Небесные сполохи и земные заботы.

Алексеева Лилия Михайловна

Как устроен "изнутри" такой вихрь? О чем говорит его странная избирательность — оставлять некоторые предметы нетронутыми посреди разрушений? Козьма Прутков правильно понял: "…Храню, разрушая". Откуда удивительное умение смерчей и ураганов вгонять продолговатые предметы во что угодно: соломинки — в твердые комья глины, палки — в толстые стволы деревьев и т. д. Очень своеобразны эти атмосферные вихри…

Вообще в природе вихри возникают во множестве. Они появляются в той части потоков, где скорость быстро меняется в поперечном к потоку направлении; каждому приходилось видеть вихри в быстрой реке на переходе от быстрины к замедленному течению у берега.

Целая цепочка вихрей может тянуться за движущимся предметом, скажем автомобилем. Их особенно удобно наблюдать

на шоссе в метельные дни, когда машина обдувается крепким встречным ветром, а хлопья снега "проявляют" движение прозрачного воздуха. Такие же вихри появляются при обтекании препятствий. Часто вихри дробятся и множатся и, став маленькими, теряют свою скорость из-за действия сил вязкости и исчезают:

От крупных вихрей — малые, Что кормятся их скоростью, От маленьких — мельчайшие, И далее — до вязкости, —

писал об этом процессе математик Л. Ф. Ричардсон (1881–1953), переиначив строки рапсодии Джонатана Свифта (1667–1745) "О поэзии":

Натуралисты знают, Что маленькие блохи крупных блох кусают, А их терзают меньшие, И так до бесконечности.

Но бывает, что вихри сливаются друг с другом. Можно создать одиночные вихри, обладающие поразительной целостностью, устойчивостью, живучестью. Например, вихревые кольца, которые умеют выпускать некоторые курильщики, летят высоко под потолок, тогда как просто дым от папиросы, едва поднявшись, разбивается на струйки, перемешивается с воздухом и расплывается. Американский физик, виртуоз-экспериментатор Р. Вуд показывал своим студентам опыты, при которых большие вихревые кольца пересекали просторную аудиторию и со стуком ударялись об ее стену.

Понять все эти вихри нелегко. Современная математика не может пока описать зарождение одиночного вихря даже в более простой, чем воздух, среде — несжимаемой жидкости. До сих пор не решена задача о возникновении водоворота, который получается при сливе жидкости через отверстие в дне сосуда: слишком сложными оказываются уравнения и слишком мною величин в них "завязано". Наши знания этих вихрей основаны в основном на наблюдениях. Главное в вихре — то, что он вращается. Почему же и в какую сторону вращается водоворот?

Популярную литературу обошло утверждение, что появление водоворота обусловлено вращением Земли. Но тогда он должен вести себя, как циклон, и вращаться в Северном полушарии против часовой стрелки, а в Южном по часовой. Водоворот, который всегда вращался в "циклоническую" сторону, наблюдали сотрудники полярной станции, дрейфовавшей на льдине в Арктике. Весной им приходилось регулярно сверлить дырку в своей льдине, чтобы слить воду, мешавшую садиться самолетам на их ледовый аэродром. Стекаясь в одну точку с большой площади, вода создавала мощный, ревущий водоворот. это зрелище было развлечением всех сотрудников станции. Другое дело на экваторе. Его можно отнести как к Северному, так и к Южному полушарию. Водоворот доложен здесь вращаться одновременно и против, и по часовой стрелке. Единственный способ, каким можно выйти из этого положения, — это не вращаться вообще. Ведь известно, что мощные атмосферные вихри не возникают в узкой полосе широт по обе стороны от экватора! Выходит, по той же самой причине на экваторе не должен возникать водоворот. Однако в умывальниках и ваннах Экваториальной Африки вода закручивается в стоке не хуже, чем на средних широтах. Это говорит о том, что вращение Земли в данном случае ни при чем.

По-видимому, дело здесь в том, что с самого начала вода случайно оказывается чуть-чуть закрученной и что отверстие в дне сосуда не строго симметрично. Когда в опытах использовали очень симметричный сосуд и давали воде в нем как следует отстояться (успокоиться), прежде чем ее начинали спускать, водоворот не появлялся. Заметим, кстати, что

циклоны так же несимметричны. Всем известны фотографии циклонов, сделанные сверху — с борта спутника или со специальных укрепленных самолетов метеослужбы. На них видны облачные рукава циклона, которые делают его похожим на спиральную галактику. Не вполне ясно, обладает ли такой структурой антициклон. Его фотографии не так выразительны, как изображения циклонов: осадки в нем редки, поэтому антициклон прозрачен и труднее различим.

Вообще физически ясно, что вращение Земли должны "ощущать" лишь те вихри, в которых движение вещества в горизонтальной плоскости довольно медленное. Иначе, двигаясь к центру или от центра вихря, вещество просто "не успевает заметить", что Земля вращается, и направление вращения вихря будет определяться конкретными условиями в самом вихре. Что это за условия, мы пока не знаем. Недаром в своих популярных статьях известный советский специалист по физике элементарных частиц Я. А. Смородинский замечает, что частицы появляются и исчезают, подобно вихрям на воде. "Но кто знает, откуда берутся вихри?" — спрашивает он.

По-видимому, именно неизученность внутренних свойств вихря приводит к тому, что метеорологи знают, может ли в данной ситуации появиться циклон, но не знают, появится ли он. Так, лишь 10 процентов образовавшихся в тропиках областей пониженного давления развиваются в ураганы, остальные бесследно исчезают. Какие именно из них разовьются, предсказать пока нельзя.

Поэтому людям приходится сейчас рассчитывать только на службу предупреждения, которая оповещает о приближении уже сложившихся вихрей. Выгоды, которые она приносит, давая прогнозы для авиации, водного транспорта, сельского хозяйства, промышленности, несомненно велики, хотя и не всегда поддаются точному учету. Но самое главное, на ее счету тысячи и тысячи спасенных человеческих жизней.

Наблюдения из космоса помогают службе оповещения практически со времени появления первых спутников. Еще в 1962 году благодаря спутнику "Тайрос-3" было вовремя обнаружено зарождение урагана "Карла". 500 тысяч человек удалось заблаговременно эвакуировать из угрожаемых районов, и число жертв оказалось гораздо меньшим, чем могло бы быть. Как говорят метеорологи, погода не знает границ, и это заставляет ее исследователей всячески стремиться к международному сотрудничеству. Достижение на этому пути — создание телевизионной системы автоматической передачи изображений. Она дает возможность каждой стране с помощью довольно несложного оборудования получать телеснимки со спутников независимо от их государственной принадлежности, что сильно облегчает работу метеорологов. По всему миру действуют сейчас многие сотни тысяч таких станций.

В последнее время выяснилось, что наблюдение за самим космосом также имеет прямое отношение к предсказанию погоды. Уже говорилось, что между разреженной плазмой магнитосферы и нейтральной атмосферой Земли находится проводящий слой — ионосфера. За ней ведутся наблюдения с помощью радиолокатора. Подобно тому как аэродромный радиолокатор "видит" самолет благодаря различию электропроводящих свойств металла и воздуха, локатор, следящий за ионосферой, отмечает всякое различие в количестве заряженных частиц, от которого зависит электрическое сопротивление ионосферы. Мы узнаем таким образом о неоднородности ионосферы. Сейчас, когда ученые добились известной ясности в понимании процессов на космических высотах, стало возможно отличать один тип неоднородностей от другого. Так, выделились неоднородности, связанные с распространением внутренних волн в атмосфере. В течение последних лет ведется сопоставление характеристик ионосферы с погодными аномалиями у поверхности Земли (с сильными штормами, ураганами, торнадо, грозами). Оказалось, предвестником появления неподалеку таких аномалий являются внутренние волны с периодами от 3 до 25 минут на ионосферных высотах. С практической точки зрения важнее всего то, что источник волн, предвещающий ураган, располагается в том месте, куда этот ураган придет через 3–4 часа. Наблюдая за космосом, можно, таким образом, предсказать, куда пойдет ураган.