Вихри Бенара в природе

Букреев Василий Семёнович

В туче формируется одна или несколько ячеек Бенара, для формирования которой необходим градиент температуры. Солнце не может нагреть низа тучи, она нагревается от поверхности земли. Не может солнце нагреть или охладить верха тучи. А для достаточной величины градиента температура верха тучи должна быть низкой. А это в основном бывает весной и в начале лета. Поэтому в этот период и попадает сезон торнадо. В остальные сезоны года торнадо редки. И они могут происходить тогда, когда с севера приходит холодный фронт, охлаждающий воздух на высоте.

2.6

Вихри (ячейки) Бенара возникают в любой грозовой туче. Но не каждая ячейка способна переродиться

в смерч (торнадо). Скажем в средних широтах смерчи редки. В аллее же торнадо за год гуляют до 1000 торнадо. Что же нужно безобидной ячейке грозовой тучи, чтобы она смогла переродиться в грозное торнадо?

А для этого вспомним пару фактов. Трубка Ранка работает в диапазоне 5-9 атм. Водное торнадо до своего преобразования в ураган увеличивает площадь внутреннего потока при неизменной величине диаметра наружного потока. Следовательно, энергия вихря Бенара, имеющего фиксированный диаметр, находится в каком-то диапазоне. Достигнута нижняя граница диапазона, вихрь теряет возможность к самопроизводству и становится подобным вихрю над нагретым склоном холма. Перешел вихрь через верхний диапазон, скажем, для водного торнадо, он либо распадается в бурю, либо начинает жить как ураган. Находится энергия ячейки грозовой тучи близко к нижней границе диапазона, никогда ячейка не сможет породить торнадо. Находится энергия грозовой тучи близко к верхней границе диапазона, почти что в 100% случаев ячейка переродится в торнадо. И чем ближе энергия ячейки находится к верхней границе диапазона, тем более грозное торнадо она породит. А это определяется градиентом температуры между низом и верхом ячейки. Чем больше градиент, тем грознее будет сформировавшееся торнадо.

Но неужели природа ограничилась только этими примерами вихря Бенара? Чем же тогда являются циклоны и антициклоны? Нет у природы другого механизма кроме вихря Бенара для поднятия среды вверх или для опускания её вниз. Вспомним, что вихрь Бенара самостоятельно формирует как центростремительную, так и центробежную силу. Причём величина центростремительной силы ВСЕГДА выше величины центробежной силы. Разница между ними равномерно со всех сторон по радиусу давит на внутренний поток. По правилу прецессии силе, действующей по радиусу, противодействует перпендикулярно направленная сила, смещённая в направлении вращения. А как мы знаем, в осевом направлении вращение идёт вокруг цилиндра, разделяющего потоки. И в нашем случае вращение внутреннего потока идёт в направлении его осевого движения. Поэтому и разница этих сил действует в том же направлении движения внутреннего потока.

Но внешний поток не может принять всю массу среды, которую ему предлагает внутренний поток (как раз соответствующую разности величин центростремительной и центробежной силы). Поэтому, скажем, то же торнадо повышает атмосферное давление на своей вершине, понижая его в основании. Образно говоря, торнадо живой организм, проходящий стадии роста и стадии угасания. Соответственно изменяется давление в его основании и в его вершине. Вихрь над нагретым склоном холма своих размеров не изменяет, создавая постоянное пониженное давление в своём основании и постоянное повышенное давление на вершине. Поэтому вихрь над склоном холма мы можем считать стационарным (конечно до тех пор пока солнце его нагревает), а торнадо является неустранимо нестационарным вихрем увеличивающим свою энергию вначале, и уменьшающим её в последующем.

Нас интересуют стационарные вихри природы. Ведь мы рассматриваем вихри Бенара атмосферы в форме циклонов и антициклонов. А их можно считать квазистационарными вихрями. В циклонах внутренний поток поднимается вверх (с правым направлением вращения в северном полушарии и с левым направлением вращения в южном полушарии). Периферия вихря циклона опускается вниз с тем же самым направлением вращения в каждом из полушарий земли. В антициклонах внутренний поток напротив опускается вниз (с левым направлением вращения в северном полушарии и с правым направлением вращения в южном полушарии). Периферия вихря антициклона опускается вниз с тем же самым направлением вращения в каждом из полушарий земли.

И даже ежу понятно, что размер циклона средних широт несколько отличается от размера вихря над нагретым склоном холма.

Обширную область занимает «хобот» циклона с тонкой «ниточкой» его периферии. Поэтому и осевая скорость движения, и скорость вращения в «хоботе» циклона средних широт имеет малые значения. А эти же значения в «ниточке» периферии циклона принимают большие значения. «Хобот» вихря над нагретым склоном холма ещё способен поднимать парапланеристов. «Хобот» же циклона средних широт в связи со своими размерами слабосилен. Вихрь Бенара над нагретым склоном холма мы мысленно можем поставить на попа. В этом случае повышенное давление окажется на уровне земли, а пониженное давление (по сравнению с окружением) окажется на высоте. А ведь эту ситуацию мы и наблюдаем в антициклоне. И точно так же как и в циклоне, в антициклоне в «хоботе» вихря наблюдается и малая скорость осевого движения, и малая скорость вращения. И более того, в обширном антициклоне, застрявшем на одном месте, не наблюдается даже дуновения ветерка.

2.7

Не все вихри Бенара друг другу равноценны. Вихрь над нагретым склоном холма

(в интернете удалось найти только этот рисунок, демонстрирующий кучевое облачко над нагретым склоном холма).

[img]http://i11.pixs.ru/storage/9/2/1/obrazovani_7943607_26018921.jpg[/img]

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.