Глава шестаявихревое движение газов и жидкостей

6.1. Загадки атмосферных вихрей

С вихревым движением газов и жидкостей мы имеем дело повсеместно. Самые большие вихри на Земле - это атмосферные циклоны, которые наряду с антициклонами - зонами повышенного давления земной атмосферы, не захваченными вихревым движением, определяют погоду на планете. Диаметр циклонов достигает тысяч километров. Воздух в циклоне совершает сложное трехмерное спиралеобразное движение. В Северном полушарии циклоны, как и вода, вытекающая из ванны в трубу, вращаются против часовой стрелки (при взгляде на них сверху), в Южном - по часовой, что обусловлено действием кориолисовых сил от вращения Земли.
В центре циклона давление воздуха много ниже, чем на его периферии, что объясняют действием центробежных сил при вращении циклона.
Зарождаясь в средних широтах в местах искривления атмосферных фронтов, среднеширотный циклон постепенно формируется во всё более устойчивое и мощное образование во время своего продвижения в основном на север, куда он переносит теплый воздух с юга. Зарождающийся циклон поначалу захватывает лишь нижние, приземные слои воздуха, которые хорошо прогреты. Вихрь растет снизу вверх. При дальнейшем развитии циклона приток воздуха в него происходит по-прежнему у поверхности земли. Поднимаясь в центральной части циклона вверх, этот теплый воздух выходит из сформировавшегося циклона на высоте 6-8 км. Содержащиеся в нем водяные пары на такой высоте, где царит холод, конденсируются, что ведет к образованию облаков и выпадению осадков.
Такая картина развития циклона, признанная на сегодняшний день метеорологами всего мира, удачно смоделирована в установках "метеотрон", созданных в 70-е годы в СССР для вызывания дождя и успешно испытанных в Армении. Турбореактивные двигатели, установленные на земле, создавали закрученный поток горячего воздуха, поднимающийся кверху. Через некоторое время над этим местом зарождалось облачко, постепенно разрастающееся в тучу, которая проливалась дождем [25].
Существенно иначе, чем медлительные циклоны средних широт, ведут себя тропические циклоны, которые в Тихом океане называют тайфунами, а в Атлантическом - ураганами. Они имеют гораздо меньшие, чем среднеширотные, диаметры (100-300 км), но отличаются большими градиентами давления, очень сильными ветрами (до 50 и даже 100 м/с) и ливневыми дождями.
Зарождаются тропические циклоны только над океаном, чаще всего между 5 и 25° северной широты. Ближе к экватору, где отклоняющие силы Кориолиса малы, они не рождаются, что доказывает роль кориолисовых сил в рождении циклонов.
Продвигаясь сначала на запад, а затем на север или северо-восток, тропические циклоны постепенно превращаются в обычные, но очень глубокие циклоны. Попадая же с океана на сушу, они над ней быстро затухают. Так что в их жизни огромную роль играет влага океана, которая, конденсируясь в восходящем вихревом потоке воздуха, выделяет огромное количество скрытой теплоты испарения. Последняя нагревает воздух и усиливает его восхождение, что ведет к сильному падению атмосферного давления при приближении тайфуна или урагана.

Рис. 6.1. Гигантский атмосферный вихрь-тайфун (вид из космоса)

Эти гигантские бушующие вихри имеют две загадочные особенности. Первая -они редко появляются в Южном полушарии. Вторая - наличие в центре такого образования "глаза бури" - зоны диаметром 15-30 км, для которой характерны штиль и ясное небо.
Разглядеть, что тайфун, а тем более среднеширотный циклон - это вихрь, из-за их огромных диаметров можно только с космической высоты. Эффектны фотографии закрученных цепочек облаков, сделанные космонавтами. А вот для наземного наблюдателя самым наглядным для обозрения видом атмосферного вихря является смерч. Диаметр его столба вращения, тянущегося к облакам, в наиболее тонком его месте составляет над сушей 300-1000 м, а над морем - всего десятки метров. В Северной Америке, где смерчи появляются гораздо чаще, чем в Европе (до 200 в год), их называют торнадо. Там они зарождаются в основном над морем, а беснуются, оказавшись над сушей.
В [75] приведена следующая картина рождения смерча: "30 мая 1979 г. в 4 часа дня на севере Канзаса встретились два облака, черных и плотных. Через 15 минут после того, как они столкнулись и слились в одну тучу, из ее нижней поверхности выросла воронка. Быстро удлиняясь, она приняла форму огромного хобота, достигла земли и в течение трех часов, словно исполинский змей, куролесила по штату, громя и уничтожая все, что попадалось на пути - дома, фермы, школы..."
Железобетонный 75-метровый мост этот смерч сорвал с каменных быков, завязал в узел и сбросил в реку. Специалисты позже подсчитали, что для совершения такого поток воздуха должен был иметь сверхзвуковую скорость.
То, что проделывает воздух в смерчах при таких его скоростях, приводит людей в замешательство. Так, щепки, разгоняемые в смерче, легко пронизывают доски и стволы деревьев. В [76] рассказывается, что металлический котелок, захваченный смерчем, был вывернут наизнанку без разрывов металла. Такие фокусы объясняют тем, что деформация металла в данном случае осуществлялась без жесткой опоры, способной повредить металл, ибо предмет витал в воздухе.

Рис. 6.2. Фотография смерча [77].

Смерчи - отнюдь не редкое явление природы, хотя и появляются только в Северном полушарии, поэтому наблюдательных данных о них накоплено немало. Полость воронки ("хобота") смерча окружают "стенки" из бешено вращающегося по спирали против часовой стрелки (как и в тайфуне) воздуха (см. рис. 6.3.) Здесь скорость воздуха достигает 200-300 м/с. Поскольку при возрастании скорости газа статическое давление в нем уменьшается, "стенки" смерча засасывают прогретый у поверхности земли воздух, а вместе с ним и попадающиеся предметы, как пылесос.
Все эти предметы поднимаются вверх, иногда вплоть до облака, в которое упирается смерч.

Подъемная сила смерчей весьма велика. Так, они переносят на значительные расстояния не только мелкие предметы, но иногда и домашний скот, и людей. 18 августа 1959 г. в Минской бласти смерч поднял лошадь на значительную высоту и унес. Труп животного нашли лишь в полутора километрах. В 1920 г. в штате Канзас торнадо, разрушив школу, поднял в воздух учительницу с целым классом школьников вместе с партами. Через несколько минут все они были опущены на землю вместе с обломками школы. Большинство детей и учительница остались живы и невредимы, но 13 человек погибло.
Известно много случаев, когда смерчи поднимают и переносят на значительные расстояния людей, после чего те остаются невредимыми. Самый парадоксальный из них описан в [75]: смерч в Мытищах под Москвой налетел на семью крестьянки Селезневой. Повалив женщину, старшего сына и грудного ребенка в канаву, унес среднего сына Петю. Его нашли лишь на следующий день в московском парке Сокольники. Мальчик был жив - здоров, но насмерть перепуган. Самое странное тут то, что Сокольники расположены от Мытищ не в той стороне, куда двигался смерч, а в противоположной. Получается, что мальчика перенесло не по ходу смерча, а в противоположную сторону, где все давно затихло! Или он перемещался вспять во времени?
Казалось бы, что предметы в смерче должен переносить сильнейший ветер. Но вот 23 авп/ста 1953 г. во время смерча в Ростове, рассказывается в [75], сильный порыв ветра распахнул окна и двери в доме. При этом будильник, стоявший на комоде, пролетел три двери, кухню, коридор и взлетел на чердак дома. Какие силы двигали его? Ведь здание осталось невредимым, а ветер, способный так нести будильник, должен был напрочь снести здание, имеющее гораздо большую парусность, чем будильник.
И почему смерчи, поднимая кучно лежавшие мелкие предметы аж до облаков, опускают их на значительном расстоянии почти столь же кучно, не разбрасывая, а словно высыпая из рукава?
Неразрывная связь с материнским грозовым облаком является характерным отличием смерча от других вихревых движений атмосферы. То ли потому, что из грозового облака по "хоботу" смерча текут к земле огромные электрические токи, то ли потому, что пыль и капли воды в вихре смерча сильно электризуются от трения, но смерчи сопровождаются высоким уровнем электрической активности. Полость "хобота" от стенки до стенки то и дело пронизывают электрические разряды. Часто она даже светится [25].
А вот внутри полости "хобота" смерча вихревое движение воздуха ослаблено и чаще направлено не снизу вверх, а сверху вниз*(* Впрочем, в [77] утверждается, что в полости "хобота" смерча воздух движется снизу вверх, а в его стенках - сверху вниз.). Известны случаи, когда такой нисходящий внутри смерча поток становился настолько сильным, что вдавливал предметы в почву [78] (см. рис. 6.3.). Отсутствие во внутренней полости смерча интенсивного вращения делает его схожим в этом отношении с тайфуном. Да и "глаз бури" в смерче имеется до того, как он дотянется из облака до земли. Вот как поэтично описывает его Ю. Маслов [75]: "В грозовом облаке вдруг появляется "глаз", именно "глаз", с мертвым, безжизненным зрачком. Ощущение такое, что он всматривается в добычу. Заметил ее! В тот же момент, полыхнув огнем, он с ревом и скоростью курьерского поезда устремляется к земле, оставляя за собой длинный, хорошо видимый шлейф - хвост".
Специалистов давно интересует вопрос об источниках той поистине неиссякаемой энергии, которой располагают смерчи, а тем более тайфуны. Понятно, что в энергию движения воздуха в атмосферном вихре превращается в конечном счете тепловая энергия огромных масс влажного воздуха. Но что заставляет ее концентрироваться в столь малых объемах, как тело смерча? И не противоречит ли такое самопроизвольное концентрирование энергии второму началу термодинамики, утверждающему, что тепловая энергия самопроизвольно способна только рассеиваться?
Гипотез на этот счет немало, а однозначных ответов до сих пор нет.
Исследуя энергетику газовых вихрей, В. А. Ацюковский в [79] пишет, что "тело газового вихря сжимается окружающей средой в процессе формирования вихря". Подтверждением тому служит тот факт, что "хобот" смерча является более тонким, чем его основание, где трение о землю не позволяет развить большую скорость вращения. Сжатие тела вихря давлением окружающей среды вызывает увеличение скорости его вращения в результате действия закона сохранения момента количества движения. А с увеличением скорости движения газа в вихре статическое давление в нем еще более падает. Из этого следует, заключает Ацюковский, что вихрь концентрирует в себе энергию окружающей среды, и этим данный процесс кардинально отличается от других, сопровождающихся рассеиванием энергии в окружающую среду.
Вот тут-то теория движения могла бы спасти второе начало термодинамики, если бы удалось обнаружить, что газовые вихри излучают энергию и в существенных количествах. В силу сказанного в разделе 4.4, теория движения требует, чтобы при ускорении вращения воздуха в смерче или тайфуне они излучали энергии не меньше, чем потребляется ими на раскручивание воздуха. А через смерч, а тем более тайфун, за время его существования проходят, закручиваясь, огромные массы воздуха.
Казалось бы, что влажному воздуху легче легкого выбрасывать "лишнюю" массу-энергию и не излучая. В самом деле, после конденсации влаги при подъеме ее атмосферным вихрем на большую высоту капли выпадающего дождя покидают вихрь, и его масса из-за этого уменьшается. Но тепловая энергия вихря от этого не только не уменьшается, а наоборот, возрастает из-за выделения при конденсации воды скрытой теплоты испарения. Это ведет к увеличению скорости движения в вихре как за счет возрастания скорости восхождения воздуха, так и за счет увеличения скорости вращения при сжатии тела вихря. Кроме того, удаление из вихря массы капель воды не ведет к увеличению энергии связи вращающейся системы и к возрастанию дефекта массы в остающемся вихре. Энергия связи системы возрастала бы (а вместе с ней возрастала бы стабильность системы), если бы при ускорении вращения системы из нее удалялась часть внутренней энергии системы - теплоты. А теплоту легче всего удалять излучением.
Никому, по-видимому, и в голову не приходило попытаться регистрировать тепэвое (инфракрасное и микроволновое) излучение смерчей и тайфунов. Может, оно существует, да только мы этого пока не знаем. Впрочем, многие люди и животные ощущают приближение урагана даже находясь в закрытом помещении и не глядя на небо. И думается, что не только по падению атмосферного давления, заставляющему ворон каркать от боли в костях, имеющих пустоты. Люди ощущают еще что-то, одних пугающее, других возбуждающее. Может, это торсионное излучение, которое от смерча и тайфуна должно быть весьма интенсивным?
Было бы интересно попросить космонавтов сделать с космической высоты фотографии тайфунов в инфракрасном излучении. Думается, что такие фотографии могли бы рассказать нам много нового.
Впрочем, подобные фотографии самого большого циклона в атмосферах планет Солнечной системы, правда, не в инфракрасных лучах, давно сделаны с космической высоты. Это фотографии Большого Красного Пятна Юпитера, являющегося, как выявили исследования его фотографий, сделанных в 1979 г. с борта американского осмического аппарата "Вояджер-1", огромным, постоянно существующим циклоном в мощной атмосфере Юпитера (рис. 6. 4). "Глаз бури" этого циклопического циклона-тайфуна размерами 40x13 тысяч км светится даже в диапазоне видимого света зловещим красным цветом, от чего и произошло его название.

Рис. 6.4. Большое красное пятно (КП) Юпитера и окрестности пятна ("Вояджер-1 ", 1979).