Вихри Бенара в природе

Букреев Василий Семёнович

2.4

Интересным вопросом является описание поведения элементарных вихрей в основании периферийного потока вихря Бенара. Ведь без причины и чирей не выскочит. Иными словами какая сила заставляет элементарные вихри, двигающиеся горизонтально, изменять направление своего движения на вертикальное? И почему при этом резко увеличивается осевая скорость движения?

Как и любой вихрь вихрь Бенара состоит из элементарных вихрей, которые в свою очередь являются вихрями Бенара. Ведь они обязаны двигаться и в направлении оси своего вращения, что может делать только вихрь Бенара (вихрь Тейлора без потерь энергии может двигаться только в направлении вращения, т. е. только в тангенциальном направлении). В вертикальном направлении (как в хоботе вихря Бенара, так и в его периферии) элементарные вихри двигаются по спиралям не изменяющих своих

параметров. Образно их траектории можно представить в форме цилиндрических пружин. В основании же периферии вихря элементарные вихри двигаются по траекториям, являющимся скорее всего не спиралями Архимеда, а логарифмическими спиралями. А двигаясь по спиралям элементарные вихри увеличивают как осевую скорость своего движения, так и скорость вращения.

Т.е. ситуация в основании периферийного потока вихря Бенара подобна ситуации в вихре Тейлора. Элементарные вихри, двигаясь по сходящейся логарифмической спирали, как бы переходят с одной внешней окружности вихря Тейлора на другую внутреннюю его окружность, закономерно увеличивая свою скорость движения по окружности. А элементарные вихри имеют массу, которая при движении по окружности формирует центробежную силу. И чем меньше радиус окружности и больше скорость движения, тем больше величина центробежной силы. Переход с внешней на внутреннюю окружность формирует в вихре Тейлора центростремительную силу. Точно так же движение элементарного вихря по сходящейся логарифмической спирали формирует центробежную силу. Т.е. элементарный вихрь, двигающийся по сходящейся логарифмической спирали, создаёт как центростремительную, так и центробежную силу, которая растёт быстрее роста центростремительной силы. А как только значения этих сил сравняются, так тут же при росте разности появляется противодействующая сила, по правилу прецессии действующая в перпендикулярном направлении. И элементарные вихри горизонтальное направление движения изменяют на вертикальное, переходя во внутренний поток торнадо, изменяя параметры своего периферийного движения на параметры движения внутреннего потока.

Конечная точка траектории движения элементарного вихря и может служить маркером для параметров и осевого, и тангенциального движения элементарных вихрей хобота торнадо. Ведь до этого момента элементарные вихри ещё относятся к множеству вихрей внешнего потока и могут описываться методами, действующими в нём. Но в этот момент они уже приобретают также и свойства внутреннего потока.

Но нас интересует поведение периферии вихря после преобразования цилиндрического вихря Бенара в кольцевой вихрь Бенара. А здесь уже возникают два варианта. Элементарные вихри ВЛАЖНОГО воздуха (набравшего влаги при движении по поверхности воды), в силу влажности более лёгкие, могут при движении по спиралям основания периферии как достигнуть равенства центробежной и центростремительной сил, так и не достигнуть этого равенства. В первом случае превышение центробежной силы над центростремительной силой сформирует в области периферии внешний кольцевой «хобот», в котором среда будет подниматься вверх. А между двумя кольцевыми хоботами среда будет опускаться вниз, формируя силу трения скольжения. Применяя правило прецессии, мы увидим, что внешний «хобот» часть своей энергии передаёт зажатой между хоботами периферии, которая в свою очередь часть своей энергии передаёт внутреннему хоботу. Природная конструкция приобретает стабильность, формируя зародыш урагана, который при движении по океану набирает силу. Во втором случае внешний «хобот» сформироваться не может. Периферия кольцевого «хобота» не может делиться с ним своей энергией. «Хобот» прекращает своё существование. И распавшееся торнадо формирует бурю.

Современная метеорология нашла и условия, при которых торнадо формирует ураган.

[img]http://i11.pixs.ru/storage/7/7/8/stroenietr_1928041_23799778.jpg[/img]

Рисунок 1

Ураган формируется только в том случае, когда температура воды в окружении холодного пятна выше 26,5 градусов. В этом случае в момент схода торнадо с холодного пятна площадь основания периферии торнадо больше её площади при меньшей температуре окружающей воды. Торнадо набирает силу за счёт увеличения площади сечения хобота за счёт уменьшения площади сечения периферии. И если в родильном доме торнадо температура окружающей воды выше 26,5 градусов, то при преобразовании цилиндрического торнадо в кольцевое торнадо оставшаяся площадь периферии позволяет сформировать внешний «хобот» торнадо. И торнадо приобретает вид вложенных друг в друга кольцевых торнадо, которое и носит название урагана (тайфуна, тропического циклона).

2.5

Торнадо имеют не только водную, но и земную прописку. В северной Америке существует даже аллея торнадо.

[img]http://i12.pixs.ru/storage/9/4/1/alleyatorn_5421068_23947941.jpg[/img]

Рисунок 1

И

ограничений на свой рост земные торнадо, в отличие от водных, не имеют. И всё отличие между ними заключается в том, что водное торнадо влагу получает с поверхности океана, а земное торнадо получает влагу из тучи, из которой оно и возникло. Водное торнадо ограничено пределами своих размеров в момент схода с холодного пятна. Земное же торнадо сосёт влагу не своим основанием, а периферией. Поэтому у земного торнадо не существует ограничения в размерах. Если водное торнадо ограничено диаметром периферии в момент схода с холодного пятна (изменяя только размеры хобота), то земное торнадо одновременно может увеличивать как площадь хобота, так и площадь периферии. Ограничение на рост торнадо накладывают только запасы влаги в туче, с которой связан торнадо. Запасы исчезли, исчезло и торнадо.

Что же порождает торнадо? Но прежде рассмотрим пару природных явлений, бриз

[img]http://i12.pixs.ru/storage/8/8/6/morskoyibe_7289719_23947886.jpg[/img]

Рисунок 2

и пассаты.

[img]http://i12.pixs.ru/storage/7/5/4/passatijpg_3886942_23947754.jpg[/img]

Рисунок 3

При формировании бриза температура конечно же играет свою роль. Но при этом метеорологи забывают о известном факте, что при одной и той же температуре влажный воздух легче сухого. Днём суша нагревается быстрее чем водная поверхность. Воздух же нагревается не солнцем, а поверхностью под ним. Поэтому морской воздух холоднее воздуха над сушей и природа стремится охладить сушу, формируя морской бриз. При движении над сушей влажный морской воздух нагревается. А т. к. он легче сухого воздуха над сушей, то он поднимается вверх, закручиваясь силой Кориолиса. Ночью же напротив воздух над сушей охлаждается сильнее, чем воздух над водной поверхностью. К тому же сухой воздух с более низкой температурой над сушей легче влажного морского воздуха. Поэтому воздух с суши ночью выдавливает морской воздух, формируя береговой бриз.

При формировании пассатов температура тоже оказывается при делах. Температура водной поверхности имеет вид.

[img]http://i12.pixs.ru/storage/9/0/0/kartapover_8700878_23947900.jpg[/img]

Рисунок 4

На 30 широте температура поверхности океана ниже её температуры в окрестности экватора. Даже ёж понимает, что влажность воздуха более низкой температуры обязана быть меньше влажности воздуха, имеющего более высокую температуру (испарение батеньки). Поэтому на 30 широте воздух более сухой по сравнению с приэкваториальным воздухом. И также как и в бризе тяжелый воздух вытесняет лёгкий воздух, формируя пассатное движение воздуха. Как и положено движение воздуха над поверхностью воды испаряет влагу. И пассатному воздуху уже до лампочки какая температура наблюдается в приэкваториальной области в зоне затишья. Он за свой путь наберёт столько влаги, что станет существенно легче приэкваториального воздуха. И ему ничего не остаётся как подняться вверх сформируя ячейку Хедли.

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

Рисунок 5

Поднимаясь вверх влажный воздух охлаждается, избавляясь от влаги её конденсацией.

Вновь вернёмся к рассмотрению бриза. Воздух, как в береговом, так и в морском бризе, поднявшись вверх, повышает атмосферное давление на высоте подъёма. В то же время на этой же высоте в месте ушедшего воздуха давление понижается. И поднятый вверх воздух двигается в обратном направлении и опускается вниз. Вниз опускается осушенный на высоте воздух, а следовательно и более тяжёлый, т. е. более плотный. Большая плотность создаёт и большую величину атмосферного давления, что формирует обратный поток воздуза в приземном бризе.

Точно такая же ситуация возникает и в ячейке Хедли. Осушенный воздух на высоте в приэкваториальной области повышает в ней атмосферное давление по сравнению с давлением на этой высоте на 30 широте. Сухой воздух от экватора устремляется к 30 широте и опускается вниз. А сухой воздух значит более плотный по сравнению с воздухом на поверхности, что повышает атмосферное давление на 30 широте. А повышенное давление создаёт потоки как в южном, так и в северном направлении. Таким образом, кроме ячейки Хедли формируется ещё и ячейка Ферреля.

Но почему всё же страдают США, на территории которой и находится аллея торнадо. Для этого вновь рассмотрим рисунок пассатов.

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

Рисунок 6

Из этого рисунка видно, что на пути пассатов оказывается Флорида, для которой пассаты являются морским бризом. На пути от 30 широты пассаты успели набрать влагу, которую при встрече с сушей переводят в тучи. Сила Кориолиса поворачивает их вправо на территорию США. А там уже какому штату «повезёт».