Физика тропических циклонов и ураганов

Страница 5

На наш взгляд, рождение циклона происходит, в общих чертах, следующим образом. Рассмотрим вначале идеализированную ситуацию, при которой глобальное вращение тропосферы имеет полностью ламинарный характер. При этом, в геоцентрической невращающейся системе отсчёта, поле скоростей воздушных масс совпадает с полем линейных скоростей вращения точек подстилающей поверхности. Так, относительно точки на широте, скажем, 45°, на более низких широтах происходит движение воздуха на восток, а на более высоких – на запад. Пусть теперь эта точка оказалась центром области круглой «барической долины». Рассмотрим, что будет происходить в одном из концентрических колец, на которые можно разбить эту круглую область. В любой точке кольца сила барического градиента направлена к центру. По отношению к этому центру, исходное движение воздуха в южной части кольца направлено на восток, в северной части оно направлено на запад, а в западной и восточной частях кольца оно отсутствует. Можно видеть, что действие центральных сил барических градиентов на воздушные массы кольца, имеющие такое распределение скоростей, приводит к закручиванию этих воздушных масс против часовой стрелки. При этом главным поставщиком энергии рождающегося вихря является турбулентный энергообмен, который увеличивает энергию упорядоченного вихревого движения за счёт уменьшения энергии хаотического теплового движения молекул, т. е. за счёт уменьшения температуры воздуха. Линейную скорость вращения v, которая приобретается таким образом, можно оценить с помощью выражения

h × cp D T = v2/2, (1)

где h — КПД турбулентного преобразования тепловой энергии воздуха в кинетическую, cp — удельная теплоёмкость воздуха, равная 1 кДж/кг× К. Если допустить, что h = 0.5, то, за счёт понижения температуры воздуха D T всего на 3° К, ему сообщалась бы скорость 55 м/с.

В результате уменьшения температуры, которым сопровождается закручивание воздушных масс, ещё больше падает давление в «барической долине» и, соответственно, увеличиваются центральные силы барических градиентов. Это приводит к ещё более эффективному закручиванию, т. е. включается режим саморазгона циклона. Саморазгон притормаживается благодаря тому, что, по мере роста линейных скоростей закручивающихся воздушных струй, всё большую роль начинают играть центробежные силы и силы турбулентного трения. В стационарном режиме, когда для каждого элемента движущихся воздушных масс центробежная сила уравновешивает векторную сумму сил барического градиента и турбулентного трения, траектории воздушных потоков представляют собой, вообще говоря, сходящиеся к центру спирали.

Достигнут ли эти спирали центра циклона, или нет – определяется параметрами исходной «барической долины» и метеопараметрами воздушных масс. Для тропического циклона типична ситуация, при которой скорость тёплых влажных струй, по мере приближения к центру, успевает возрасти настолько, что центробежные силы не позволяют им проникнуть внутрь некоторого равновесного радиуса, обычно составляющего несколько десятков километров. Так и возникает удивительный феномен: кольцевой ураган, со сплошной грозовой облачностью и ливневыми осадками, который бушует по периметру круглой безоблачной зоны полного штиля, называемой «глазом» циклона.

Что касается обычного циклона умеренных широт, то для него характерно отсутствие равновесного радиуса, и в центре циклона происходит схлёстка ветров, достигающих ураганной силы; при этом образуется мощная восходящая струя с сильной турбулентностью. Разрушительная мощь центра циклона такова, что при его перемещении образуются полосы бурелома в вековых лесах и сокрушаются капитальные строения. Печальный опыт имеют и авиаторы: в центре циклона возможно разрушение самолёта в воздухе. Удивительно, но это впечатляющее природное явление – схлёстка ветров в центре циклона с образованием восходящей турбулентной струи – до сих пор не имеет даже собственного названия.

ПОДЪЕМНАЯ СИЛА ТОРНАДО

Помимо загадочности своего происхождения, торнадо имеет ещё одну интригующую тайну: его «хобот» иногда способен втянуть в себя и поднять в небеса целое озеро воды. Многие думают, что эта способность обусловлена тем, что внутри хобота давление ниже, чем атмосферное. Однако высота водяного столба, соответствующая перепаду давлений в одну атмосферу, составляет около десяти метров. Даже если внутри хобота был бы сверхвысокий вакуум, перепад давлений не поднял бы воду на высоту, большую, чем эта высота водяного столба. Тем не менее, торнадо поднимает воду на километр и выше. Специалисты полагают, что всё дело в мощных восходящих потоках внутри хобота. Но эта гипотеза, на наш взгляд, тоже не выдерживает критики. Хобот, достигнув земной поверхности, не засасывает окружающий воздух, а лишь закручивает его вокруг себя; откуда же взяться восходящим потокам внутри него?