Вихри Бенара в природе (СИ) - Букреев Василий Семёнович - Страница 2

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.

А вот здесь уже возможны и варианты, связанные с температурой в родильном доме торнадо. Но предварительно рассмотрим задачу стакана с чаем. Почему чаинки собираются не в центре и не на периферии стакана, а на какой-то окружности вокруг центра? Ведь вода в стакане является вращающимся объектом, к которому применимо правило прецессии. Применяя же его мы выясним, что скорость вращения элементарных вихрей увеличивается в направлении центра. Но масса чаинок больше массы элементарных вихрей воды. Поэтому начинает работать логика центробежных механизмов. И чаинки располагаются на таком радиусе, на котором величина центробежной силы (определяемая их массой) не сравняется с величиной центростремительной силы, создаваемой вращением воды.

После создания глаза урагана мы имеем два объекта: кольцевой «хобот» и кольцевую же периферию бывшего торнадо. Нас интересует периферия торнадо, к которой применима логика стакана с чаем. При стремлению к кольцевому «хоботу» элементарные вихри увеличивают скорость своего вращения. Элементарные вихри имеют соответствующую массу, которая создаёт центробежную силу превышающую величину центростремительной силы. Но для элементарных вихрей отсутствует свобода действий и они не могут покинуть спираль, по которой они двигаются в направлении «хобота». В правильном торнадо наступление этого момента (равенства центростремительной и центробежной силы для элементарных вихрей) по правилу прецессии формирует противодействующую силу, заставляющую элементарные вихри переходить с основания периферии в его хобот. В кольцевом торнадо наступление этого момента создаёт дополнительный кольцевой хобот.