Вихри Бенара в природе (СИ) - Букреев Василий Семёнович - Страница 5

Рисунок 1

без всякого сомнения является вихрем Бенара. Ведь как и положено для вихря Бенара у него существуют два направления вращения. Воздух, поднимающийся вверх, охлаждается Но вихрь над склоном и в подмётки не годится для торнадо. В торнадо хобот имеет как большую осевую скорость движения, так и большую скорость вращения. Вихрь над склоном имеет существенно меньшие величины этих параметров. Торнадо создаёт превышение центростремительной силы над силой центробежной. В вихре над склоном холма величина центробежной силы напротив больше величины центростремительной силы. И вихрь над склоном существует благодаря благодеянию тёплого пятна на склоне. Исчезло тёплое пятно и центробежная сила разрушила вихрь. Точно так же и в трубке Ранка вихрь Бенара является полноценным вихрем Бенара (мини торнадо) в диапазоне 5-9 атм. Вне этого диапазона можно создать вихрь Бенара, но это всего лишь пародия на полноценное мини торнадо, в которой величина центробежной силы больше величины центростремительной силы.

Но гипотетический вихрь Бенара над склоном холма под действием центробежной силы расширяться может только до тех пор, пока величина центростремительной силы не сравняется с величиной центробежной силы. Т.е. если в полноценных мини торнадо величина центростремительной силы больше величины центробежной силы, а в вихре над склоном величина центробежной силы больше величины центростремительной силы, то в циклонах и антициклонах средних широт величина центростремительной силы равна величине центробежной силы.

Таким образом, вихрь Бенара имеет 3 состояния. Условимся называть первое состояние торнадо или мини торнадо; второе состояние назовём состоянием вихря над склоном холма; третье состояние назовём состоянием циклона. При этом в первом состоянии величина центростремительной силы ВСЕГДА больше величины центробежной силы. Во втором состоянии величина центробежной силы ВСЕГДА больше величины центростремительной силы. В третьем состоянии величина центростремительной силы ВСЕГДА равна величине центробежной силы.

Естественно, что в связи с размерами «хобота» циклона средних широт и осевая скорость движения, и скорость вращения в «хоботе» практически незаметны. А тем не менее, в связи с величиной «хобота» велико суммарное количество движения в нём. А т. к. величина центробежной силы в циклоне равна величине центростремительной силы, то на периферии циклона велики и скорость осевого движения, и скорость вращения. Т.к. тропические циклоны возникают на глобальных океанских течениях, текущих с востока на запад, то на начальном участке своей траектории движения тропические циклоны также двигаются с востока на запад. Сила же Кориолиса поворачивает их в северном полушарии вправо, что и определяет траекторию их движения. Циклоны же средних широт от глобальных океанских течений никак не зависят. Поэтому и двигаются они с запада на восток, под действием силы Кориолиса поворачиваясь вправо.

Таким образом, циклон является растянутым по горизонтали вихрем Бенара с массивным «хоботом» и тонкой периферией, формируемым на границе между тёплым и холодным фронтами. Облачность в начальной стадии формирования молодого циклона приобретает спиралевидный вид с вращающимися облаками (рисунок с комментариями взят из «Атлас облаков» / Федер. служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет), Гл. геофиз. Обсерватория им. А.И. Воейкова ; [Д. П. Беспалов и др. ; ред.: Л. К. Сурыгина]. Санкт-Петербург : Д’АРТ, 2011. – 248 с.)

[img]http://i9.pixs.ru/storage/6/3/3/Molodoycik_8875639_25221633.jpg[/img]

Рисунок 2

«Облачный вихрь молодого циклона состоит из двух спиралевидных облачных полос теплого и холодного фронтов, разделенных безоблачной прослойкой. На юго-восточной периферии циклона прослеживается облачный вихрь вторичного (частного) циклона, облачные спирали которого состоят из массива кучево-дождевых облаков.» Из этого же источника взята и следующая цитата. «Наблюдения за облачностью свидетельствуют, что принесенное в антициклон облако под влиянием нисходящих движений начинает медленно опускаться и рассеиваться.» А она свидетельствует о том, что антициклон является перевёрнутым вихрем Бенара, т.е. поставленным на попа.

Условиям вихря над склоном удовлетворяет движение среды по трубопроводам. Поэтому в трубопроводах возможно формирование последовательности вихрей Бенара второго состояния (т. е. подобным вихрям на склоне). Но при выходе из трубопровода вихри Бенара второго состояния разрушаются, практически не имея значимого преимущества по дальности по сравнению с ламинарным течением. Вихри же мини торнадо при выходе из трубопровода свою форму сохраняют на значительном расстоянии, что увеличивает дальность полёта струи по сравнению с ламинарным течением в трубопроводе.

2.8

Отдельным природным явлением являются грозы. Грозовые тучи в своём составе порождают одну, редко две или три ячейки (вихри) Бенара. Вихри Бенара грозовой тучи относятся к вихрям второго состояния. Но в отличие от вихря над склоном вихри грозовой тучи не испытывают недостатка влаги. И влагу из тучи они поглощают всей своей внешней поверхностью, а не только основанием. Поэтому вихри грозовой тучи не имеют пространственных ограничений. Ограничение на вихрь накладывает количество влаги, содержащейся в туче. И вихрь грозовой тучи увеличивает как свой диаметр, так и свою высоту. Вспомним о том, что вихрь Бенара в любом состоянии в любом сечении любого потока должен содержать одну и ту же величины массы среды.

Рассмотрим случай, в котором туча содержит очень большие запасы влаги, что соответствует аллее торнадо в США. Конденсация влаги поставляет вихрю энергию, за счёт которой вихрь увеличивает размеры. Т.е. каждый горизонтальный слой по всей высоте вихря содержит большую массу среды. Эта дополнительная масса обязана откуда-то появиться. Появляется же она за счёт того, что основание вихря сосёт массу из окружающей его атмосферы. А грозовые тучи всё же находятся на какой-то высоте, на которой атмосферное давление ниже, чем на поверхности земли. Основание вихря, высасывая воздух из окружающей атмосферы, переводит её в состояние, соответствующее большей высоте. Чтобы привести состояние атмосферы в равновесное состояние, природа должна опустить основание вихря ниже, приближая его к поверхности земли. И вихрь, обеспечивая возможность для дальнейшего роста, устремляется к земле.

[img]http://i12.pixs.ru/storage/6/4/5/superyache_5540014_25221645.jpg[/img]

Рисунок 2

И как только вихрь достигает поверхности земли, он преобразуется в торнадо.

[img]http://i11.pixs.ru/storage/6/4/9/tornadojpg_6363834_25221649.jpg[/img]

Рисунок 3

В интернете полно рисунков торнадо. Но на этом рисунке видно, что площадь хобота существенно меньше площади периферии (о чём свидетельствует пыль, поднятая воздухом, двигающимся в основании от периферии к центру). Если же для формирования торнадо влаги недостаточно, то грозовая туча только погрозит пальчиками молний и успокоится.

Но откуда же в атмосфере появляется влага? На побережье морей и океанов влагу суше поставляют бризы и муссоны. Но есть ещё и такое явление как пассаты и ячейки Хедли (Гадлея) и Ферреля.

[img]http://i9.pixs.ru/storage/6/6/5/passatiAtl_5624852_25221665.jpg[/img]

Рисунок 4

Формируемые океанами пассаты своё влияние распространяют и на материки. И если в приповерхностном слое движение воздуха идёт в одном направлении (как в ячейках Хедли, так и в ячейках Ферреля), то на высоте движение идёт в противоположном направлении (как это и показано на рисунке). Конечно же идеальная картина ячеек нарушается наличием циклонов и антициклонов. Тем не менее, морская и океанская влага движением воздуха в ячейках выносится на сушу. К тому же воздух, двигающийся в ячейках на высоте, для морей и океанов является сухим. Попадая же на сушу сухой океанский воздух становится для неё влажным. Приповерхностное движение воздуха доставляет влагу суше непосредственно, формируя облачность, поставляющая осадки. Кстати, если облака заблудились и из циклона попадают в антициклон, то влага из облаков опускается вниз, повышая влажность в антициклоне. Высотное движение в ячейках повышает поверхностную влагу в антициклонах.