Реферат: Физика тропических циклонов и ураганов

МИНИСТЕРСТВООБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

САХАЛИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТ

Факультет природопользования

РЕФЕРАТ

По дисциплине «Физика»

На тему: «Физика тропических циклонов

и ураганов»

Выполнилстудент 2 курса специальности «природопользования» (пр. 256)

Шевцов КонстантинВлидимирович

Проверил преподаватель   Ершов В.В.

Южно-Сахалинск

2006

СОДЕРЖАНИЕ

1<span Times New Roman"">                  ВВЕДЕНИЕ                                                                              3

2<span Times New Roman"">                  

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ                                                       3

3<span Times New Roman"">                  

ТРОПИЧЕСКИЕ ЦИКЛОНЫ И УРАГАНЫ                                   4

4<span Times New Roman"">                  

МОДЕЛИ И ТЕОРИИ                                                              6

5<span Times New Roman"">                  

ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ И ИХ АНАЛИЗ                         76<span Times New Roman"">                                                   117<span Times New Roman"">                  РОЖДЕНИЕ ИНЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ЦИКЛОНОВ    138<span Times New Roman"">                                                             169<span Times New Roman"">                                                            1810<span Times New Roman"">                                                 19

11    ПЕРЕНОСЧИКИ ВЛИЯНИЯ                                                  20

12     РОЛЬРАДИАЦИОННОГО ПОЯСА ЗЕМЛИ                        21

13    ЭЛЬ-НИНЬО — ВОЗМУТИТЕЛЬ ПОГОДЫ                         23

14    МОЖНО ЛИ УПРАВЛЯТЬ УРАГАНАМИ?                                   25

15    ЗАКЛЮЧЕНИЕ                                                                        26

16    СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ                           26

ВВЕДЕНИЕ

На Земле —самой спокойной и, скорее всего, единственной приспособленной к жизни планетеСолнечной системы — все же случаются природные катастрофы. Одни из самыхопасных — штормы и ураганы, вызывающие огромные разрушения, экологическиебедствия, неизмеримость (вопреки цифрам) человеческих жертв. Наука давно ищетспособы устранения этих катаклизмов, но способна пока лишь на долговременныйпрогноз мест их появления и степени опасности. Поиски «рычагов воздействия» нанепокорную природу продолжаются. С появлением более мощных технических средств,в первую очередь связанных со спутниками и исследованием космоса,возобновляются попытки «обуздания» катастроф. И в последнее время полученыопределенные результаты по выявлению причин возникновения ураганов ивозможности укрощения их силы.

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

УскорениеКориолиса — ускорение относительно поверхности Земли, испытываемое любымдвижущимся телом вследствие того, что вращающаяся Земля не являетсяинерциальной системой координат. Ускорение Кориолиса связано только с подвижнойсистемой отсчета».

СилаКориолиса — одна из сил инерции, существующая во вращающейся системе отсчёта ипроявляющаяся при движении в направлении под углом к оси вращения.

Силабарического градиента — Изменение давления в пространстве называется«барическим градиентом». Следствием барического градиента является сила,которая направлена от более высокого давления к более низкому. Эта силаназывается «силой барического градиента». Сила барического градиента являетсятой причиной, которая приводит в движение воздушные массы.

Ураган —это автономно развивающаяся термодинамическая система (тепловая машина Карно),в которой имеются два температурных уровня: высокий (температура океана),низкий (верхнего слоя тропосферы) и теплоноситель — водяной пар.

ЦиклКарно́ — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно,работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД и нулевой мощностью.

Квазистационарныйпроцесс — процесс, протекающий в ограниченной системе и распространяющийся вней так быстро, что за время распространения этого процесса в пределах системыеё состояние не успевает измениться. Поэтому при рассмотрении процесса можнопренебречь временем его распространения в пределах системы.

Вольфачисло — Характеристика интенсивности активности Солнца Для определения числаВольфа достаточно с использованием простейших средств наблюдения подсчитатьколичество солнечных пятен и их групп на видимом в данный момент диске Солнца.

ТРОПИЧЕСКИЕ ЦИКЛОНЫ И УРАГАНЫ

Тропики —самое горячее место на Земле. Здесь Солнце, находящееся в зените, наиболеесильно нагревает сушу и океан, поверхностная температура которых оказываетсясамой высокой. Средним и полярным широтам достается намного меньше солнечноготепла. Чтобы избежать тропического перегрева и равномерно распределить тепло попланете, природа привела в действие воздушные и морские течения (муссоны,пассаты, гольфстрим), которые из-за своей медлительности не справляютсяполностью с задачей глобального переноса тепла. На помощь приходят тропическиециклоны, вихревые потоки в атмосфере, дающие более быстрый и эффективный отводсолнечной энергии из экваториальной зоны. Самые мощные и разрушительные циклоны— тропические штормы и ураганы. Они — неизбежные и весьма полезные проявленияземной погоды, осуществляющие быстрый перенос тепла. Без них Земле грозил бы«тепловой удар», наверное, еще более страшный, чем сами ураганы. Отсюда,однако, не следует, что на их разрушительную силу нельзя повлиять. Молнии —тоже неизбежный и полезный этап развития грозы, но их угрозу успешно устранил молниеотводБ. Франклина, неудачно названный громоотводом.

Стропическими ураганами в Атлантике европейцы познакомились после открытияАмерики Колумбом, когда многочисленные суда стали бороздить океан, направляясьв Новый Свет. Корабли и целые флотилии гибли от свирепых бурь, окрещенныхадмиралом Ф. Бофортом ураганами. Шекспировская «Буря» — исторически верноесвидетельство урагана 1609 года, который преградил путь кораблям колонистов изаставил их высадиться на необитаемых Бермудских островах. Восточные, в Тихом иИндийском океанах, мощные тайфуны были известны намного раньше.

Поклассификации, введенной Бофортом в 1802 году, шторм — это тропический циклонсо скоростью ветра более 17 м/с, ураган — ветер рвет паруса, его скоростьбольше 33 м/c, главный ураган — скорость свыше 50 м/с (около <st1:metricconverter ProductID=«200 км/ч» w:st=«on»>200 км/ч</st1:metricconverter>). Максимальнаяскорость ветра в урагане доходила до <st1:metricconverter ProductID=«550 км/ч» w:st=«on»>550 км/ч</st1:metricconverter>. Американский исследовательУ. Редфилд собрал первые сведения об ураганах Атлантического океана иправильно описал их как единые спиральные структуры (1831). Он же предложилпервую (циркуляционную) модель тропических циклонов. Их систематическоеисследование, положившее начало попыткам обуздать ураганы, стало возможнымтолько в ХХ веке и наиболее полно во второй его половине, с запускомискусственных спутников. Наблюдения с них позволили наконец проследить эволюциюразвития урагана с момента его зарождения и выявить пути следования. Внастоящее время работает разветвленная служба слежения за ураганами.

Разрушительныеураганы с многочисленными жертвами бывали и раньше. Но череда страшныхатлантических ураганов, материальные потери от которых исчисляются миллиардамидолларов, а жертвы — сотнями и тысячами жизней, пришлась на наше время: конецпрошлого — начало нового века: Hugo (1989), Andrew (1992), Opal (1995), Mitch(1998), Georges (1998), Charlie, Frensis, Ivan, Jeanne — 2004. В 2005 годупрошел двадцать один ураган, среди которых особенно разрушительными сталиKatrina, Rita, Sten, Vilma, затопившие Новый Орлеан и уничтожившие нефтяныеплатформы в Мексиканском заливе. В последнее время наблюдаются цепочкиураганов, следующих друг за другом по одному пути, что указывает на возможностьмножественной генерации тропических циклонов, на режим супертайфуна,охватывающего заметную часть экватора.

МОДЕЛИ И ТЕОРИИ

Условияобразования тропического циклона, перерастающего в ураган, хорошо известны. Онвозникает там, где высока температура воды (не менее 26 градусов). Это первоенеобходимое условие обеспечивает сильное испарение с поверхности океана,насыщение вихря водяным паром. Второе условие менее прозрачно, но столь женеобходимо — малый градиент (перепад) скорости ветра по высоте вихря, которыйподдерживает конвективные облачные ячейки (его энергетические «батарейки») и недает циклону распасться на мелкие вихри. Известен ряд сопутствующих факторов:резкий температурный контраст поверхности океана, скопление кучевых облакови т.д. Подмечены корреляции ураганов с другими погодными явлениями:циркуляцией ветров в стратосфере, дождями в Западной Африке, явлением Эль-Ниньо(загадочным потеплением воды в Тихом океане).

В разноевремя создавались модели развития ураганов, вначале феноменологические, позднеефизически обусловленные, основанные на известных процессах теплообмена междуатмосферой и океаном. Удивительно — лучшее согласие с наблюдениями давалимодели «среднего уровня», описывающие поведение вихря не слишком подробно, но ине очень грубо. Изощренные модели упускали, видимо, какую-то важную «деталь»,которая в простых представлениях незримо присутствовала. В целом модели давалиправильный ход развития уже возникшего шторма, набор его энергии иразрушительной силы.

Выделяемаяэнергия черпается из тепловой энергии океана и потенциальной энергии высотнойнеустойчивости атмосферы, переходящих в кинетическую энергию вихря. Пока урагандвижется над океаном, его сила нарастает, но, выйдя на сушу, он теряет связь сэнергетическим источником и быстро, за несколько дней, затухает, успев, однако,наломать немало дров. Разрушительная сила урагана не только в его огромнойскорости и мощи ветра, но и в обилии влаги, вызывающей проливные дожди,наводнения, сели, обвалы.

Сценарийразвитого шторма, перерастающего в ураган, а затем — в главный ураган, хорошо«работает», то есть достаточно правильно описывает реальные явления. Остается непонятым,почему ураганы образуются в строго определенных местах (атлантические — уберегов Западной Африки, тихоокеанские — в районе Филиппин и Индонезии) и вособые моменты времени, тогда как в другое время те же по виду тропическиециклоны не становятся ураганами. До сих пор не понят механизм возникновенияциклона, в котором начинает «на автомате» работать «машина Карно». По-видимому,нужна начальная встряска, некий спусковой механизм, порождающий первичныйавтономный вихрь.

ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ И ИХ АНАЛИЗ

Прежде всего, чтобы явным образом учесть наличие неустойчивости,приводящей к формированию крупномасштабного вихря, модифицируем предложенное вмонографии уравнение для максимальной скорости ветра в тропическом циклоне Vследующим образом

<img src="/cache/referats/23417/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025">

гдеT – температура поверхности океана в области тропического циклона (ТЦ), T* –пороговоезначение этой температуры, выше которой происходит усиление возмущений игенерация вихря, слагаемое — σV2 определяет потери энергии,обусловленные диссипативными процессами, возрастающие с ростом интенсивностивихря. Будем полагать, что скорость ветра V измеряется в м/сек, температура T в°С, а время t в сутках. Тогда, согласнохарактерные значения параметров вуравнении (1) следующие: γ ≤ 1, T* = 26.5, σ = 3*10—3.

Для температуры поверхности океана T воспользуемся уравнением [2]

<img src="/cache/referats/23417/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026">

ЗдесьT1 температурахолодной воды, поднимающейся в ТЦ из нижних слоев океана к его поверхности (T1 = 23),Tf равновеснаяфоновая температура в отсутствие обусловленных ТЦ возмущений, значение которойопределяется балансом тепла в данном сезоне, τ характерное времяустановления равновесной температуры. Ниже принимается τ = 10, β =3.10-4,Tf =(28 ÷ 30).

Учет затухания урагана, обусловленного, например, его выходом наболее холодную воду, будем моделировать выбором переменного параметра Tf (t). Вчисленных расчетах использовалась функция

<img src="/cache/referats/23417/image006.jpg" v:shapes="_x0000_i1027">(3)

где Tf1 равновеснаятемпература на стадии формирования и последующего квазистационарного состояниявихря, t1 определяетвремя выхода ТЦ в область более холодной воды с понижением температуры наδTf,τd характерноевремя смещения ТЦ в область более холодной воды.

Таким образом в рассматриваемой нелинейной модели появилисьдополнительные управляющие параметры δTf, τd, t1.

Система нелинейных уравнений (1), (2) с нестационарной равновеснойтемпературой (3) решалась численно для различных значений входящих параметров.На рис.1 показаны графики зависимости от времени скорости ветра и температурыповерхности океана в формирующемся тайфуне для модели работы при значении равновеснойтемпературы Tf= 28. В рамках модифицированной модели (1), (2) временная динамикаскорости ветра и температуры поверхности в формирующемся вихре представлена нарис.2 для следующих значений входящих параметров:

<img src="/cache/referats/23417/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1028">

<img src="/cache/referats/23417/image010.jpg" v:shapes="_x0000_i1029">

<img src="/cache/referats/23417/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1030">

Наквазистационарной стадии вихря температура T принимает значение 26.57, котороеслегка выше пороговой величины T∗ = 26.5. Для полного жизненногоцикла тайфуна (с учетом стадии его затухания) динамика скорости ветра итемпературы поверхности показана на рис.3 при следующем выборе входящихпараметров:

Tf1 = 28,δTf =2, τ = 10, γ = 1, β = 6*10-4, σ = 3*10-3, V(0) = 0.3, T (0) = 28, t1 = 20, τd = 1.

При этом на квазистационарнойстадии ТЦ скорость ветра достигает значения V = 45.63, температура снижается довеличины 26.64. На конце стадии затухания она становится близкой к 24.Изменением исходных параметров системы можно менять динамику рассматриваемогопроцесса.

<img src="/cache/referats/23417/image014.jpg" v:shapes="_x0000_i1031">

<img src="/cache/referats/23417/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1032">

<img src="/cache/referats/23417/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1033">

<img src="/cache/referats/23417/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1034">

Иллюзорность сил Кориолиса.

В ортодоксальной физике до сих поротсутствует ясное понимание как механизмов рождения циклонов и торнадо, так иприсущих им свойств, например, «глаза» тропического циклона или «подъёмнойсилы» торнадо.

Традиционный подход к атмосфернымвихрям основан на том факте, что в северном полушарии циклон закручиваетсяпротив часовой стрелки, а в южном – по часовой стрелке. Делается вывод, чтоважную роль при образовании атмосферных вихрей играет глобальное вращениеатмосферы вместе с Землёй. Глобальное вращение, как считается, влияет надинамику локальных процессов через силы Кориолиса. Поэтому сила Кориолисанепременно учитывается в балансе сил, действующих на элементы движущихсявоздушных масс. Отсюда, на наш взгляд, и проистекают главные затруднения втеориях атмосферных вихрей.

Сила Кориолиса будучи разновидностьюсил инерции, является не более чем математической формальностью, посколькукориолисово ускорение обусловлено не силовым воздействием, а ускорением,которое имеет система отсчёта. Несиловой характер кориолисова ускоренияособенно нагляден при рассмотрении движения ИСЗ. Как известно, плоскость орбитыспутника, имеющая ненулевое наклонение, вращается относительно поверхностиЗемли. Ясно, что это вращение вызывается отнюдь не действием силы: слишкомочевидно — особенно с оглядкой на «неподвижные звёзды» – что вращается неплоскость орбиты спутника, а сама Земля. Казалось бы, всё происходит совершенноаналогично и при полёте баллистической ракеты, и при колебаниях маятника Фуко.Но здесь, как утверждают математики, уже не обойтись без силы Кориолиса.

С математиками нам дискутироватьбесполезно; им безразлично, камень ли падает на Землю, или, наоборот, Земляпадает на камень, влекомая «силой инерции». Математике это всё равно, физике –нет. Физик обнаруживает, что при столкновении камня с Землёй выделяетсяэнергия, равная половине квадрата скорости столкновения, умноженной на массукамня, а не на массу Земли. Физику становится ясно, что падал именно камень:противоположное мнение абсурдно в свете закона сохранения и превращенияэнергии. Но математиков это не убеждает, и они пытаются отыскать доказательствареальности сил инерции.

В случае с силой Кориолиса этидоказательства основаны на догмате: «Объекты, горизонтально движущиеся всеверном полушарии, отклоняются вправо». Однако, если это отклонение вправоявляется результатом силового действия, то боковая сила должна действовать нетолько на летящие объекты, но и на объекты, движущиеся в контакте споверхностью Земли. Примеры, якобы подтверждающие этот вывод, приводятся почтив каждом современном учебнике по механике: это – для северного полушария – преимущественноеразмывание правых речных берегов, а также ускоренный износ правых рельсовжелезных дорог. Но заглянем в энциклопедический словарь: «Под влиянием течения,в водополье довольно сильного, русло Оби ежегодно меняется, причём в пределахюжной части Томского округа уклоняется на запад, подмывая нагорный левый береги занося правый илом и песком». Этот пример с Обью, губительный дляматематического подхода, прекрасно согласуется с подходом физическим: у рек вобоих полушариях преимущественно размывается западный берег, на которыйвода набегает сильнее из-за вращения земной поверхности на восток.Аналогично, интенсивнее изнашиваются не правые рельсы, а западные. Такимобразом, допущение о реальности сил Кориолиса приводит, в доброй половинеслучаев, к неверным выводам.

Ещё раз мы убедились в том, чтокориолисово ускорение наблюдается тогда, когда объект движется, фактически,свободно, и это ускорение является результатом всего лишь математическогосложения свободного движения объекта с вращательным движением системы отсчёта.Судя по различным историческим свидетельствам, так считал и сам Кориолис. Онговорил только о формальном ускорении, а отнюдь не о силе.

Итак, «сила Кориолиса» – иллюзорна.Покажем, насколько упрощается физика атмосферных вихрей, если эту иллюзорнуюсилу не принимать во внимание.

РОЖДЕНИЕ ИНЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ЦИКЛОНОВ

Нас интересует не рождение завихренийв результате столкновений тёплых и холодных атмосферных фронтов, а рождениенастоящего циклона – в крупномасштабной области со слабым понижением давленияот периферии к центру (выкладки приведём для северного полушария). В рамкахтрадиционного подхода, баланс сил, включающий силу Кориолиса, выглядитправдоподобно лишь для стадии уже развившегося циклона, рождение же егоостаётся загадкой.

На наш взгляд, рождение циклонапроисходит, в общих чертах, следующим образом. Рассмотрим вначалеидеализированную ситуацию, при которой глобальное вращение тропосферы имеетполностью ламинарный характер. При этом, в геоцентрической невращающейся системеотсчёта, поле скоростей воздушных масс совпадает с полем линейных скоростейвращения точек подстилающей поверхности. Так, относительно точки на широте,скажем, 45°, на болеенизких 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 которыеможно разбить эту круглую область. В любой точке кольца сила барическогоградиента направлена к центру. По отношению к этому центру, исходное движениевоздуха в южной части кольца направлено на восток, в северной части ононаправлено на запад, а в западной и восточной частях кольца оно отсутствует.Можно видеть, что действие центральных сил барических градиентов на воздушныемассы кольца, имеющие такое распределение скоростей, приводит к закручиваниюэтих воздушных масс против часовой стрелки. При этом главным поставщикомэнергии рождающегося вихря является турбулентный энергообмен, который увеличиваетэнергию упорядоченного вихревого движения за счёт уменьшения энергиихаотического теплового движения молекул, т. е. за счёт уменьшения температурывоздуха. Линейную скорость вращения v, которая приобретается такимобразом, можно оценить с помощью выражения

h×cp DT = v2/2, (1)

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

В результате уменьшения температуры,которым сопровождается закручивание воздушных масс, ещё больше падает давлениев «барической долине» и, соответственно, увеличиваются центральные силыбарических градиентов. Это приводит к ещё более эффективному закручиванию, т.е. включается режим саморазгона циклона. Саморазгон притормаживается благодарятому, 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 массцентробежная сила уравновешивает векторную сумму сил барического градиента итурбулентного трения, траектории воздушных потоков представляют собой, вообщеговоря, сходящиеся к центру спирали.

Достигнут ли эти спирали центрациклона, или нет – определяется параметрами исходной «барической долины» иметеопараметрами воздушных масс. Для тропического циклона типична ситуация, прикоторой скорость тёплых влажных струй, по мере приближения к центру, успеваетвозрасти настолько, что центробежные силы не позволяют им проникнуть внутрьнекоторого равновесного радиуса, обычно составляющего несколько десятковкилометров. Так и возникает удивительный феномен: кольцевой ураган, со сплошнойгрозовой облачностью и ливневыми осадками, который бушует по периметру круглойбезоблачной зоны полного штиля, называемой «глазом» циклона.

Что касается обычного циклонаумеренных широт, то для него характерно отсутствие равновесного радиуса, и вцентре циклона происходит схлёстка ветров, достигающих ураганной силы; при этомобразуется мощная восходящая струя с сильной турбулентностью. Разрушительнаямощь центра циклона такова, что при его перемещении образуются полосы буреломав вековых лесах и сокрушаются капитальные строения. Печальный опыт имеют иавиаторы: в центре циклона возможно разрушение самолёта в воздухе. Удивительно,но это впечатляющее природное явление – схлёстка ветров в центре циклона собразованием восходящей турбулентной струи – до сих пор не имеет дажесобственного названия.

ПОДЪЕМНАЯСИЛА ТОРНАДО

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

Как показывают наблюдения,благоприятная ситуация для образования торнадо возникает тогда, когда холодноегрозовое облако оказывается в тёплом сухом воздухе. При этом нередко бывает,что, ещё до зарождения хобота торнадо, само облако начинает вращаться вциклоническом направлении. Это позволяет предположить, что механизмзакручивания воздуха здесь в общих чертах совпадает с вышеописанным механизмом,работающим при рождении циклона. Специфика же заключается в том, что радиальныеградиенты давления и температуры возникают в компактной области и имеютзначения, на много порядков большие, чем в случае циклона. Холодный инасыщенный влагой воздух опускается из грозового облака и оказывается в условиях,при которых происходит интенсивное испарение капелек воды. Это приводит кбыстрому понижению температуры в области интенсивного испарения. Так ипрокладывает себе путь вниз канал пониженного давления, вокруг которогозакручивается вихрь. В установившемся режиме у этого вихря имеется изменяющийсяс высотой равновесный радиус (см. выше), на котором центростремительные силыуравновешиваются центробежными. Поэтому название «хобот» здесь очень удачно:торнадо представляет собой, фактически, вращающуюся трубу из сильноуплотнённого воздуха. Линейная скорость этого вращения может достигать, пооценкам, 130 м/с. Как и в случае циклона, в энергию торнадо превращается немалопонятная «энергия атмосферной неустойчивости», а тепловая энергия воздушныхмасс.

Каким же образом эта вращающаяся«труба» поднимает воду? Ранее мы предполагали, что внутри торнадо можетсоздаваться такая геометрия пространства-времени, которая компенсирует и дажепересиливает действие местного тяготения. Однако, все наши попытки понять,каким образом может создаваться подобная геометрия, были безуспешны. Разгадкаже тайны «подъёмной силы» торнадо оказалась неожиданно тривиальной – на нашвзгляд, вода поднимается по внутренней поверхности хобота благодаря действиюобычных центробежных сил.

В самом деле, если раскрутить стакан,частично заполненный водой, то, ввиду появления центробежных сил, поверхностьводы будет представлять собой, как известно, фигуру вращения с параболическойобразующей, текущая высота z которой зависит от радиуса rследующим образом: z ( r)-z0=w2r2/2g, где w— угловая скорость вращения, g — ускорениесвободного падения. Такая же параболическая поверхность образуется узакрученной воды внутри вертикальной вращающейся трубы, слегка погруженной вводу. Если эта труба цилиндрическая, то высота подъёма воды равна высоте, накоторой параболическая образующая пересекается с вертикальными стенками трубы.Если же труба имеет конусность с расширением кверху, то ситуация иная. Приподходящем соотношении параметров, параболическая поверхность, находящаясявнутри усечённой конической поверхности, может не пересекаться с последней.Такое соотношение параметров, теоретически соответствующее режиму «бесконечногоподъёма» воды бесконечно высокой конусной трубой, имеет вид (при z0=0):

tga< 2w2r0/g,(2)

где a— угол, который составляет образующая конуса сгоризонтом, r0— её радиус на нулевой высоте. В реальностивысота хобота торнадо конечна, и для него характерна воронкообразная форма, сраструбом наверху; но его форму в нижней части вполне можно считать конической.Как следует из (2), критическое значение V* скоростилинейного вращения, выше которого начинается режим «бесконечного подъёма», дляводы, контактирующей с нижним срезом хобота, составляет

V*=(0.5×gr0×tg a)1/2. (3)

Так, при r0= <st1:metricconverter ProductID=«30 м» w:st=«on»>30 м</st1:metricconverter> и a= 85°, критическая скорость составляет 41 м/с. Надополагать, что для торнадо вполне по силам раскручивать воду до таких скоростей.

Следует подчеркнуть, что, с учётомвышеизложенного, хобот торнадо, расширяющийся кверху, должен поднимать водунезависимо от того, в каком направлении он вращается. Это действительноподтверждается в случаях, когда огромное грозовое облако имеет несколькохоботов. При этом соседние хоботы обычно вращаются в противоположныхнаправлениях, иначе окружающие их воздушные вихри сильно мешали бы друг другу,сталкиваясь между хоботами.

В заключение отметим, что везде вышеречь шла только о воде, поднимаемой торнадо, но это было сделано радинаглядности изложения. Конечно же, торнадо способен поднимать в небеса всё, чтоему удаётся удержать внутри стенок хобота при раскрутке до критическойскорости.

«СТРАТЕГИЯ СДЕРЖИВАНИЯ»

В 1980-хгодах, после того как были выявлены условия генерации ураганов и созданы«хорошие» модели их развития, предпринимались попытки всей силой техники обуздатьураганы или хотя бы снизить их угрозу — истощить на подходе к населеннымместам, увести в сторону. «Глаз урагана» — центральную часть вихря диаметром20-<st1:metricconverter ProductID=«50 километров» w:st=«on»>50 километров</st1:metricconverter>,окаймленную плотной стеной облаков и хорошо видную на снимках из космоса, —обстреливали мощными зарядами. Вблизи Флориды, Луизианы, Техаса, куда обычнозалетали разбушевавшиеся вихри, на них сбрасывали йодные препараты с цельювызвать искусственное выпадение осадков, как это делается с дождевыми облакамина подступах к Москве в дни праздников. Лишенный водяного пара ураган долженбыл потерять и свою механическую силу. Эти меры ничего не дали. На пути ураганаставили айсберги, срочно доставляемые от берегов Гренландии с надеждой«охладить» его пыл. Ураган проносился, не задерживаясь и не замечая преград.Слишком слабы были эти «уколы» для вихря, энергия которого составляла около1017 джоулей с фронтальной плотностью порядка 100 Дж/см2.

Лобоваяатака на ураганы американских ВВС, названная программой «Storm Fury» («Яростьбури»), продолжалась двадцать лет — с 1963 по 1983 год и окончилась полнойнеудачей. Было осознано только, что перспективный путь борьбы с ураганами —изучение их свойств и более тщательное прогнозирование с помощью космическихсредств. В дело пошли специализированные метеоспутники, ведущие наблюдения сгеостационарных и низких орбит.

СВЯЗЬ С СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТЬЮ

Частота ураганов непостоянна, их активность то затухает,то повышается. Как и другие погодные явления, ураганы могут инициироватьсяСолнцем. Мы живем под боком спокойной, но все же живой, активной звезды,дыхание которой ощущаем по многим проявлениям, называемым солнечнойактивностью. Известен ее 11-летний цикл, характеризуемый числом темных пятен надиске Солнца (числа Вольфа W, публикуемые Европейским центром солнечных данных,Цюрих, Брюссель). Временнaя зависимость среднегодовых чисел Вольфа показываетпеременность солнечной активности, воспроизведенной по архивным данным(1611-1850), отдельным наблюдениям (1750-1850) и непрерывному мониторингуСолнца (1850-2000). Параметр W отражает процесс генерации магнитных полей вовнешней турбулентной зоне Солнца. Восходящие потоки горячей плазмы,накладываемые на дифференциальное вращение Солнца (на разных широтах оновращается с разной скоростью), ответственны за все внешние проявления светила:грануляцию фотосферы с ее особенностями (факелы, флокулы, протуберанцы),хромосферные вспышки, излучение короны, солнечный ветер, потоки ускоренныхчастиц.

На первыйвзгляд числа Вольфа не подтверждают солнечного влияния на ураганы, активностькоторых совершенно не следует 11-летнему циклу. Анализ показал, что числоураганов одинаково во всех фазах цикла — на подъеме и спаде, в максимуме иминимуме. Самые разрушительные ураганы, упомянутые выше, тоже пришлись на всефазы. И все же зависимость ураганов от солнечной активности есть, что можноувидеть, сравнивая временны, е последовательности ураганов (рис. 1, 3) и чиселВольфа (рис. 2) для интервалов 20-30 лет. Там, где амплитуда циклов W былабольше, возрастал и темп ураганов. Среднегодовые числа главных урагановпрошлого века составляли: n = 1,4 ± 0,3 (1900-1925); n = 2,7 ± 0,3 (1930-1965);n = 1,6 ± 0,3 (1970-1990). Максимальные амплитуды чисел Вольфа для тех жевременны, х дат были Wmax = 105, 201 и 164 — корреляция видна, хотя из-за статистическихошибок не очень значима.

Лучшаякорреляция солнечной активности и числа ураганов наблюдается при сдвигепоследовательности ураганов примерно на 20 лет. «Холодные» земные процессы какбы запаздывают относительно «горячих» солнечных.

ПЕРЕНОСЧИКИ ВЛИЯНИЯ

Солнечныепятна сами по себе не отвечают за солнечно-земные связи. Переносчиками влияниямогут быть выбросы вещества во время солнечных вспышек или корональные массовыевыбросы (Coronal Mass Ejections, СМЕ), известные, как выяснилось, уже давно, но«назначение» которых осознано только в последнее время.

Установлено,что переносчиками энергии от Солнца к Земле выступают корональные выбросы,возникающие как пузыри в солнечной короне, напрямую не связанные с фотосферой итемными пятнами, что может объяснить отсутствие 11-летней цикличности ураганов.Это сбросы старых магнитных петель конвективной зоны Солнца под напором новогонарождающегося магнитного поля — процесс, идущий все время и по всем солнечнымширотам, от экватора до полюсов. Этот процесс лучше по сравнению с числомсолнечных пятен, более глубоко и всесторонне отражает солнечную активность. То,что корональные выбросы ответственны за изменение темпа ураганов, отчетливовидно по одновременному возрастанию темпа ураганов и их числа в последнее десятилетие(1996-2005) по сравнению с предыдущими циклами. Корональные выбросы сталинаблюдать сравнительно недавно, их статистика представлена с 1970-х годов,поэ