

свидетельствует, что вращающийся поток уменьшает температуру среды. А уменьшение температуры провоцирует конденсацию влаги. Капельки влаги собираются в кучевом облачке, застрявшим над склоном холма. Время от времени облачко отрывается от склона. А над склоном начинает формироваться новое кучевое облачко. Осушенный же воздух переходит в наружный поток вихря, опускается вниз для того, чтобы вновь набрать влаги на склоне и подняться вверх. Перестало солнце греть склон и вихрь исчез.

В работе А . Л . Бондаренко «Крупномасштабные течения и долгопериодные волны Мирового океана» приводятся сведения, что смерчи (русское название торнадо) в Чёрном море возникают тогда, когда на поверхности воды появляется холодное пятно. Но холодные пятна в окружении тёплой поверхности возникают и у экватора в районе глобальных океанских течений. И вновь природа стремится выровнять температуру, пуская со всех сторон воздух на холодное пятно. Нагреть пятно ему не удаётся. Но двигающийся воздух испаряет с поверхности воды влагу в существенно большем количестве. Влажность воздуха увеличивается по сравнению с окружением. И вновь влажный воздух легче «сухого» воздуха, что формирует поток воздуха вверх. Сила Кориолиса закручивает поток, охлаждая его точно также как и над склоном холма. Влага конденсируется, формируя облачность над холодным пятном. Осушенный же воздух опускается на холодное пятно, создавая вихрь Бенара.

Для поднятия вверх должна быть получена большая влажность. Поэтому в начальные моменты формирования вихря он занимает небольшую площадь в центре холодного пятна. Но сама площадь холодного пятна увеличивается за счёт окружающей поверхности воды, с которой двигается на него воздух. Правда, температура её меньше температуры холодного пятна. Но с течением времени окружение пятна увеличивает свою площадь и уменьшает температуру поверхности воды примерно следующим образом.

[img]http://i12.pixs.ru/storage/0/3/5/temperatur_2874694_24647035.jpg[/img]

Рисунок 2

Естественно что температура воды понижается не только на поверхности, но и в глубину.

Как только будет достигнута ситуация, изображенная справа, холодное пятно уже не может служить для торнадо якорем, удерживающим его на месте. Природа ведь всё так же желает выровнять температуру. Но холодное пятно уже неразрывно связано с вихрем торнадо существующим над ним. Хобот же торнадо уже занял всю поверхность холодного пятна. А в нём горизонтальное направление потока воздуха сменилось на вертикальное. Поэтому испарение влаги с поверхности воды практически отсутствует. И природе остаётся только понижать температуру наклонного участка кривой на рис 2. Само же торнадо заняло всю площадь правой части рисунка. Хобот торнадо расположен на горизонтальном участке, а его периферия занимает наклонную часть. И как только достигается ситуация правой части рис 2 параметры периферии торнадо начинают соответствовать параметрам хобота. Т.е. если до этого момента вихрь был более мощной копией вихря над нагретым склоном холма, то с этого момента вихрь преобразуется в полноценное торнадо.

Т.к. холодное пятно формируется в пределах глобальных океанских течений, которые в районе экватора двигаются с востока на запад, то в этом направлении двигается и холодное пятно, и формирующийся над ним вихрь. Поэтому и сформировавшееся торнадо двигается в этом же направлении. И по природной традиции сила Кориолиса отклоняет вихрь в северном полушарии вправо, а в южном полушарии влево. Поэтому в северном полушарии торнадо и формирующийся из него ураган двигаются на северо запад.

[img]http://i12.pixs.ru/storage/9/8/7/Marshrutiu_5699679_23947987.jpg[/img]

Рисунок 3

Если в стационарном состоянии над холодным пятном зародыш торнадо увеличивал свои внешние размеры, не изменяя площади холодного пятна, то оторвавшись от холодного пятна, ставшее уже полноценным торнадо, напротив не может менять своих внешних размеров.

Ведь поступающий во внешний поток воздух двигается не по радиусу, а по отрезку спирали, что увеличивает длину его траектории до попадания в хобот торнадо. Соответственно больше испаряется и влаги, которая конденсируясь в хоботе увеличивает его энергию. Соответственно увеличивается и осевая скорость движения среды в основании вихря (мы должны помнить, что скорость осевого движения в периферийном основании соответствует скорости осевого движения в хоботе торнадо). Это ведёт к большему испарению влаги с поверхности воды и к уменьшению её температуры. И на рис 2 увеличивается величина угла и растёт размер плато.

2.2

Холодные пятна, возникающие у экватора в районе глобальных океанских течений, создают над собой вихри Бенара, являющиеся зародышами торнадо. С момента своего зарождения хобот вихря Бенара находится в окрестности центра холодного пятна. Воздух во внутренний поток вихря поступает с площади круга большей площади холодного пятна. И движется он при этом по радиусу. Энергия, выделяющаяся при конденсации влаги в воздухе, поднимающемся вверх и закручивающимся силой Кориолиса, увеличивает как кинетическую, как и тепловую энергию вихря.

Как и любой объект природы вихрь Бенара обязан обладать кинетической и тепловой энергией. С кинетической энергией проблем не возникает: вихрь двигается в осевом направлении, поэтому за кинетическую энергию отвечает осевая скорость движения. Но в вихре Бенара не существует других видов движения кроме осевого и тангенциального вращения. Поэтому естественная логика диктует, что за тепловую энергию вихря отвечает скорость его тангенциального вращения. Подтверждает это положение и трубка Ранка. Ведь скорость вращения внутреннего потока существенно больше скорости вращения внешнего потока. Поэтому и температура внутреннего потока (выходящего в трубке Ранка в обратном направлении) уменьшается сильнее, чем температура внешнего потока (выходящего в прямом направлении).

Воздух, поднимающийся в центре холодного пятна, охлаждается вращением. Выделяющаяся при этом энергия увеличивает и скорость осевого движения, и скорость вращения поднимающегося потока. Осушенный воздух до величины меньшей влажности воздуха над окружением холодного пятна становится тяжелее и имеет возможность опуститься на поверхность пятна, формируя этим вихрь Бенара. Не дремлет и тёплый воздух в окружении холодного пятна, со всех сторон устремляясь в пятно. И попадает он при этом в периферию вихря Бенара, приобретая вращение (т. е. увеличивая свой путь до подъёма вверх). Влажность поднимающегося воздуха увеличивается. Следовательно, при конденсации влаги выделяется больше энергии, идущей на увеличение как осевой, так и тангенциальной скорости. Вихрь Бенара как растёт в высоту, так и увеличивает свой радиус. Ведь увеличение высоты вихря сопровождается увеличением числа элементарных вихрей, что увеличивает число элементарных вихрей внешнего потока, а следовательно и радиус вихря.

А как мы уже знаем, параметры внешнего потока в основании вихря характеризуют параметры внутреннего его потока. Т.е. воздух, поступающий с окружения пятна, описывает в основании вихря больший путь. Да к тому же и вихрь увеличил свой размер. Поэтому снабжение вихря тёплым воздухом с окружения вихря должно идти с большей площади. И воздух, поступающий во внутренний поток, с течением времени проходит всё больший и больший путь, всё больше и больше насыщаясь влагой. С течением времени размеры вихря увеличиваются и его диаметр в основании не только достигнет диаметра холодного пятна, но и превысит его. Соответственно после этого момента периферия вихря в его основании продолжит свой рост за счёт уменьшения площади окружения вихря, поставляющего в него воздух. Т.е. сама площадь этого окружения будет продолжать расти. Но поступление воздуха в вихрь идёт по радиусу, а в основании вихря его движение идёт по спирали, что и ведёт к тому, что площадь основания растёт за счёт своего окружения.

Таким образом, зародыш торнадо над холодным пятном растёт, набираясь сил. А т. к. испарение влаги сопровождается понижением температуры поверхности, то с течением времени изменение температуры поверхности приобретает вид.

[img]http://i12.pixs.ru/storage/0/3/5/temperatur_2874694_24647035.jpg[/img]

Рисунок 1

К моменту, изображенному на правой кривой, внутренний поток занимает всю площадь холодного пятна. А воздух, поступающий в хобот вихря, поступает только с его периферии. Т.е. вихрь избавился от довеска, из которого воздух поступал по радиусу, и стал самодостаточным объектом, не зависящим от внешнего окружения. Поэтому он и отправляется в самостоятельное плавание по поверхности воды.

Но в пределах своих размеров вихрь Бенара

[img]http://i11.pixs.ru/storage/2/6/4/shemadvizh_5709051_23147264.jpg[/img]

Рисунок 2

имеет относительную свободу. Не изменяя своего внешнего диаметра, он может увеличивать диаметр внутреннего потока до каких-то пределов. Примером может служить трубка Ранка, рабочий диапазон которой равен 5-9 атм. Точно так же и торнадо, сошедшее с холодного пятна, увеличивает диаметр внутреннего потока при неизменном диаметре периферии. При этом в основании периферии (характеризующем параметры хобота) увеличивается и скорость осевого движения и скорость вращения элементарных вихрей. Т.к. внешний диаметр торнадо не изменяется, то скорость вращения элементарных вихрей периферии не изменяется. Таким образом, разность между скоростями вращения элементарных вихрей в основании и в самой периферии стремится к нулю. А это сопровождается уменьшением разности между центростремительной и центробежной силами.

И как только они сравняются, торнадо теряет право на существование. Но хобот торнадо примитивом не является. Ведь его элементарные вихри вращаются в одном направлении. И мы можем применить к хоботу логику вихря Тейлора.

2.3

Торнадо является вихрем Бенара. Но не всякий вихрь Бенара можно назвать подобным торнадо. Вихрь Бенара над нагретым склоном холма ранга торнадо не может быть удостоен. В том числе и зародыш торнадо над холодным пятном в океане является вихрем Бенара, но он родной брат вихря над нагретым склоном холма или пока ещё пародия на торнадо. В торнадо он превращается после достижения того момента, когда его хобот занимает всю площадь холодного пятна. И только в этом случае движением воздуха в своей периферии он способен самостоятельно обеспечивать свои потребности во влаге, которые не только позволяют ему существовать, но и развиваться далее.

После схода с места своего рождения торнадо не мечется беспорядочно по поверхности океана. Холодное пятно возникает в приэкваториальной зоне в районе глобальных океанских течений, которые двигаются с востока на запад. Поэтому торнадо, сохраняя момент количества движения, придерживается этого же направления движения. Но как на двигающийся объект на него действует сила Кориолиса, правого направления в северном полушарии и левого в южном. Это и определяет траектории движения всех ураганов.

[img]http://i12.pixs.ru/storage/9/8/7/Marshrutiu_5699679_23947987.jpg[/img]

Рисунок 1

Но нашему торнадо до ранга урагана надо ещё дорасти.

А вот здесь уже существенную роль играет температура поверхности океана. Если температура поверхности океана больше 26,50 С,то торнадо ожидает судьба урагана той или иной мощности. Если же температура поверхности океана меньше 26,50 С, то сколько не пыжилось бы торнадо его ожидает только судьба бури. Ведь температура холодного пятна практически постоянна, т. к. в холодное пятно вода подаётся с океанских глубин (да к тому же она непрерывно обновляется вплоть до схода с него торнадо). Поэтому на правой стороне рисунка

[img]http://i12.pixs.ru/storage/0/3/5/temperatur_2874694_24647035.jpg[/img]

Рисунок 2

в зависимости от температуры окружающей пятно воды наклонная кривая будет иметь разный вид. Поэтому при меньшей температуре сформированное на пятне торнадо будет иметь меньший диаметр основания, а при большей температуре будет иметь больший его диаметр. А размер торнадо имеет существенное значение.

Образно говоря, периферия торнадо играет роль твёрдой стенки, скажем, типа твёрдой стенки трубки Ранка. Ведь в заданных размерах вихрь Бенара способен изменяться, увеличивая диаметр внутреннего потока (и соответственно его высоту) за счёт изменения площади, занимаемой внешним потоком. Соответственно уменьшается и площадь основания внешнего потока, что сопровождается увеличением в нём и скорости осевого движения, и скорости вращения элементарных вихрей. Этим самым уменьшается величина разности центростремительной и центробежной сил, которая в итоге окажется равной нулю. Торнадо по идее должно самоликвидироваться.

Механизм же самоликвидации предоставляет хобот торнадо. Ведь элементарные вихри, переходящие из хобота на периферию, переносят с собой и скорость вращения, превышающую существующую скорость на периферии. Мы же знаем, что скорость тангенциального вращения элементарных вихрей в хоботе повышается за счёт осевого направления движения. А выделившаяся при конденсации влаги энергия увеличила как скорость осевого движения, так и скорость тангенциального вращения элементарных вихрей. И это превышение скорости вращения перешло в наружный поток, что увеличило центробежную силу при неизменности центростремительной силы. Поэтому центробежная сила раздвинула торнадо, начиная с его центра, пытаясь сформировать глаз урагана.