Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО «Удмуртский Государственный Университет»
Факультет информационных технологий и вычислительной техники
Рефератна тему:
«Теориявихрей»
Выполнил
студент группы39-31: Килина Е.С.
Проверил
Докторфизико-математических наук: Кондратьев Б.П.
Ижевск2009
Традиционное объяснение механизмаобразования циклонов сводится к воздействию силы Кориолиса на воздушные потоки.Си́ла Кориоли́са (по имени французского учёного Гюстава ГаспараКориолиса, впервые его описавшего) — одна из сил инерции, существующая внеинерциальной (вращающейся) системе отсчёта из-за вращения и законов инерции,проявляющаяся при движении в направлении под углом к оси вращения. УскорениеКориолиса было получено Кориолисом в 1833 г., Гауссом в 1803 г. иЭйлером в 1765 г.
Причина появления силы Кориолиса — вкориолисовом (поворотном) ускорении. Для того, чтобы тело двигалось скориолисовым ускорением, необходимо приложение силы к телу, равной F = ma, где a —кориолисово ускорение. Соответственно, тело действует по третьему законуНьютона с силой противоположной направленности. FK =− ma. Сила, которая действует со стороны тела, и будетназываться силой Кориолиса.
Рассмотрим теперь теорию, разработаннуюинженером и патентоведом Павлом Николаевичем Манташьяном, объединяющуюприродные объекты и явления, отличающиеся в миллиарды раз — спиральныегалактики и вихри в атмосфере, тайфуны и молекулы воды, которые вращаются вмагнитном поле земли, подчиняются одним и тем же законам. Его гипотезапредполагает, что первопричина возникновения циклонов — появление моментаколичества движения у дипольной молекулы воды, движущейся в магнитном полеземли.
(Из-за полярности связей О–Н и уголковойформы молекула воды представляет собой электрическийдиполь. Электрическийдиполь– частица или тело, несущая равные по модулю положительный иотрицательный заряды, не совпадающие в пространстве.)
Рассмотрим с этой точки зрения различныеприродные явления.
В земной атмосфере находятся пары воды,которые с воздушными потоками перемещаются в магнитном поле Земли, и, какследствие этого, в атмосфере образуются вихри разных размеров. Наиболееинтересны и характерны из них, а также наиболее разрушительны тропическиециклоны, или тайфуны, диаметры которых составляют сотни километров.
У всех тайфунов есть общая черта: вCеверном полушарии они закручены против часовой стрелки, а в Южном — наоборот,по часовой. Тропические циклоны зарождаются в штилевой зоне над океанами(преимущественно между широтами 5—25°) как в Северном, так и в Южном полушарии,но полностью отсутствуют в экваториальной зоне, ограниченной приблизительно 5°северной широты и 5° южной широты.
Тропический циклон представляет собойсистему очень сильных ветров, дующих вокруг безветренного центра, называемогоглазом, вблизи которого скорость ветра может достигать 300—400 км/ч.Тропические циклоны характеризуются мощными восходящими потоками влажноговоздуха вокруг “глаза” и нисходящими потоками воздуха в “глазе” тайфуна.
Попробуем объяснить механизм образованиятропических циклонов.
Земля — гигантский намагниченный шар. Егополе совпадает с полем магнитного диполя, расположенного вблизи центра земногошара со смещением около 400 километров в сторону Тихого океана и наклонённогопримерно на 12° к оси вращения Земли. Силовые линии этого гигантского магнитавыходят из северного магнитного полюса в Южном полушарии и устремляются кюжному магнитному полюсу в Северном полушарии. Они огибают земной шар ираспространяются на многие тысячи километров в околоземном космическомпространстве.
Магнитное поле Земли в каждой точкепространства характеризуется величиной и направлением. Из всех егохарактеристик в плане образования циклона нас интересует вектор магнитнойиндукции В и магнитное наклонение I, то есть угол между горизонтальнойплоскостью и вектором магнитной индукции.
Картина магнитного поля Земли оченьсложна, она периодически меняется, вызывая существенные отклонения от среднейвеличины в данной местности.
Взаимодействие движущихся вверх молекулводы с магнитным полем Земли в первую очередь зависит от величины магнитнойиндукции В, то есть от магнитной широты (которая мало отличается отгеографической широты места). Момент количества движения молекул, а значит, искорость их вращения в тайфуне максимальны на широтах 16°. То есть именно наэтих широтах вероятность возникновения тайфуна наиболее велика. Это хорошосогласуется с результатами наблюдений за погодой. Но для его возникновенияподнимающийся воздушный поток должен также иметь высокую влажность, которуюмогут обеспечить только обширные водные пространства с хорошо прогретойповерхностью (по данным некоторых авторов, не менее 27 градусов Цельсия). Итайфуны действительно образуются вблизи от экваториальной зоны (10—25° широты),над океаном, поверхностные воды которого хорошо прогреты, а восходящий потокимеет практически стопроцентную влажность. Как следствие этого, появлениетайфунов носит ярко выраженный сезонный характер, что отражено данными,приведёнными в таблице:
/>
За 79-летний период тайфуны в севернойчасти тропической зоны Атлантического океана возникали 636 раз, то естьпрактически по 8 тайфунов в год. Из них 504 тайфуна, или почти 80%, приходятсяна август, сентябрь и октябрь — период, когда поверхностные воды Атлантикипрогрелись, но зато в январе, когда они остыли, за 79 лет не было ни одноготайфуна.
Как отмечалось выше, реальное магнитноеполе Земли отличается от магнитного поля идеального магнитного диполя. Апоскольку именно величина индукции магнитного поля играет важную роль вмеханизме образования тайфуна, районы океана с её повышенным уровнем наиболее“тайфуногенны”. К ним относятся районы между Южной и Северной Америками, квостоку от побережья Австралии, районы Японских островов и Индонезии. Во всехэтих местах индукция магнитного поля составляет 40—50 микротесл. А в районахзападного и восточного побережий Южной Америки и в Южной Атлантике, гдетайфунов не бывает, уровень индукции магнитного поля Земли не превышает 25—30микротесл.
В целом картина возникновения тайфунатакова. Хорошо прогретая поверхность океана обеспечивает мощный восходящийпоток влажного воздуха, насыщенного молекулами воды, которые, поднимаясь,начинают вращаться вследствие взаимодействия с магнитным полем Земли.
Чтобы понять роль молекул воды вобразовании тайфуна, представим себе ёмкость, заполненную воздухом, в которуюопустили вентилятор. Его лопасти вращаются, вовлекая во вращение воздух. Еслитеперь мысленно уменьшить размеры лопастей вдвое, одновременно увеличив числовентиляторов в два раза, скорость вращения воздуха в ёмкости сохранится. Еслипоследовательно продолжать мысленный процесс уменьшения размеров вентиляторов содновременным увеличением их числа, в пределе можно дойти до лопастей размеромс молекулу. Образно говоря, в процессе образования тайфуна каждая молекула водыиграет роль миниатюрного вентилятора, так как она совершает вращательноедвижение в результате пересечения ею силовых линий магнитного поля Земли. Ипосредством многочисленных соударений каждая молекула воды передаёт собственныймомент количества движения другим молекулам, не имеющим дипольного момента.Постепенно во вращательное движение вовлекается всё больше молекул влажноговоздуха. Такая “спиновая поляризация” воздушного пространства со временемприводит к суммированию моментов количества движения отдельных молекул, что ислужит основой образования вихря гигантских размеров.
Теперь рассмотрим соотношение масс молекулводы и воздуха, содержащего эти молекулы воды. При температуре океана 27градусов Цельсия температура воздуха над океаном будет около 35 градусов. Притакой температуре и стопроцентной влажности масса паров воды в одном кубическомметре воздуха составит порядка 40 г, тогда как масса сухого воздуха того жеобъёма — 1260 г. Таким образом, видно, что масса молекул воды составляетпримерно три процента от общей массы влажного воздуха. Отсюда понятно, что дляобразования тайфуна необходим длительный, порядка нескольких дней, “инкубационныйпериод”. В течение этого времени происходит постепенное образование моментовколичества движения у молекул воды в результате их взаимодействия с магнитнымполем Земли, передача их посредством соударений нейтральным молекулам иаккумуляция моментов количества движения всех молекул в виде вихря. Тайфунвозникнет, если процесс накопления момента количества движения идёт понарастающей. Для этого достаточно, чтобы температура поверхностных вод океанане опускалась ниже 27 градусов Цельсия, а в дневное время уровень солнечнойрадиации способствовал испарению воды и созданию мощных восходящих потоковвлажного воздуха. К счастью, все эти условия соблюдаются не всегда, поэтомутайфуны не такие уж частые гости в тропических широтах.
Как указывают многие исследователи, тайфун— своего рода тепловая машина, которая превращает тепловую энергию Солнца вэнергию восходящего потока влажного воздуха, а она с помощью магнитного поляЗемли преобразуется в энергию гигантского воздушного вихря.
Что же происходит с молекулами воды,которые восходящим потоком воздуха перемещаются с поверхности океана,природного нагревателя, в верхние слои атмосферы, служащие холодильником этойсвоеобразной тепловой машины? Они конденсируются, образуя облака, которые черезнекоторое время проливаются тропическим ливнем. Получается, что если придвижении вверх молекулы воды вращаются в одну сторону, закручивая воздух втайфуне, то при движении вниз они должны вращаться в противоположную сторону,тормозя вращение тайфуна. А поскольку количество молекул воды, движущихся вобоих направлениях, одинаково, то в принципе, казалось бы, тайфун должен быстроугаснуть. Однако этого не происходит.
Между молекулами воды, движущимися вверх ивниз, есть большая разница: они совершают свои путешествия в различныхагрегатных состояниях. Вверх молекулы воды добираются поодиночке, впарообразном состоянии, а вниз — в виде капель жидкости. Одиночная молекулаводы имеет большую свободу движения и может более эффективно играть рольсвоеобразного вентилятора, тогда как молекулы воды в жидкости, находясь в болеетесном взаимодействии, такой свободой не обладают. Отсюда можно сделать вывод,что вероятность образования вихря напрямую зависит от агрегатного состояниядипольных молекул.
Анализируя таблицу повторяемости тропическихциклонов в северной части тропической зоны Атлантического океана (см. выше),можно заметить, что максимальное число тайфунов возникает именно в сентябре,когда после жаркого лета поверхностные воды океана достаточно прогрелись. Многотайфунов образуется также в августе — температура океана уже высокая и воктябре — температура ещё высокая, тогда как в июне и июле их число составляетвсего лишь 20 процентов от сентябрьской нормы — океан ещё не успел прогретьсяпосле зимы.
Пространственно-временной анализ картиныраспределения тайфунов косвенно подтверждает гипотезу о возможности образованиямомента количества движения у дипольной молекулы, перемещающейся в магнитномполе.
Следует отметить, что таблица содержитсуммарную информацию о тайфунах, а на диаграмме отражено число главных урагановв Северной Атлантике по годам.
/>
Из приведённой диаграммы видно, чтораспределение ураганов по годам неравномерно. Современные исследователи связываютэто со многими факторами, в том числе и с активностью Солнца. Один из возможныхмеханизмов такого влияния включает корональные выбросы — сброс старых магнитныхпетель конвективной зоны Солнца. Эти гигантские облака намагниченной плазмымассой до 10 миллиардов тонн летят к Земле со скоростью более 1000 км/с. Врезультате такого выброса в районе геомагнитного экватора регистрируются потокипротонов, позитронов и электронов, причём поток положительно заряженных частицв несколько раз превышает поток электронов.
При движении молекулы воды в магнитномполе Земли её массивная отрицательно заряженная часть ОН играет основную роль вобразовании момента количества движения и задаёт направление вращения молекулы.Данные о корональных выбросах Солнца, приводящих к потокам положительнозаряженных частиц, влияющих на образование тайфунов, полностью подтверждаюттеорию.
Формула силы Лоренца
/>
содержит четыре сомножителя, каждый изкоторых может быть положительным или отрицательным. В случае с корональнымпотоком, состоящим преимущественно из положительно заряженных частиц, каждая изкоторых в тысячи раз превосходит по массе электрон, их векторы скоростинаправлены прямо противоположно вектору скорости восходящего потока.Следовательно, они противоположны по знаку, то есть знак меняется у двухсомножителей из четырёх, что никак не отражается на знаке их произведения.
Следовательно, положительно заряженныечастицы корональных выбросов Солнца действительно способствуют образованиютайфунов.
Вихревое движение воздуха наблюдается нетолько у тайфунов. Существуют вихри размерами, превышающими тайфун, — этоциклоны и антициклоны, самые большие воздушные вихри на планете. Их размерызначительно превосходят размеры тайфунов и могут достигать более тысячикилометров в диаметре. В некотором смысле это вихри-антиподы: у них практическивсё наоборот. Циклоны Северного и Южного полушарий вращаются в ту же сторону,что и тайфуны этих полушарий, а антициклоны — в противоположную. Циклонприносит с собой ненастную погоду, сопровождаемую осадками, антициклон же,наоборот, приносит ясную, солнечную погоду. Схема образования циклонадостаточно проста — всё начинается с взаимодействия холодного и тёплогоатмосферных фронтов. При этом часть тёплого атмосферного фронта проникаетвнутрь холодного в виде своеобразного атмосферного «языка», в результате чеготёплый воздух, более лёгкий, начинает подниматься, и при этом происходят двапроцесса. Во-первых, молекулы паров воды под воздействием магнитного поля Землиначинают вращаться и вовлекают во вращательное движение весь поднимающийсявоздух, образуя гигантский воздушный водоворот. Во-вторых, наверху тёплыйвоздух охлаждается, и пары воды в нём конденсируются в облака, которые выпадаютосадками в виде дождя, града или снега. Такой циклон может испортить погоду насрок от нескольких дней до двух-трёх недель. Его «жизнедеятельность»поддерживается за счёт поступления новых порций влажного тёплого воздуха ивзаимодействия его с холодным воздушным фронтом.
Антициклоны связаны с опусканием воздушныхмасс, которые при этом адиабатически, то есть без теплообмена с окружающейсредой, нагреваются, их относительная влажность падает, что и приводит киспарению имеющихся облаков. При этом за счёт взаимодействия молекул воды смагнитным полем Земли происходит антициклоническое вращение воздуха: в Северномполушарии — по часовой стрелке, в Южном — против. Антициклоны приносят с собойустойчивую погоду на период от нескольких дней до двух-трёх недель.
Видимо, механизмы образования циклонов,антициклонов и тайфунов идентичны, а удельная энергоёмкость (энергия единицымассы) тайфунов намного больше, чем циклонов и антициклонов, только за счётболее высокой температуры воздушных масс, нагретых солнечным излучением.
Но наиболее загадочные из всех вихрей,образующихся в природе, — смерчи, по сути дела, часть грозового облака.Сначала, на первой стадии возникновения смерча, вращение видно только в нижнейчасти грозового облака. Затем часть этого облака отвисает книзу в видегигантской воронки, которая всё более удлиняется и наконец достигаетповерхности земли или воды. Возникает как бы гигантский хобот, свешивающийся изоблака, который состоит из внутренней полости и стенок. Высота смерчасоставляет от сотен метров до километра и, как правило, равна расстоянию отнижней части облака до поверхности земли. Характерная особенность внутреннейполости — пониженное давление находящегося в ней воздуха. Такая особенностьсмерча приводит к тому, что полость смерча служит своеобразным насосом, которыйможет втянуть в себя огромное количество воды из моря или озера, причём вместес животными и растениями, перенести их на значительные расстояния и низвергнутьвниз вместе с дождём. Смерч способен переносить и довольно большие грузы —автомобили, телеги, малотоннажные суда, небольшие здания, причём иногда даже снаходящимися в них людьми. Смерч обладает гигантской разрушительной силой. Присоприкосновении со строениями, мостами, линиями электропередач и другимиобъектами инфраструктуры он причиняет им огромные разрушения.
Смерчи имеют максимальную удельнуюэнергоёмкость, которая пропорциональна квадрату скорости воздушных потоковвихря. По метеорологической классификации при скорости ветра в замкнутом вихре,не превышающей 17 м/с, он называется тропической депрессией, если же скоростьветра не превышает 33 м/с, то это тропический шторм, и если скорость ветрасоставляет от 34 м/с и выше, то это уже тайфун. В мощных тайфунах скоростьветра может превышать 60 м/с. В смерче же, по данным разных авторов, скоростьвоздуха может достигать от 100 до 200 м/с (некоторые авторы указывают насверхзвуковую скорость воздуха в смерче — свыше 340 м/с). Прямые измеренияскорости воздушных потоков в смерчах при настоящем уровне развития техникипрактически невозможны. Все приборы, предназначенные для фиксации параметровсмерча, безжалостно им ломаются при первом же соприкосновении. О скоростипотоков в смерчах судят по косвенным признакам, главным образом по темразрушениям, которые они производят, или по весу грузов, которые они переносят.Кроме того, отличительная черта классического смерча — наличие развитогогрозового облака, своеобразного электрического аккумулятора, повышающегоудельную энергоёмкость смерча. Чтобы разобраться в механизме возникновения иразвития смерча, рассмотрим сначала устройство грозового облака.
В типичном грозовом облаке вершиназаряжена положительно, а основание несёт отрицательный заряд. То есть в воздухеподдерживаемый восходящими потоками парит гигантский электрический конденсатормногокилометровых размеров. Наличие такого конденсатора приводит к тому, что наповерхности земли или воды, над которыми находится облако, появляется егоэлектрический след — наведённый электрический заряд, имеющий знак,противоположный знаку заряда основания облака, то есть земная поверхность будетзаряжена положительно.
Возле основания развитого грозового облакасуществует мощный восходящий поток воздуха, насыщенного влагой. Кроме дипольныхмолекул воды, которые в магнитном поле Земли начинают вращаться, передаваяимпульс нейтральным молекулам воздуха, вовлекая их во вращение, в восходящемпотоке имеются положительные ионы и свободные электроны. Они могутобразовываться в результате воздействия на молекулы солнечного излучения,естественного радиоактивного фона местности и, в случае грозового облака, засчёт энергии электрического поля между основанием грозового облака и землёй. Кстати,за счёт наведённого положительного заряда на поверхности земли числоположительных ионов в потоке восходящего воздуха значительно превышает числоионов отрицательных. Все эти заряженные частицы под действием восходящегопотока воздуха устремляются к основанию грозового облака. Однако вертикальныескорости положительных и отрицательных частиц в электрическом поле различны.Напряжённость поля можно оценить по разности потенциалов между основаниемоблака и поверхностью земли — по измерениям исследователей, она составляетнесколько десятков миллионов вольт, что при высоте основания грозового облака водин — два километра даёт напряжённость электрического поля в десятки тысячвольт на метр. Это поле будет ускорять положительные ионы и тормозитьотрицательные ионы и электроны. Поэтому в единицу времени через поперечноесечение восходящего потока положительных зарядов пройдёт больше, чемотрицательных. Иными словами, между земной поверхностью и основанием облакавозникнет электрический ток, хотя правильней было бы говорить об огромномколичестве элементарных токов, соединяющих земную поверхность с основаниемоблака. Все эти токи параллельны и текут в одном направлении.
Понятно, что они по закону Ампера будутвзаимодействовать между собой, а именно притягиваться. Из курса физикиизвестно, что сила взаимного притяжения единицы длины двух проводников сэлектрическими токами, текущими в одном направлении, прямо пропорциональнапроизведению сил этих токов и обратно пропорциональна расстоянию междупроводниками.
Притяжение двух электрических проводниковобусловлено силами Лоренца. Электроны, движущиеся внутри каждого проводника,находятся под действием магнитного поля, создаваемого электрическим током всоседнем проводнике. На них действует сила Лоренца, направленная по прямой,соединяющей центры проводников. Но для возникновения силы взаимного притяженияналичие проводников совершенно необязательно — достаточно самих токов.Например, две покоящиеся частицы, имеющие одинаковый электрический заряд,отталкиваются одна от другой согласно закону Кулона, но эти же частицы,движущиеся в одном направлении, притягиваются, причём до тех пор, пока силыпритяжения и отталкивания не уравновесят друг друга. Нетрудно видеть, чторасстояние между частицами в положении равновесия зависит только от ихскорости.
Из-за взаимного притяжения электрическихтоков заряженные частицы устремляются к центру грозового облака, по дорогевзаимодействуя с электрически нейтральными молекулами и также перемещая их кцентру грозового облака. Площадь поперечного сечения восходящего потокауменьшится в насколько раз, а поскольку поток вращается, то по закону сохранениямомента количества движения его угловая скорость возрастёт. С восходящимпотоком произойдёт то же самое, что с фигуристкой, которая, вращаясь на льду срасставленными руками, прижимает их к телу, отчего скорость её вращения резкоувеличивается. Такое резкое увеличение скорости вращения воздуха в смерче содновременным уменьшением его диаметра приведёт соответственно к увеличениюлинейной скорости ветра, которая, как упоминалось выше, может даже превыситьскорость звука.
Именно наличие грозового облака, электрическоеполе которого разделяет заряженные частицы по знаку, приводит к тому, чтоскорости воздушных потоков в смерче превосходят скорости воздушных потоков втайфуне. Образно говоря, грозовое облако служит своего рода «электрическойлинзой», в фокусе которой концентрируется энергия восходящего потока влажноговоздуха, что и приводит к возникновению смерча.
Также существуют и вихри, механизмобразования которых никак не связан с вращением дипольной молекулы воды вмагнитном поле. Наиболее распространённые среди них — пыльные вихри. Ониобразуются в пустынных, степных и горных местностях. По своим размерам ониуступают классическим смерчам, их высота составляет порядка 100—150 метров, адиаметр — несколько метров. Для образования пыльных вихрей необходимым условиемявляется пустынная, хорошо нагретая равнина. Образовавшись, такой вихрьсуществует довольно недолго, 10—20 минут, всё это время перемещаясь поддействием ветра. Несмотря на то, что воздух пустынь практически не содержитвлаги, вращательное движение его обеспечивается взаимодействием элементарныхзарядов с магнитным полем Земли. Над равниной, сильно прогретой солнцем,возникает мощный восходящий поток воздуха, часть молекул которого подвоздействием солнечного излучения и особенно его ультрафиолетовой части,ионизируется. Фотоны солнечного излучения выбивают из внешних электронныхоболочек атомов воздуха электроны, образуя при этом пары положительных ионов исвободных электронов. Вследствие того, что электроны и положительные ионы имеютсущественно разные массы при равных по величине зарядах, их вклад в созданиемомента количества движения вихря различен и направление вращения пыльноговихря определяется направлением вращения положительных ионов. Такой вращающийсястолб сухого воздуха при своём движении поднимает с поверхности пустыни пыль,песок и мелкие камешки, которые сами по себе не играют никакой роли в механизмеформирования пыльного вихря, но служат своеобразным индикатором вращениявоздуха.
В литературе описаны ещё и воздушныевихри, довольно редкое природное явление. Они возникают в жаркое время дня наберегах рек или озёр. Время жизни таких вихрей невелико, они появляютсянеожиданно и так же внезапно исчезают. По-видимому, вклад в их создание вносяткак молекулы воды, так и ионы, образующиеся в тёплом и влажном воздухе за счётсолнечного излучения.
Гораздо опаснее водяные вихри, механизмобразования которых аналогичен. Сохранилось описание: «В июле 1949 года в штатеВашингтон в тёплый солнечный день при безоблачном небе на поверхности озеравозник высокий столб из водяных брызг. Он существовал всего несколько минут, нообладал значительной подъёмной силой. Надвинувшись на берег реки, он поднялдовольно тяжёлый моторный бот длиной около четырёх метров, перенёс его нанесколько десятков метров и, ударив о землю, разбил на куски. Водяные вихринаиболее распространены там, где поверхность воды сильно нагревается солнцем, —в тропических и субтропических зонах».
Закручивание потоков воздуха можетпроисходить при больших пожарах. В литературе описаны такие случаи, приведёмодин из них. «Ещё в 1840 году в США расчищали лес под поля. На большой полянебыло свалено громадное количество хвороста, веток и деревьев. Их подожгли.Через некоторое время пламя отдельных костров стянулось вместе, образовав огненнуюколонну, внизу широкую, вверху заострившуюся, высотой 50 — 60 метров. Ещё вышеогонь сменялся дымом, уходившим высоко в небо. Огненно-дымовой вихрь вращался споразительной скоростью. Величественное и ужасающее зрелище сопровождалосьгромким шумом, напоминавшим раскаты грома. Сила вихря была настолько велика,что он поднимал в воздух и отбрасывал в сторону большие деревья».
Рассмотрим процесс образования огненногосмерча. При горении древесины выделяется тепло, которое частично переходит вкинетическую энергию восходящего потока нагретого воздуха. Однако при горениипроисходит ещё один процесс — ионизация воздуха и продуктов сгорания топлива. Ихотя в целом нагретый воздух и продукты сгорания топлива электрическинейтральны, в пламени образуются положительно заряженные ионы и свободныеэлектроны. Движение ионизованного воздуха в магнитном поле Земли неизбежноприведёт к образованию огненного смерча.
Хочется отметить, что вихревое движениевоздуха возникает не только при больших пожарах. В своей книге «Смерчи» Д.В.Наливкин задаёт вопросы: «Мы уже не раз говорили о загадках, связанных смаломерными вихрями, пытались понять, почему все вихри вертятся? Возникают идругие вопросы. Почему, когда горит солома, нагретый воздух поднимается не попрямой линии, а по спирали и начинает кружиться. Так же ведёт себя в пустынегорячий воздух. Почему он не идёт просто вверх без всякой пыли? То жепроисходит с водяной пылью и брызгами, когда горячий воздух проносится надповерхностью воды».
Существуют вихри, возникающие в процессеизвержения вулканов, их, например, наблюдали над Везувием. В литературе ониполучили название пепловых вихрей — в вихревом движении участвуют облака пепла,извергаемые вулканом. Механизм образования таких вихрей в общих чертаханалогичен механизму образования огненных смерчей.
Посмотрим теперь, какие силы действуют натайфуны в неспокойной атмосфере нашей Земли.
СИЛА КОРИОЛИСА
На тело, движущееся во вращающейся системеотсчёта, например, на поверхности вращающегося диска или шара, действует инерционнаясила, называемая силой Кориолиса. Эта сила определяется векторным произведением
FK=2M[VΩ], (1)
где М — масса тела; V — векторскорости тела; Ω — вектор угловой скорости вращения системыотсчёта, в случае земного шара — угловой скорости вращения Земли, а [VΩ]—их векторное произведение, которое в скалярном виде выглядит так:
Fл = 2M | V | | Ω | sin α, гдеα — угол между векторами.
Скорость тела, двигающегося на поверхностиземного шара, можно разложить на две составляющие. Одна из них лежит в плоскости,касательной к шару в точке нахождения тела, иными словами — горизонтальнаясоставляющая скорости: вторая, вертикальная составляющая перпендикулярна этойплоскости. Сила Кориолиса, действующая на тело, пропорциональна синусугеографической широты его местонахождения. На тело, движущееся по меридиану влюбом направлении в Северном полушарии, действует сила Кориолиса, направленнаявправо по движению. Именно эта сила заставляет подмывать правые берега рекСеверного полушария, вне зависимости от того, на север или на юг они текут. ВЮжном полушарии эта же сила направлена влево по движению и реки, текущие вмеридиональном направлении, подмывают левые берега. В географии это явлениеназывается законом Бэра. Когда русло реки не совпадает с меридиональным направлением,сила Кориолиса будет меньше на величину косинуса угла между направлениемтечения реки и меридианом.
Практически во всех исследованиях,посвящённых вопросам образования тайфунов, смерчей, циклонов и всевозможныхвихрей, а также их дальнейшему перемещению, указывается на то, что именно силаКориолиса служит первопричиной их возникновения и именно она задаёт траекториюих передвижения по поверхности Земли. Однако если бы сила Кориолиса участвовалав создании смерчей, тайфунов и циклонов, то в Северном полушарии они имели быправое вращение — по часовой стрелке, а в Южном — левое, то есть против. Нотайфуны, смерчи и циклоны Северного полушария вращаются влево, против часовойстрелки, а Южного полушария — вправо, по часовой стрелке. Это абсолютно не соответствуетнаправлению воздействия силы Кориолиса, более того — прямо ей противоположно.Как уже говорилось, величина силы Кориолиса пропорциональна синусугеографической широты и, значит, максимальна на полюсах и отсутствует наэкваторе. Следовательно, если бы она вносила вклад в создание вихрей разныхмасштабов, то наиболее часто они появлялись бы в полярных широтах, чтополностью противоречит имеющимся данным.
Таким образом, приведённый анализубедительно доказывает, что сила Кориолиса не имеет никакого отношения кпроцессу формирования тайфунов, смерчей, циклонов и всевозможных вихрей,механизмы образования которых рассмотрены в предыдущих главах.
Считается, что именно сила Кориолисаопределяет их траектории, тем более что в Северном полушарии тайфуны, какметеорологические образования, при своём движении отклоняются именно вправо, ав Южном — именно влево, что соответствует направлению действия силы Кориолиса вэтих полушариях. Казалось бы, причина отклонения траекторий тайфунов найдена —это сила Кориолиса, но не будем торопиться с выводами. Как говорилось выше, придвижении тайфуна по поверхности Земли на него, как на единый объект, будетдействовать сила Кориолиса, равная:
Fк = 2MVΩ sin θ cos α, (2)
где θ — географическая широтатайфуна; α — угол между вектором скорости тайфуна, как единого целого, имеридианом.
Для выяснения истинной причины отклонениятраекторий тайфунов попробуем определить величину силы Кориолиса, действующейна тайфун, и сравнить её с другой, более реальной силой.
СИЛА МАГНУСА
На тайфун, перемещаемый пассатом, будетдействовать сила, которую в данном контексте, насколько это нам известно, досих пор не рассматривал ни один исследователь. Это сила взаимодействия тайфуна,как единого объекта, с воздушным потоком, который перемещает этот тайфун. Еслипосмотреть на рисунок с изображением траекторий тайфунов, станет видно, что онидвижутся с востока на запад под действием постоянно дующих тропических ветров,пассатов, которые образуются вследствие вращения земного шара. При этом пассатне только переносит тайфун с востока на запад. Самое главное — на тайфун,находящийся в пассате, действует сила, обусловленная взаимодействием воздушныхпотоков самого тайфуна с воздушным потоком пассата.
Эффект возникновения поперечной силы,действующей на тело, вращающееся в набегающем на него потоке жидкости или газа,был открыт немецким учёным Г. Магнусом в 1852 году. Он проявляется в том, чтоесли вращающийся круговой цилиндр обтекает безвихревой (ламинарный) поток,перпендикулярный его оси, то в той части цилиндра, где линейная скорость егоповерхности противоположна скорости набегающего потока, возникает областьповышенного давления. А на противоположной стороне, там, где направлениелинейной скорости поверхности совпадает со скоростью набегающего потока, —область пониженного давления. Разность давлений на противоположных сторонахцилиндра и приводит к возникновению силы Магнуса.
Пассаты, устойчивые воздушные течения(дуют постоянно больше десяти месяцев в году) в тропических широтах океанов,охватывают в Северном полушарии 11 процентов их площади, а в Южном — до 20процентов. Основное направление пассатов — с востока на запад, однако на высоте1—2 километра их дополняют ветры меридионального направления, дующие кэкватору. В результате в Северном полушарии пассаты движутся на юго-запад, а вЮжном — на северо-запад. Пассаты стали известны европейцам после первойэкспедиции Колумба (1492—1493), когда её участники были поражены устойчивостьюсильных северо-восточных ветров, уносивших каравеллы от берегов Испании черезтропические районы Атлантики.
Гигантскую массу тайфуна можнорассматривать как цилиндр, вращающийся в воздушном потоке пассата. Как ужеговорилось, в Южном полушарии они вращаются по часовой стрелке, а в Северном —против. Поэтому за счёт взаимодействия с мощным потоком пассатного ветратайфуны и в Северном и в Южном полушарии отклоняются в сторону от экватора — насевер и на юг соответственно. Этот характер их движения хорошо подтверждаютнаблюдения метеорологов.
В океане можно наблюдать вертикальныетечения, приводящие к возникновению огромных водоворотов. Водный океан в этомсмысле подобен океану воздушному — в нём есть свои циклоны и антициклоны. Как ив океане воздушном, появляются они вследствие вертикальных движений водныхмасс, обусловленных разностью плотностей воды, возникающей из-за разницытемператур водных слоёв или их разной солёности. Такие вертикальные перемещенияводы служат причиной появления гигантских водоворотов, называемых рингами.
Механизм образования рингов полностью идентиченмеханизму образования воздушных вихрей. Главными действующими объектами этогомеханизма являются магнитное поле Земли и движущиеся в нём молекулы воды,которые при своём перемещении в магнитном поле Земли приобретают вращательноедвижение. Коэффициент вихреобразования зависит от агрегатного состояниядипольных молекул и для молекул в жидкости он меньше, чем для одиночныхмолекул. Однако его уменьшение в значительной мере компенсируется увеличениемколичества молекул воды в единице объёма. Если при образовании тайфуна вкубическом метре воздуха содержится 0,04 килограмма воды, то вес кубометраморской воды превышает 1000 килограммов, то есть в 25 000 раз больше. Кромемолекул воды свою лепту в образование ринга вносят ионы, находящиеся в морскойводе. К слову сказать, в водах Мирового океана растворены практически всеэлементы таблицы Менделеева, но в ощутимых количествах находятся только ионынатрия и хлора, двух элементов, из которых состоит всем нам известнаяповаренная соль. Причём отрицательно заряженный ион хлора имеет массу 35атомных единиц, а положительно заряженный ион натрия — массу 23 атомныеединицы. Так же как и в молекуле воды, которая состоит из более массивнойотрицательно заряженной гидроксильной группы ОН и менее массивного положительнозаряженного иона водорода, у ионов натрия и хлора превосходство в массе имеетотрицательно заряженный элемент — ион хлора. Следовательно, суммарный моментколичества движения ионов натрия и хлора, перемещающихся в магнитном полеЗемли, отличен от нуля, и его знак совпадёт со знаком момента количествадвижения, приобретаемого молекулой воды при её движении в магнитном поле Земли.Значит, их присутствие в морской воде способствует возникновению вращательногодвижения вертикально перемещающейся массы воды.
Вращательное движение присуще не тольковоздушным и водным вихрям, не только планетам и планетным системам, но и целымгалактикам, гигантским скоплениям звёзд. Размеры средней галактики таковы, чтосвету требуется почти сто тысяч лет, чтобы пересечь галактику по диаметру, иоколо двенадцати тысяч лет, чтобы пройти поперёк её центральной части, ядра. Втакой галактике находится порядка ста миллиардов звёзд, то есть их количествобольше, чем число людей на земном шаре. Особенно красиво выглядят спиральные галактикис яркими ветвями, закрученными в процессе вращения этого гигантскогокосмического вихря: период обращения галактики составляет от десяти миллионовдо миллиарда лет.
Окружающий нас мир наполнен разнообразнымивихрями. Вращаются молекулы воздуха, порождая не только пыльные завихрения намостовой, но и смерчи, и торнадо, в океанах возникают ринги, а по Вселеннойдвижутся непредставимые «звёздовороты», галактики, в одной из которых мы живём.Получается, что вихрь — едва ли не самое универсальное движение сплошной среды,будь то воздух, вода или даже сильно разреженный межзвёздный газ.
Список литературы
1. П.Н. Манташьян «Вихри — от молекулы догалактики»/ П.Н. Манташьян// Наука и жизнь. – 2008. – N 2,3,5. — [Электронныйресурс]; Режим доступа: www.nkj.ru/archive/articles/13032/ (26.05.09),свободный.
2. С.Т. Жуков «Химия 8-9 класс»[Электронный ресурс]; Режим доступа:www.chem.msu.su/rus/school/zhukov1/10.html (26.05.09), свободный.