Реферат : Торнадо
Во всем мире и во все века возникали смерчи – удивительные физические явления, когда из грозовой тучи вниз спускается бешено вращающаяся воронка длиной 1-2 км и диаметром 50-100 м. Достигнув Земли, смерч с ревом и грохотом уничтожает все на своем пути, причем способен пройти за 5-7 часов путь длиной 500 км, порой увеличиваясь в диаметре и оставляя полосу разрушений шириной 2 км. Самый страшный “смерч Трех Штатов” 1925 г. в Америке унес почти 700 жизней и ранил более 2000 человек. В США регистрируют ежегодно около 1500 смерчей, в том числе и над морем, в остальных странах меньше, но все равно десятки и сотни. Разрушительные смерчи возникали и в России. Особенно памятны московский смерч 1904 г. и ивановский смерч 1984 г., которые причинили огромные беды и разрушения в Центральной России.
При знакомстве с литературой, описывающей смерчи, становится ясно, что физическая природа смерча совершенно не исследована, нет ответа на вопросы, почему он устойчив, откуда черпает свою энергию, почему он способен, например, полностью уничтожить в саду целый ряд яблонь и оставить висеть нетронутыми яблоки на яблонях соседнего ряда и т.д. Не было среди исследователей согласия даже в вопросе о скорости ветра в смерче: косвенные свидетельства, такие как воткнутые в бревна и щепки соломинки, говорили о сверхзвуковых скоростях, а прямые локационные измерения давали однозначный результат – даже для сильных смерчей скорость равна 300 км/час.
[sms]
В результате к началу 80-х годов был сделан вывод, что скорость ветра в смерчах вообще не может превосходить 500 км/ч, т.е. в три раза меньше тех скоростей, которые приписывались смерчу ранее.
По мнению В.В.Кушина, смерч – это не ветер, а скрученный в тонкостенную трубу “хобот” дождя, который вращается вокруг оси со скоростью 300-500 км/ч. За счет центробежных сил внутри трубы создается разряжение, и давление падает до 0,3 атм. Если стенка “хобота” воронки рвется, наткнувшись на препятствие, то внутрь воронки врывается наружный воздух. Перепад давлений 0,5 атм. разгоняет вторичный воздушный поток до скоростей 330 м/с (1200 км/ч) и более, т.е. до сверхзвуковых скоростей.
Физическая природа смерча так же многолика, как образ Фантомаса. С точки зрения физика-метеоролога – это скрученный дождь, неизвестная ранее форма существования осадков. Для физика-механика – это необычная форма вихря, а именно: двухслойный вихрь с воздушно-водяными стенками и резким различием скоростей и плотностей обоих слоев. Для физика-теплотехника смерч – это гигантская гравитационно-тепловая машина огромной мощности; в ней мощные воздушные потоки создаются и поддерживаются за счет теплоты фазового перехода вода-лед, которая выделяется водой, захваченной смерчем из любого естественного водоема, когда она попадает в верхние слои тропосферы.
Для того, чтобы иметь представление о последствиях смерчей, кратко дадим описание московского смерча 1904 г. и ивановского – 1984 г.
Над восточной частью Москвы 29 июня 1904 г. пронесся сильнейший вихрь. Его путь лежал неподалеку от трех московских обсерваторий: Университетской – в западной части города, Межевого института – в восточной и Сельскохозяйственной академии – в северо-западной, поэтому ценный материал зафиксировали самописцы этих обсерваторий. По карте погоды в 7 ч утра этого дня на востоке и западе Европы располагались области повышенного давления (более 765 мм рт.ст.). Между ними, преимущественно на юге Европейской части России, находился циклон с центром между Новозыбковым (Брянская обл.) и Киевом (751 мм рт.ст.). В 13 ч он углубился до 747 мм рт.ст. и сместился к Новозыбкову, а в 21 ч – к Смоленску (давление в центре упало до 746 мм рт.ст.). Таким образом циклон двигался с ЮЮВ на ССЗ. Около 17 ч, во время прохождения смерча через Москву, город находился на северо-восточном фланге циклона. В последующие дни циклон ушел в Финский залив, где вызвал бури на Балтике. Если остановиться только на этом синоптическом описании, то причина смерча явственно не проступает.
Картина несколько проясняется, если произвести анализ распределения температур и воздушных масс. Теплый фронт шел от центра циклона на Калугу, Заметчино и Пензу, а холодный фронт – от центра циклона на Курск, Харьков, Днепропетровск и далее к югу. Таким образом циклон имел хорошо выраженный теплый сектор с массами теплого влажного воздуха при дневных температурах 28-32оС. Перед теплым фронтом располагался сухой холодный воздух с температурой 15-16оС. В самой фронтальной зоне температура несколько выше. Контраст температур весьма большой. Расчет показывает, что теплый фронт смещался к северу со скоростью 32-35 км/ч. Образование московского смерча произошло перед теплым фронтом, где при участии тропического воздуха всегда создается угроза возникновения сильнейших гроз и шквалов.
В тот день была отмечена сильная грозовая деятельность в четырех районах Московской области: в Серпуховском, Подольском, Московском и Дмитровском, почти на протяжении 200 км. Грозы с градом и бурей наблюдались, кроме того, в Калужской, Тульской и Ярославской областях. Начиная с Серпуховского района, буря превратилась в ураган. Ураган усилился в Подольском районе, где пострадало 48 селений и имелись жертвы. Самые же страшные опустошения принес смерч, возникший к юго-востоку от Москвы в районе деревни Беседы. Ширина грозовой области в южной части Московского района определена в 15 км; здесь буря двигалась с юга на север, а смерч возник в восточной (правой) стороне грозовой полосы.
Смерч на своем пути произвел огромные разрушения. Были уничтожены деревни Рязанцево, Капотня, Чагино; далее ураган налетел на Люблинскую рощу, вырвал с корнем и сломал до 7 га леса, затем разрушил деревни Грайвороново, Карачарово и Хохловку, вступил в восточную часть Москвы, уничтожил Анненгофскую рощу в Лефортово, посаженную еще при царице Анне Иоановне, сорвал крыши домов в Лефортово, прошел в Сокольники, где повалил вековой лес, направился в Лосиноостровскую, где уничтожил 120 га крупного леса, и распался в районе Мытищ. Далее смерча не было, и отмечена только сильная буря. Длина пути смерча – около 40 км, ширина все время колебалась от 100 до 700 м.
По внешнему виду вихрь представлял собой столб, широкий внизу, постепенно сужавшийся в виде конуса и вновь расширявшийся в облаках; в других местах иногда он принимал вид просто черного крутящегося столба. Многие очевидцы принимали его за поднимающийся черный дым от пожара. В тех местах, где смерч проходил через Москва-реку, он захватывал столько воды, что обнажалось русло.
Среди массы поваленных деревьев и общего хаоса местами удалось обнаружить некоторую последовательность: так, вблизи Люблино лежали три правильно расположенные ряда берез: северный ветер повалил нижний ряд, над ним лег второй, сваленный восточным ветром, а верхний ряд упал при южном ветре. Следовательно, это признак вихревого движения. При прохождении смерча с юга на север он захватил этот участок правой стороной, судя по смене ветра, и вращение у него было циклональное, т.е. против часовой стрелки, если смотреть сверху. Вертикальная составляющая вихря была необычайно велика. Сорванные крыши зданий летели в воздухе, как клочья бумаги. Были даже разрушены каменные стены. В Карачарово снесена половина колокольни. Вихрь сопровождался страшным гулом; его разрушительная работа продолжалась от 30 с до 1-2 мин. Треск валившихся деревьев заглушался ревом вихря.
В некоторых местах завихренные движения воздуха отчетливо видны по характеру бурелома, но в большинстве случаев сваленные деревья даже на небольших пространствах лежали во всевозможных направлениях. Картина разрушений московского смерча оказалась очень сложной. Анализ его следов заставил считать, что 29 июня 1904 г. через Москву промчались несколько смерчей. Во всяком случае по характеру разрушений можно отметить существование двух воронок, одна из которых двигалась в направлении Люблино – Рогожская застава – Лефортово – Сокольники – Лосиноостровская-Мытищи, а вторая – Беседы – Грайвороново – Карачарово – Измайлово – Черкизово. Ширина пути обеих воронок была от ста до тысячи метров, но границы путей были четкими. Строения на расстоянии нескольких десятков метров от границ пути оставались нетронутыми.
Сопровождавшие явления также характерны для сильных смерчей. Когда надвигалась воронка, становилось совершенно темно. Темноте сопутствовал страшный шум, рев и свист. Зафиксированы электрические явления необыкновенной интенсивности. Из-за частых разрядов молний погибло два человека, несколько получили ожоги, возникали пожары. В Сокольниках наблюдалась шаровая молния. Дождь и град также имели необыкновенную интенсивность. Градины с куриное яйцо отмечались неоднократно. Отдельные градины имели форму звезды и весили 400-600 г.
Особенно велика разрушительная сила смерчей в садах, парках и лесах. Вот что писал “Московский листок” (1904,№170). У Черкизово “...вдруг черное облако совершенно опустилось на землю и непроницаемой пеленой закрыло митрополичий сад и рощу. Все это сопровождалось страшным шумом и свистом, ударами грома и беспрерывным треском падающего крупного града. Раздался оглушительный удар, и на террасу упала громадная липа. Падение ее было чрезвычайно странно, так как она попала на террасу через окно и толстым концом вперед. Ураган перебросил ее по воздуху на 100 м. Особенно пострадала роща. В три-четыре минуты она превратилась в поляну, сплошь покрытую обломками огромных берез, местами с корнем вырванных из земли и переброшенных на значительные расстояния. Кирпичная ограда кругом рощи разрушена, причем некоторые кирпичи отброшены на несколько сажен”.
Удивительный случай произошел около Мытищ. Крестьянка шла по полю с тремя детьми. Налетел смерч, ее старшего и младшего сыновей отбросило в канаву, где они и спаслись. Третьего мальчика смерч подхватил и унес. Его катило по полю, был страшный шум, он потерял сознание и очнулся в яме, образовавшейся от вывороченной с корнями громадной сосны. Нашли мальчика лишь на следующий день в Сокольниках, на расстоянии нескольких километров от того места, где он был поднят. Он был цел и невридим и лишь испытывал сильную жажду.
Если сопоставить записи самописцев с картой погоды, то можно придти к следующим выводам. Смерч возник при грозе на теплом фронте (перед ним, а может быть, даже на самой линии фронта). Перед фронтом наблюдались восточно-северо-восточные ветры, за фронтом – юго-юговосточные и южные. После грозы и связанного с ней охлаждения воздуха температура повышалась до 23 часов, т.е. даже после захода солнца, после чего началось быстрое падение температуры. Абсолютная влажность после грозы была около 14 мм, а с 23 ч начала падать, достигнув к утру 9 мм, что связано, по-видимому, со вхождением другой массы воздуха. Иначе говоря, после грозы при южных ветрах наблюдалась погода теплого сектора циклона, а в 23 ч прошел холодный фронт, и Москва вступила в зону холодного континентального полярного воздуха. Но в связи со значительным похолоданием после грозы и урагана холодный фронт уже не дал в Москве повторных гроз, хотя последние отмечены с 21 до 22 ч в Бронницком районе области, когда там проходил фронт.
Разрушительными были последствия целого ряда смерчей, пронесшихся летом 1984 г. над центральными областями России. Самым трагическим был ивановский смерч 9 июня 1984 г., но вихри отмечались также в Московской, Ярославской, Костромской, Тверской, Вологодской, Нижегородской и др. областях.
В сводке Гидрометцентра СССР было сказано, что возникновению смерчей предшествовали сильные южные и юго-западные ветры в нижней и средней тропосфере, которые способствовали перемещению далеко к северу теплого влажного воздуха в нижней части тропосферы и сухого холодного воздуха в ее верхней части (выше 2-3 км). Закручивание этих потоков в вихри и породило смерчи. Несмотря на густую сеть метеостанций в центре России, где свирепствовали смерчи, ни одна из них инструментально не зафиксировала прохождение смерчей. Данные метеостанций соответствовали грозовой обстановке со шквалами и градом. Поэтому перемещение смерчей пришлось воссоздавать по показаниям очевидцев, следам разрушений, другим косвенным признакам.
Ивановский смерч возник в 15 км южнее областного центра и прошел зигзагообразно около 100 км через леса, поля, пригород г.Иваново, далее вышел к Волге, обошел г.Волгореченск, уничтожил турбазу Лунево и затих в лесном массиве вблизи Костромы. Только в Ивановской области существенно пострадали 680 жилых домов, 200 объектов промышленного и сельского хозяйства, 20 школ, детские сады, леса. Без крова остались 416 семейств, разрушено 500 садово-дачных строений. Первый удар смерч нанес по дачному кооперативу “Южный”. Более 20 человек погибли, многие получили ранения. Из 200 дачных домиков пострадали 130. Деревья вырвало с корнем или поломало. В комки металла были превращены многие автомобили. Один из дачников в этот день после обеда увидел вдалеке, километрах в десяти, высокий темный столб, который подпер грозовую тучу, а левее и подальше – еще один, посветлее первого. Через 1-2 минуты светлый столб исчез, темный же с огненными проблесками внутри, стремительно приблизился к дачному поселку. Ветер играючи гнул толстые деревья и срывал с них листву. Пляска деревьев и кустов, реактивный рев ветра в надвинувшихся средь бела дня сумерках завораживали. Теплица на его участке качнулась, сильно накренилась, но в следующую секунду стала на место и наступила тишина. Дачник подумал, что пронесло. Но эта тишина совершенно не соответствовала тому, что творилось за окном: ураган валил деревья, летели сучья, доски, но не было слышно ни звука. В следующую секунду теплица вдруг подпрыгнула и улетела, как газета на ветру. Когда дачник очнулся, он увидел, что его нового дачного домика как не бывало, левая рука была в крови, но боли он не ощущал. На месте домика была куча жалких остатков. Но самое поразительное было то, что он находился в 10-15 м от домика. “Жигули” дачника лежали смятые и погнутые в канаве. Но самое удивительное было то, что на клумбе росли два пиона: красный и белый. От красного не осталось и следа, а на белом смерч не тронул ни лепестка. Стол с инструментом бесследно исчез, а стоявший рядом ящик с гвоздями остался.
Были и другие курьезные случаи. Одна из дачниц того же поселка, услышав гром и гул, забралась в подпол. Когда все стихло, она выбралась и увидела, что в доме нет крыши, двух стен и никакой мебели. Зато в углу стоит холодильник, которого у нее “отродясь не было”. У другой дачницы смерч унес крышу и полдома, мебель была унесена почти вся, а вот шифоньер остался. Она обрадовалась, что хоть одежда сохранилась. Открывает шифоньер, а он полон битого шифера. У дачника во время смерча улетели из кармана документы. Их прислали ему из Костромской области. В г.Иваново смерч обрушился на район Балино. Он крушил дома, переворачивал троллейбусы и автобусы, ломал столбы и деревья, перевернул подъемный кран весом 350 т, превратив его в груду металлолома; затем смерч обрушился на старое кладбище, на котором в связи с субботним днем было много народа. Налетел огромный расширяющийся кверху коричнево-серый столб дождя и ветра. Над головами ревело, трещало, визжало, падало. Смерч разбросал людей в разные стороны. Это продолжалось полторы-две минуты. Когда смерч передвинулся, все было неузнаваемо: разрушенные могилы, поваленные или унесенные кресты и памятники, сметенные сады, вывернутые с корнем деревья, груды искореженного металла, а то немногое, что осталось, было залеплено серой грязью. Кладбищенский лес почти весь лежал на земле. Здесь надо отметить одно обстоятельство, которое имеет какое-то “потустороннее” происхождение. Все раненые и пострадавшие отмечали, что боль от ран, нанесенных смерчем, была несоизмеримо мала по сравнению с тяжестью ранений, и заживление ран происходило быстро и без осложнений. Но самым удивительным было то, что мелкие предметы: щепки, ветки, соломинки, песчинки наносили тяжкие повреждения, проникая в человеческие тела на глубину до 5 см.
Исследуя следы смерча в районе турбазы “Лунево”, А.М.Лукьяненко – житель г.Волгореченска, сделал интересное наблюдение. По заметил, что смерч двигался скачками длиной 1-2 км и оставлял после своего соприкосновения с землей площадки разрушений диаметром 500-1000 м. Эти площадки имели характерную форму. В центре площадки имелось центральное ядро диаметром 300-400 м, почти круглой формы, которое было хаотически завалено переломанными соснами. По периферии некоторых таких площадок смерч оставлял еще по несколько просек-коридоров длиной 300-400 м и шириной 50 м, которые направлены почти по касательной к окружности ядра. Здесь сосны повалены вдоль просек к ядру площадки. Судя по этим следам, воронка смерча диаметром 1 км опустилась на лес, ее нижняя кромка наткнулась на сосны и порвалась на пять кусков. Каждый из кусков под действием перепада давления внутри воронки и вне ее, сил инерции и сил торможения двигался по сворачивающейся спирали, прорубив в лесу 5 коридоров, обрывки воронки смешивались вблизи центра смерча и образовывали хаос из переломанных деревьев. По-видимому, образовывалось несколько воронок.
Ивановский смерч 1984 г. еще раз показал, что среди исследователей нет согласия не только в вопросе о скорости вращения воронки, но и о степени разряжения в ней. Почти все утверждают, что в воронке существует значительное разряжение вплоть до 0,3-0,6 от атмосферного давления, и поэтому смерч всасывает в себя подобно пылесосу все, что его окружает. Однако, многие возражают против этого. Основания для таких сомнений дает удивительное явление, которое очень часто сопровождает смерчи. Оно получило название “каскад”.
Каскад представляет собой облако или столб пыли водяных брызг у основания воронки смерчей. Он напоминает речные каскады, особенно когда состоит из пыли и обломков зданий. Первоначально название “каскад” было дано тем массам брызг, которые поднимаются вверх, иногда на высоту в несколько десятков метров, когда смерч касается поверхности акватории. Падая обратно в водоем, они действительно напоминают настоящие речные каскады. Позже это название было распространено на наземные смерчи, которые, касаясь поверхности земли, поднимают вверх массы пыли, сухих листьев и мелких обломков. Падая вниз, они похожи на настоящие каскады.
Каскад образуется почти каждым смерчем и представляет собой весьма частое явление. Тем не менее причина его не разгадана. Дело в том, что каскад создается восходящими потоками воздуха, которые идут вне воронки смерча. Изучение их, как впрочем и всего, что связано с телом смерча, исключительно трудно и просто опасно. Пока приходится ограничиваться только их описанием.
У известных смерчей в Небраске 1955 г. ширина одного каскада достигала 1100 м, высота – 260 м, а ширина воронки – всего 70 м. Ширина другого каскада была громадна – 1700 м, а воронки – лишь 220 м. Подобной ширины каскад достигает редко. Каскад у водяного смерча на реке Янцзы, недалеко от Шанхая, отличался очень большой высотой – несколько сот метров при небольшой ширине. Он сужался у основания, а вверху расширялся, и вода падала обратно в реку. Сама воронка была длинной, узкой, столбообразной. При образовании таких высоких и узких каскадов вокруг воронки возникают дополнительные вихри, поднимающие брызги.
Спрашивается, о каком же разряжении внутри смерча может идти речь, если он не только не всасывает, но наоборот, отбрасывает от себя пыль, брызги и более крупные предметы?
До сих пор смерч не спешит раскрывать и другие свои тайны. Так, нет ответов на многие вопросы. Что представляет собой воронка смерча? Что придает ее стенкам сильное вращение и огромную разрушительную силу? Почему смерч устойчив?
Исследовать смерч не просто трудно, но и опасно – при непосредственном контакте он уничтожает не только измерительную аппаратуру, но и наблюдателя.
Сопоставляя описания смерчей (торнадо) прошлого и нынешнего столетий в России и других странах, которые мы из-за экономии места и времени в большинстве своем здесь не приводим, можно видеть, что они развиваются и живут по одинаковым законам, но эти законы до конца не выяснены и поведение смерча кажется непредсказуемым.
Во время прохождения смерчей естественно все прячутся, бегут, и людям не до наблюдений, а тем более измерений параметров смерчей. То немногое о внутреннем строении воронки, что удалось узнать, связано с тем, что смерч, отрываясь от земли, проходил над головами людей, и тогда можно было видеть, что смерч представляет собой огромный пустотелый цилиндр, ярко освещенный внутри блеском молний. Изнутри раздается оглушительный рев и жужжание. Считается, что скорость ветра в стенках смерча доходит до звуковой.
Немногочисленные статистические данные, которые известны о смерчах, сведены в табл. 5.
Ориентировочные параметры смерчей
Таблица 5
Измеряемая величина
Минимальное значение
Максимальное значение
Высота видимой части смерча
10-100 м
1,5-2 км
Диаметр у земли
1-10 м
1,5-2 км
Диаметр у облака
1 км
1,5-2 км
Линейная скорость стенок
20-30 м/с
100-300 м/с
Толщина стенок
3 м
-
Пиковая мощность за 100 с
30 ГВт
-
Длительность существования
1-10 мин
5 час.
Путь
10-100 м
500 км
Площадь разрушения
10-100 м2
400 км2
Максимальная масса поднятых предметов
-
300 т
Скорость перемещения
0
150 км/ч
Давление внутри смерча
< 0,4-0,5 атм
-
Теория смерча была разработана на основании достоверного утверждения, что воронка смерча всегда приходит на землю сверху, а “ослабев”, вновь поднимается наверх. Значит вес воронки должен быть больше веса вытесненного ею воздуха, т.е. по закону Архимеда она будет “падать”. Тяжелее воздуха в атмосфере может быть только воздух, насыщенный водой и/или льдом. Поэтому правдоподобным будет предположение, что воронка смерча представляет собой вращающийся поток дождя и града, свернутый в спираль в виде относительно тонкой стенки. Содержание воды в стенках воронки должно по массе во много раз превосходить содержание там воздуха. Если плотность сухого воздуха составляет 1,3-1,4 кг/м3, то плотность воздуха, содержащего воду и лед внутри стенок смерча, может составлять 50 и более кг/м3.
Если воронка смерча обладает массивными стенками, то их вращение должно приводить к расширению воронки и понижению давления воздуха внутри нее из-за действия центробежных сил. Расширение воронки происходит до тех пор, пока перепад давления снаружи и внутри не уравновесит действия центробежных сил. Если выделить из стенки площадку S, то снаружи на нее будет действовать сила D pЧ S. Равновесие с центробежными силами наступит при условии: D pЧ S=mv2/R, где m – масса, приходящаяся на единицу площади стенки; v – скорость стенки; R – радиус воронки.
Приведенное, почти очевидное, условие равновесия стенки воронки приводит к ряду прямых следствий, которые естественно объясняют многие свойства смерчей.
Рассчитаем параметры смерча средней силы. Пусть он имеет диаметр 200 м, высоту Н=2 км, перепад давления D p=0,5 атм. и скорость вращения стенки 145 м/с. Определим массу, приходящуюся на единицу площади стенки m : m =r стЧ D lст . Плотность стенки можно считать примерно равной 50 кг/м3, эта плотность обеспечивает устойчивость стенок при заданном перепаде давления снаружи и внутри воронки. При толщине стенки 5 м m =250 кг/м2. Общая масса стенки смерча составит 300 тыс.т. Эта масса, вращаясь с заданной скоростью, обладает кинетической энергией W = Mv2/2 = 4,4Ч 1012 Дж. При вращении смерч теряет энергию на трение об окружающий воздух. Сила трения Fтр.и мощность потерь Nтр. выразятся известными соотношениями:
Fтр.= h Ч S(v/d); Nтр.= Fтр.Ч v,
где h =1,7Ч 10-5 кг/(мЧ с) – коэффициент вязкости воздуха; S – площадь соприкосновения слоев (в нашем случае S=6,28Ч 105 м2); D v/D d – градиент скорости. Как отмечалось выше, на расстоянии 1-2 м от стенки смерча ветра не ощущается. Поэтому, приняв D d=1 м и D v=150 м/с, получим D v/D d =150 с-1, и мощность потерь составит Nтр.= 225 кВт. За одинчас потери на трение составят 0,8Ч 108 Дж. Видно, что по сравнению с запасенной в стенках энергией эти потери ничтожны, и поэтому трение, по существу, не оказывает влияния на время жизни смерча, которое определяется иными энергетическими потерями. В частности, при опускании смерча вниз всего на 1 м/с он потеряет на образование каскада 2,2Ч 109 Дж. и время его жизни без внешней подпитки составит 10-20 мин.
У смерчей, которые рождаются в море или идут по песку и пыли, условия для образования каскада особенно благоприятны, и поэтому они быстро расходуют свою энергию.
Рассмотрим поведение любого предмета, который попал в стенку воронки. Стенка увлекает предмет, и он, приобретая скорость v, начинает вращаться вместе со стенкой вокруг оси смерча по окружности радиусом R. Чтобы оно в дальнейшем осталось на этом радиусе, центробежные силы должны быть уравновешены перепадом давления в стенке. Для простоты рассмотрим тело площадью D S, толщиной D d и плотностью r т. Тогда центробежная сила Fц выразится соотношением: Fц =(D SD dr тv2т)/R.
Определим перепад давления D р в слое толщиной D d. Если толщина стенки воронки D l и плотность стенки r ст, то полный перепад давления на стенке толщиной D l составит D рст =(D SD lr стv2ст)/R. Поэтому перепад давления на толщине предмета D d составит D рd = D рст (D d/D l). Приравнивая Fц и D рd, получаем очевидное соотношение: r т v2т=r ст v2ст.
Видно, что легкие тела, такие как пушинки, соломинки остаются внутри воздушного вихревого слоя смерча и достигают самых больших скоростей вплоть до звуковых. Более плотные предметы – ткани, бумага, пустые легкие замкнутые объемы с промежуточными значениями средних плотностей, уже при сравнительно малых скоростях перемещаются внутрь плотной стенки воронки, достигают там скоростей, равных линейной скорости стенки. Если плотность тела меньше плотности стенки, то тело так и остается в стенке и не покидает смерча, перемещаясь вместе с ним на большие расстояния. Если тело имеет высокую плотность r т>r ст, то оно может остаться в смерче только до достижения некоторой скорости vкр, которая выражается соотношением: .
Например, в смерче с вышеописанными параметрами, у которого плотность стенки составляет 50 кг/м2, а v=150 м/с, камни плотностью 2500 кг/м3 могут достичь скорости не более 22 м/с, животные, люди, у которых плотность равна 1000 кг/м3 – не более 30 м/с. До достижения этих скоростей тела вращаются вместе со стенкой воронки и как бы плывут на ее внутренней поверхности, погружаясь по мере роста скорости вглубь воронки.
Смерч может всосать и поднять ввысь большую порцию снега, песка и др. Как только скорость снежинок или песчинок достигает критического значения, они будут выброшены через стенку наружу и могут образовать вокруг смерча своеобразный футляр или чехол. Характерной особенностью этого футляра-чехла является то, что расстояние от него до стенки смерча по всей высоте примерно одинаково: оно определяется скоростью, которая у всех частиц с одинаковой плотностью оказывается одинаковой. Важный частный случай, когда плотность тела, попавшего в смерч, близка к плотности стенки воронки. В этом случае равновесная скорость для тела совпадает со скоростью стенки. Если тело попадает на внутреннюю поверхность стенки, то на него действует воздушный вихрь, вращающийся внутри воронки, скорость тела возрастает и станет больше равновесной. Тело сместится к внешней поверхности стенки. Здесь под действием трения о внешний воздух тело затормозится, скорость станет меньше равновесной, и тело вновь сместится к внутренней поверхности стенки. Поэтому тела с плотностью стенки оказываются устойчивыми внутри стенок. Таким образом внешний и внутренний поверхностные слои оказываются в совершенно необычных условиях, при которых на них непрерывно действуют силы, стремящиеся убрать их с поверхности и “заглубить” внутрь стенки, т.е. силы, которые по своим свойствам напоминают силы поверхностного натяжения. Эти силы придают стенкам смерча повышенную устойчивость к возмущениям, делают их однородными по плотности, гладкими, четко ограниченными.
Мы рассмотрели кинематические и динамические свойства воронки смерча. Было установлено, что воронка является достаточно устойчивым образованием, она может существовать долго, проходить большие расстояния, лишь бы в нее в достаточном количестве поступал сверху вращающийся поток дождя. По сути дела, воронка – это особый вид осадков из грозовой тучи. Поэтому проблема происхождения воронки и существования смерча обусловливается процессами в верхних слоях тропосферы: именно там определяется, хлынет ли из тучи просто сильный дождь или этот дождь свернется в воронку и будет сам себя поддерживать, т.к. воронка засасывает в себя большие массы влажного воздуха и забрасывает их в верхние слои. Эти массы воды могут оказать решающее влияние на дальнейшую судьбу смерча.
Рассмотрим в первом приближении процессы, возникающие в грозовых облаках. Обильная влага, попадающая в облако из нижних слоев, выделяет много тепла, и облако становится неустойчивым. В нем возникают стремительные восходящие потоки теплого воздуха, которые выносят массы влаги на высоту 12-15 км, и столь же стремительные холодные нисходящие потоки, которые обрушиваются вниз под тяжестью образовавшихся масс дождя и града, сильно охлажденных в верхних слоях тропосферы. Мощность этих потоков особенно велика из-за того, что одновременно возникают два потока: восходящий и нисходящий. С одной стороны, они не испытывают сопротивления окружающей среды, т.к. объем воздуха, идущего вверх, равен объему воздуха, уходящего вниз. С другой стороны, затраты энергии потоком на подъем воды вверх полностью восполняется при падении ее вниз. Поэтому потоки имеют возможность разгонять себя до огромных скоростей (100 м/с и более).
В последние годы была выявлена еще одна возможность подъема больших масс воды в верхние слои тропосферы. Часто при столкновении воздушных масс происходит образование вихрей, которые за свои относительно небольшие размеры получили название мезоциклонов. Мезоциклон захватывает слой воздуха на высоте от 1-2 км до 8-10 км, имеет диаметр 8-10 км и вращается вокруг вертикальной оси со скоростью 40-50 м/с. Существование мезоциклонов установлено достоверно, структура их исследована достаточно подробно. Обнаружено, что в мезоциклонах на оси возникает мощная тяга, которая выбрасывает воздух на высоты до 8-10 км и выше. Наблюдателями было обнаружено, что именно в мезоциклоне иногда зарождается смерч.
Наиболее благоприятная обстановка для зарождения воронки выполняется при выполнении трех условий. Во-первых, мезоциклон должен быть образован из холодных сухих масс воздуха. В этом случае по его высоте возникает особенно большой температурный градиент, близкий к адиабатическому значению. Во-вторых, мезоциклон должен выйти в район, где в приземном слое толщиной 1-2 км скопилось много влаги при высокой температуре воздуха 25-35оС, т.е. создано состояние неустойчивости приземного слоя, готового к образованию ячеек с восходящими и нисходящими потоками. Проходя над этими районами, за короткое время мезоциклон засасывает в себя влагу с больших пространств и забрасывает ее на высоту 10-15 км. Температура внутри мезоциклона по всей высоте скачком повышается за счет принесенного влагой тепла, накопленного не только насыщенным паром, но и водяными каплями. Третье условие – это выбрасывание масс дождя и града. Выполнение этого условия приводит к уменьшению диаметра потока от первоначального значения 5-10 км до 1-2 км и увеличению скорости от 30-40 м/с в верхней части мезоциклона до 100-120 м/с – в нижней части.
[/sms]
