Вихри в физике

Главная | Регистрация | Вход
Воскресенье, 22.10.2017, 22:07
Приветствую Вас Гость | RSS
Меню сайта
Категории раздела
Мои статьи [21]
Форма входа
Главная » Статьи » Мои статьи

О метеорологических мифах.

О метеорологических мифах.

В работе [1] утверждается, что «Циклон — гигантский атмосферный вихрь с убывающим к центру давлением воздуха и циркуляцией воздуха вокруг центра против  часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке —в южном. Вблизи земной поверхности (до высоты 1—1.5 км) ветер имеет  слагающую, направленную внутрь циклона по барическому градиенту, и  циклон имеет вид сходящегося к центру вихря.»

Но если вихрь сходится к центру, то в центре в принципе не может быть пониженного давления. Куда же в таком случае может деться тот излишек воздуха, который создаёт ветер, имеющий  слагающую, направленную внутрь циклона по барическому градиенту? Не вяжутся концы с концами в естественной для современной метеорологии логике, что ветер обязан двигаться от повышенного атмосферного давления к пониженному атмосферному давлению. Т.е. получается, что до высоты 1-1,5 км эта слагающая создаёт повышенное давление, уничтожающее в принципе неуничтожаемый барический градиент в циклоне.

И откуда тогда возникает депрессия, в которой атмосферное давление непрерывно уменьшается к центру циклона? Следовательно, циклон это реальный природный вихрь, в котором буксует естественная логика классической механики, основанная на законах Ньютона. Ведь вихри это самостоятельные объекты природы, в которых действует уже не классическая, а вихревая механика со своими законами, в основе которых лежит правило прецессии. И кстати, откуда в циклонах и в антициклонах возникает барический градиент? И почему согласно канонам современной метеорологии барический градиент в циклонах формирует скручивающуюся спираль, а в антициклонах не формирует раскручивающейся спирали? Ведь барический градиент в антициклонах также присутствует.

И тут же возникает следующая проблема. В циклоне циркуляция воздуха идёт вокруг центра против  часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке —в южном. В антициклоне же ситуация прямо противоположная. А сила Кориолиса работает как в пределах циклона, так и в пределах антициклона. Тогда почему эта сила в одном случае закручивает вихрь в одном направлении, а в другом случае раскручивает его в противоположном направлении? А может быть и сила Кориолиса здесь ни при чём?

Опровержение метеорологических мифов.

Тем не менее, сила Кориолиса свою функцию исполняет всё же исправно, формируя вихрь Тейлора с правильным направлением вращения. Но почему же появляются вихри с запрещённым направлением вращения? А вот вину за это метеорологическое непотребство берёт на себя закон сохранения момента количества движения. Если природа создаёт вихрь одного направления вращения, то закон сохранения момента количества движения требует создания и его антипода, вихря с неправильным направлением вращения. Вихри с правильным направлением вращения мы назвали антициклонами. А вихри с неправильным направлением вращения мы назвали циклонами.

Неизбежностью восхода и захода солнца природа постоянно формирует правильные вихри. Ведь солнце ночью не греет. Поэтому температура ночью понижается. И по земле летом постоянно шествует граница между ночной прохладой и дневной жарой. Естественно, что эта ситуация формирует конвекцию. Но конвекция конвекции рознь. Конвекция формируется и в комнате от нагретой батареи. Но вихря при этом не образуется, т.к. батарея по комнате не бегает. Покоится, скажем, тело в среде. И мы никак не можем обнаружить вихри, существующие в среде. И только движение тела в среде или среды относительно тела позволяет обнаружить вихри, возникающие в ламинарном подслое пограничного слоя [2].

Т.е. для формирования атмосферного вихря обязательно наличие горизонтального перемещения, что и имеется на двигающейся границе между ночной прохладой и дневной жарой. Поднимающийся при этом вверх тёплый воздух силой Кориолиса закручивается в правильном направлении, формируя антициклон. Зимой также действует этот же механизм формирования антициклонов.

Но в случае атмосферы ситуация отлична от движения тела в жидкой или в газовой среде. Относительно земной поверхности двигается конвекция. Сама же атмосфера неподвижна относительно земной поверхности. Поэтому и отсутствуют условия для работы закона сохранения момента количества движения. И движение по земной поверхности границы между ночной прохладой и дневной жарой может сформировать только одиночный вихрь антициклона. И антициклон функционирует в гордом одиночестве без создания своего антипода циклона.

Но природа создаёт и более резкие температурные границы между фронтами. Классикой природного жанра являются осенние и весенние границы между тёплыми и холодными фронтами. Конечно же, эти границы существуют и летом, и зимой. Но уж больно лениво они перемещаются в эти сезоны. То ли дело весной или осенью. На всём земном шарике сезонные границы резво бегают в эти сезоны то к северу, то к югу.

При этом сезонные перемещения направлены практически перпендикулярно направлению движения солнца по земной поверхности. Т.е. при сезонных изменениях граница между фронтами двигается либо на север, либо на юг. Следовательно, идёт изменение и величины силы Кориолиса. К тому же и солнце исправно всходит и заходит, что также создаёт соответствующий фронт. Иными словами граница между тёплым и холодным фронтами двигается уже под каким-то углом к направлению движения солнца. Всё это способствует тому, что в работу включается закон сохранения момента количества движения, формирующий как антициклон, так и циклон.

Но атмосфера обладает неуничтожаемым своеобразием. Ведь высотный барический градиент является объективной, не уничтожаемой реальностью. Столь же реальна и сила Кориолиса, направление действия которой совпадает с направлением вращения в антициклоне и противоположно направлению вращения в циклоне. Т.е. среда неоднородна. А циклон и антициклон являются вихрями Тейлора. В вихре же Тейлора в однородной среде любые слои (перпендикулярные оси вращения) при равных размерах обладают одинаковыми  количествами движения.

Но атмосфера к однородным средам не относится. Поэтому в атмосферном вихре Тейлора между соседними горизонтальными слоями равных размеров появляется естественное различие в величине количества движения. А тут ещё как чёрт из табакерки выскакивает сила Кориолиса. В антициклоне она вносит дополнительный вклад в соответствующие, стационарные величины количества движения.

А т.к. нижний слой вихря в силу своей большей плотности (и большей массы) имеет большую величину количества движения по сравнению с количеством движения верхнего слоя, то и сила Кориолиса даёт для него большую прибавку количества движения. Т.е. мы можем сказать, что нижний слой вращается относительно верхнего слоя. И горизонтально действующая сила от движения вихря по земной поверхности формирует противодействующую силу, по правилу прецессии направленную вниз к земле, что и создаёт в антициклоне повышенное давление.

В циклоне же ситуация прямо противоположна. Сила Кориолиса направлена против направления вращения в вихре. Т.е. сила Кориолиса уменьшает величину количества движения в соответствующих слоях по сравнению с её стационарным значением. И чем меньше масса горизонтального слоя, тем меньше и уменьшение величины количества движения. Следовательно, потери количества движения нижнего слоя больше потерь верхнего слоя вихря. И мы можем считать, что верхний слой в циклоне вращается относительно нижнего слоя. И как следствие правило прецессии в рассмотренной выше ситуации формирует противодействующую силу, направленную вверх, что и создаёт в циклоне пониженное давление.

Но как циклоны, так и антициклоны имеют циклопические размеры. Циклон — гигантский атмосферный вихрь с убывающим к центру давлением воздуха и циркуляцией воздуха вокруг центра против  часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке —в южном. Циркуляция же воздуха осуществляется не во всём объёме циклона, а в основном на его периферии. Т.е. не только в тропическом циклоне, но и в циклонах средних широт присутствует такое явление как глаз циклона. Существует глаз и в антициклоне.

Для современной метеорологии причины формирования глаза атмосферных вихрей являются тайной за семью печатями. Это явление даже не обсуждается ни в учебниках, ни в монографиях. А ведь любой чих в природе всегда имеет свою причину. И эта причина элементарна с позиций вихревой физики.

Любой вращающийся объект (будь то твёрдое тело или вихрь в воздушной или в водной среде) всегда порождает центробежную силу. Существование центробежной силы широко используется в современных технических устройствах (циклонах) для разделения компонентов смеси. Порождают центробежную силу и атмосферные вихри, как циклоны, так и антициклоны. Но почему центробежная сила не разрушает атмосферные вихри, а заставляет их принимать столь причудливую форму с глазом в десятки (для тропических циклонов) и в тысячи километров в циклонах и в антициклонах средних широт?

А для этого надо отказаться от метеорологического мифа [1] «Вблизи земной поверхности (до высоты 1—1.5 км) ветер имеет  слагающую, направленную внутрь циклона по барическому градиенту, и  циклон имеет вид сходящегося к центру вихря». Как циклон, так и антициклон являются вихрями Тейлора, в которых среда вращается не по сходящимся спиралям, а по концентрическим окружностям. А длина внешней окружности неизбежно больше длины внутренней окружности. Любой же из вихрей сформирован из элементарных вихрей, создающих трение качения вместо трения скольжения. И при одинаковой скорости движения по соответствующим окружностям элементарные вихри внутренней окружности опережают элементарные вихри внешней окружности.

Т.е. между элементами соседних окружностей неизбежно возникает трение скольжения. Сила трения скольжения имеет тангенциальное направление действия. Но для вращающихся объектов действует правило прецессии, которое гласит, что противодействующая сила перпендикулярна действующей силе и смещена в направлении вращения. А мы выяснили, что внутренняя окружность вращается относительно внешней окружности. Радиус же перпендикулярен тангенциально направленной силе. Поэтому тангенциально действующей силе трения скольжения противодействует сила, направленная по радиусу. А т.к. внутренняя окружность вращается относительно внешней, то по правилу прецессии противодействующая сила смещена в направлении вращения, т.е. она имеет центростремительный характер.

Следовательно, и в циклоне и в антициклоне центробежную силу уравновешивает центростремительная сила, которая, кстати, всё по тому же правилу прецессии увеличивает скорость движения элементов внутренней окружности по отношению к скорости движения элементов внешней окружности. Но для полноты изложения рассмотрим и механизм формирования в вихрях центробежной силы.

Но для этого следует отказаться от сказочек статистической физики, в соответствии с которыми молекулы газов беспорядочно мечутся в произвольных направлениях. Природа не настолько расточительна, чтобы позволить статистическому хаосу управлять своим поведением. В основе всех построений природы лежит вихревое движение, в рамках которого не действует закон сохранения энергии [3] (и выводы термодинамики о невозможности создания вечного двигателя столь же разумны, как и мнение Парижской Академии Наук о невозможности падения камней с неба).

Вихри возникают как на крыле самолёта при его полёте, так и на поверхности корабля, плывущего в океане, создавая аэродинамическое или гидродинамическое сопротивление (которые можно уничтожить, только заставив вихри двигаться не перпендикулярно потоку, а по направлению потока). Хаос же не может сформировать упорядоченного вихревого движения. Поэтому вихри являются объективной реальностью как для жидкой, так и для газовой среды.

Единственная проблема заключена в том, какой из вихрей может служить в качестве элементарного вихря (вихрь Тейлора или вихрь Бенара). Но она решается элементарно. Ведь вихри должны обеспечивать тепловое движение в жидкостях и в газах. Т.е. вихри должны уметь проползать через щели дислокаций. А на это способен только вихрь Бенара, который может как вытянуться по оси до состояния змеи, так и сжаться по оси.

Правило же прецессии в вихревом движении диктует, что сила трения скольжения, возникающая на поверхности тела двигающегося в воздушной или в водной среде (действующая в направлении противоположном направлению движения тела в среде), заставляет вихри двигаться по его поверхности в перпендикулярном направлении. И статистический хаос вместе с синергетикой оказываются  безработными. Поэтому в соответствии с правилом прецессии изначально существующие в воздухе (и в воде) вихри и формируют на крыле самолёта вихри Тейлора-Гёртлера [4], а на поверхности корабля и в канале [2] возникают системы вихрей Тейлора, о чём синергетика скромно умалчивает.

Следовательно, элементарными вихрями как циклона, так и антициклона могут быть только вихри Бенара. А вытягиваясь или сжимаясь по оси вихри Бенара изменяют соотношение между величинами вращательной (тангенциальной) составляющей своей энергии и осевой составляющей энергии. А выше мы выяснили, что элементарные вихри внутренней окружности двигаются по ней быстрее элементарных вихрей внешней окружности. Т.е. элементарные вихри внутренней окружности имеют большую осевую составляющую скорости движения, чем элементарные вихри внешней окружности. Соответственно элементарные вихри внешней окружности вращаются быстрее, чем элементарные вихри внутренней окружности.

Таким образом, мы можем сказать, что при рассмотрении этой компоненты движения уже не самого вихря Тейлора, а его элементарных вихрей внешняя окружность вращается относительно внутренней окружности. Естественно, что при этом появляется соответствующая величина силы трения скольжения. И по правилу прецессии противодействующая сила направлена по радиусу. А т.к. внешняя окружность вращается относительно внутренней, то противодействующая сила имеет центробежный характер.

Следовательно, в вихрях циклона и антициклона присутствуют как центростремительная, так и центробежная силы, которые обязаны уравновешивать друг друга. На небольшом радиусе атмосферного вихря мала величина центростремительной силы, которая определяется разницей в длинах соседних окружностей, по которым двигаются элементарные вихри. Поэтому на небольших радиусах вихря вращение просто не может существовать (величина центробежной силы больше величины центростремительной силы). И только на значительном удалении от центра вихря разница в длинах соседних окружностей достигает такой величины, которая и позволяет величине центростремительной силы сравняться с величиной центробежной силы. Поэтому и в циклонах, и в антициклонах глаз вихря имеет циклопические размеры. В тропических же циклонах энергия поступает в вихрь от конденсирующейся влаги. И глаз тропического циклона имеет уже величину порядка десятков километров.

Выше мы выяснили, что как циклоны, так и антициклоны формируют барический градиент. А вот здесь современная метеорология в какой-то мере права. Барический градиент в обязательном порядке формирует силу. В антициклоне эта сила стремится выровнять градиент, иными словами стремится уничтожить вихрь. В циклоне же эта сила имеет центростремительный характер. И сила барического градиента отрывает от стены циклона небольшие вихри, которые во внутренней окрестности стены формируют либо небольшие дожди, либо грозы. Ушла из какой-то местности стена циклона. Облачность исчезает. И о наличии циклона нам напоминает только атмосферное давление. Сила барического градиента существует и в глазе тропического циклона. Поэтому и в нём наблюдаются редкие облачка, либо локальное вихревое движение.

Литература.

  1. Хромов С.П. Петросянц М.А. Метеорология и климатология. Изд. Московского Университета, Изд. Наука 2006 г.
  2.  Sirovich L., Ball K. L., Keefe L. R. Plane waves and structures in turbulent channel flow. Phys Fluids A2 (12), December 1990, 2217-2226
  3. Букреев В.С. Крупномасштабная циркуляция в океанах и морях. http://bvas81240.ucoz.ru/publ/krupnomasshtabnye_cirkuljacii_v_okeanakh_i_morjakh_2/1-1-0-17
  4.  Г. Шлихтинг. Теория пограничного слоя. "Наука”, М. 1969.

 

Категория: Мои статьи | Добавил: Василий (22.06.2012)
Просмотров: 1192 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Имя *:
Email *:
Код *:
Поиск
Друзья сайта
  • Официальный блог
  • Сообщество uCoz
  • FAQ по системе
  • Инструкции для uCoz

  • Бесплатный хостинг uCoz