Вихри Бенара в природе (СИ) - Букреев Василий Семёнович (электронные книги бесплатно .txt) 📗
[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».
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]
