Главная - Смерчи - Параметры смерчей
Friday 24th of November 2017

Последствия:

Молдавия высохла на 80 процентов

News image

Затяжная засуха в Молдавии затронула 80 процентов ее территории, сообщает ИА...

Засуха помогает сибирским крестьянам сбывать прошлогодн

News image

Небывалая засуха в европейской части России поневоле помогает решить проблемы со...

Наперекор засухе

News image

Огромный ущерб наносят сельскому хозяйству России засухи, и все чаще по...

Тайфуны:

Хагупит свирепствует: на юге КНР уже эвакуированы 100

Под ударами тайфуна Хагупит , самого мощного на юге КНР за последнее десятилетие, около 100 тыс человек эвакуированы ...

Тайфун Моракот на Тайване унёс жизни более 140 челове

До 141 человека возросло сегодня число жертв разрушительного тайфуна Моракот на острове Тайвань. Об этом сообщает УН...



Параметры смерчей
Природные катаклизмы - Смерчи

параметры смерчей

Теория смерча была разработана на основании достоверного утверждения, что воронка смерча всегда приходит на землю сверху, а ослабев , вновь поднимается наверх. Значит вес воронки должен быть больше веса вытесненного ею воздуха, т.е. по закону Архимеда она будет падать . Тя-желее воздуха в атмосфере может быть только воздух, насыщенный водой и/или льдом. Поэтому правдоподобным будет предположение, что воронка смерча представляет собой вращающийся поток дождя и града, свернутый в спираль в виде относительно тонкой стенки. Содержание воды в стенках во-ронки должно по массе во много раз превосходить содержание там воздуха. Если плотность сухого воздуха составляет 1,3-1,4 кг/м3, то плотность воздуха, содержащего воду и лед внутри стенок смерча, может составлять 50 и более кг/м3.

Если воронка смерча обладает массивными стенками, то их вращение должно приводить к расширению воронки и понижению давления воздуха внутри нее из-за действия центробежных сил. Расширение воронки происхо-дит до тех пор, пока перепад давления снаружи и внутри не уравновесит дей-ствия центробежных сил. Если выделить из стенки площадку S, то снаружи на нее будет действовать сила p S. Равновесие с центробежными силами наступит при условии: p S=mv2/R, где m - масса, приходящаяся на единицу площади стенки; v - скорость стенки; R - радиус воронки.

Приведенное, почти очевидное, условие равновесия стенки воронки приводит к ряду прямых следствий, которые естественно объясняют многие свойства смерчей.

Рассчитаем параметры смерча средней силы. Пусть он имеет диаметр 200 м, высоту Н=2 км, перепад давления p=0,5 атм. и скорость вращения стенки 145 м/с. Определим массу, приходящуюся на единицу площади стенки : = ст lст . Плотность стенки можно считать примерно равной 50 кг/м3, эта плотность обеспечивает устойчивость стенок при заданном перепаде давления снаружи и внутри воронки. При толщине стенки 5 м =250 кг/м2. Общая масса стенки смерча составит 300 тыс.т. Эта масса, вращаясь с заданной скоростью, обладает кинетической энергией W = Mv2/2 = 4,4 1012 Дж. При вращении смерч теряет энергию на трение об окружающий воздух. Сила трения Fтр.и мощность потерь Nтр. выразятся известными соотношениями:

где =1,7 10-5 кг/(м с) - коэффициент вязкости воздуха; S - площадь сопри-косновения слоев (в нашем случае S=6,28 105 м2); v/ d - градиент скорости. Как отмечалось выше, на расстоянии 1-2 м от стенки смерча ветра не ощу-щается. Поэтому, приняв d=1 м и v=150 м/с, получим v/ d =150 с-1, и мощность потерь составит Nтр.= 225 кВт. За одинчас потери на трение соста-вят 0,8 108 Дж. Видно, что по сравнению с запасенной в стенках энергией эти потери ничтожны, и поэтому трение, по существу, не оказывает влияния на время жизни смерча, которое определяется иными энергетическими потеря-ми. В частности, при опускании смерча вниз всего на 1 м/с он потеряет на об-разование каскада 2,2 109 Дж. и время его жизни без внешней подпитки со-ставит 10-20 мин.

У смерчей, которые рождаются в море или идут по песку и пыли, усло-вия для образования каскада особенно благоприятны, и поэтому они быстро расходуют свою энергию.

Рассмотрим поведение любого предмета, который попал в стенку во-ронки. Стенка увлекает предмет, и он, приобретая скорость v, начинает вра-щаться вместе со стенкой вокруг оси смерча по окружности радиусом R. Что-бы оно в дальнейшем осталось на этом радиусе, центробежные силы долж-ны быть уравновешены перепадом давления в стенке. Для простоты рас-смотрим тело площадью S, толщиной d и плотностью т. Тогда центробеж-ная сила Fц выразится соотношением: Fц =( S d тv2т)/R.

Определим перепад давления р в слое толщиной d. Если толщина стенки воронки l и плотность стенки ст, то полный перепад давления на стенке толщиной l составит рст =( S l стv2ст)/R. Поэтому перепад давления на толщине предмета d составит рd = рст ( d/ l). Приравнивая Fц и рd, получаем очевидное соотношение: т v2т= ст v2ст.

Видно, что легкие тела, такие как пушинки, соломинки остаются внутри воздушного вихревого слоя смерча и достигают самых больших скоростей вплоть до звуковых. Более плотные предметы - ткани, бумага, пустые легкие замкнутые объемы с промежуточными значениями средних плотностей, уже при сравнительно малых скоростях перемещаются внутрь плотной стенки во-ронки, достигают там скоростей, равных линейной скорости стенки. Если плотность тела меньше плотности стенки, то тело так и остается в стенке и не покидает смерча, перемещаясь вместе с ним на большие расстояния. Ес-ли тело имеет высокую плотность т ст, то оно может остаться в смерче только до достижения некоторой скорости vкр, которая выражается соотноше-нием: . Например, в смерче с вышеописанными параметрами, у которого плотность стенки составляет 50 кг/м2, а v=150 м/с, камни плотно-стью 2500 кг/м3 могут достичь скорости не более 22 м/с, животные, люди, у которых плотность равна 1000 кг/м3 - не более 30 м/с. До достижения этих скоростей тела вращаются вместе со стенкой воронки и как бы плывут на ее внутренней поверхности, погружаясь по мере роста скорости вглубь воронки.

Смерч может всосать и поднять ввысь большую порцию снега, песка и др. Как только скорость снежинок или песчинок достигает критического зна-чения, они будут выброшены через стенку наружу и могут образовать вокруг смерча своеобразный футляр или чехол. Характерной особенностью этого футляра-чехла является то, что расстояние от него до стенки смерча по всей высоте примерно одинаково: оно определяется скоростью, которая у всех частиц с одинаковой плотностью оказывается одинаковой. Важный частный случай, когда плотность тела, попавшего в смерч, близка к плотности стенки воронки. В этом случае равновесная скорость для тела совпадает со скоро-стью стенки. Если тело попадает на внутреннюю поверхность стенки, то на него действует воздушный вихрь, вращающийся внутри воронки, скорость тела возрастает и станет больше равновесной. Тело сместится к внешней поверхности стенки. Здесь под действием трения о внешний воздух тело за-тормозится, скорость станет меньше равновесной, и тело вновь сместится к внутренней поверхности стенки. Поэтому тела с плотностью стенки оказыва-ются устойчивыми внутри стенок. Таким образом внешний и внутренний по-верхностные слои оказываются в совершенно необычных условиях, при ко-торых на них непрерывно действуют силы, стремящиеся убрать их с поверх-ности и заглубить внутрь стенки, т.е. силы, которые по своим свойствам напоминают силы поверхностного натяжения. Эти силы придают стенкам смерча повышенную устойчивость к возмущениям, делают их однородными по плотности, гладкими, четко ограниченными.

Мы рассмотрели кинематические и динамические свойства воронки смерча. Было установлено, что воронка является достаточно устойчивым об-разованием, она может существовать долго, проходить большие расстояния, лишь бы в нее в достаточном количестве поступал сверху вращающийся по-ток дождя. По сути дела, воронка - это особый вид осадков из грозовой тучи. Поэтому проблема происхождения воронки и существования смерча обу-словливается процессами в верхних слоях тропосферы: именно там опреде-ляется, хлынет ли из тучи просто сильный дождь или этот дождь свернется в воронку и будет сам себя поддерживать, т.к. воронка засасывает в себя большие массы влажного воздуха и забрасывает их в верхние слои. Эти мас-сы воды могут оказать решающее влияние на дальнейшую судьбу смерча.

Рассмотрим в первом приближении процессы, возникающие в грозо-вых облаках. Обильная влага, попадающая в облако из нижних слоев, выде-ляет много тепла, и облако становится неустойчивым. В нем возникают стре-мительные восходящие потоки теплого воздуха, которые выносят массы вла-ги на высоту 12-15 км, и столь же стремительные холодные нисходящие по-токи, которые обрушиваются вниз под тяжестью образовавшихся масс дождя и града, сильно охлажденных в верхних слоях тропосферы. Мощность этих потоков особенно велика из-за того, что одновременно возникают два потока: восходящий и нисходящий. С одной стороны, они не испытывают сопротив-ления окружающей среды, т.к. объем воздуха, идущего вверх, равен объему воздуха, уходящего вниз. С другой стороны, затраты энергии потоком на подъем воды вверх полностью восполняется при падении ее вниз. Поэтому потоки имеют возможность разгонять себя до огромных скоростей (100 м/с и более).

В последние годы была выявлена еще одна возможность подъема больших масс воды в верхние слои тропосферы . Часто при столкновении воздушных масс происходит образование вихрей, которые за свои относи-тельно небольшие размеры получили название мезоциклонов. Мезоциклон захватывает слой воздуха на высоте от 1-2 км до 8-10 км, имеет диаметр 8-10 км и вращается вокруг вертикальной оси со скоростью 40-50 м/с. Существование мезоциклонов установлено достоверно, структура их исследована достаточно подробно. Обнаружено, что в мезоциклонах на оси возникает мощная тяга, которая выбрасывает воздух на высоты до 8-10 км и выше. Наблюдателями было обнаружено, что именно в мезоциклоне иногда зарождается смерч (рис.9).

Наиболее благоприятная обстановка для зарождения воронки выпол-няется при выполнении трех условий. Во-первых, мезоциклон должен быть образован из холодных сухих масс воздуха. В этом случае по его высоте воз-никает особенно большой температурный градиент, близкий к адиабатиче-скому значению. Во-вторых, мезоциклон должен выйти в район, где в при-земном слое толщиной 1-2 км скопилось много влаги при высокой температу-ре воздуха 25-35оС, т.е. создано состояние неустойчивости приземного слоя, готового к образованию ячеек с восходящими и нисходящими потоками. Про-ходя над этими районами, за короткое время мезоциклон засасывает в себя влагу с больших пространств и забрасывает ее на высоту 10-15 км. Темпера-тура внутри мезоциклона по всей высоте скачком повышается за счет прине-сенного влагой тепла, накопленного не только насыщенным паром, но и во-дяными каплями. Третье условие - это выбрасывание масс дождя и града. Выполнение этого условия приводит к уменьшению диаметра потока от пер-воначального значения 5-10 км до 1-2 км и увеличению скорости от 30-40 м/с в верхней части мезоциклона до 100-120 м/с - в нижней части.

 


Читайте:


Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Карта катаклизмов:

News image

Последствия ливня в Днепропетровске

По информации центра пропаганды ГУ МЧС в Днепропетровской области, в результате ливня, прошедшего в пятницу, 2 октября, сопровождавшегося штормовым ...

News image

Стихия: Москва сдержала первый напор зимы

Все торговые центры, не очистившие от снега паркинги и крыши, будут закрыты В результате первого в эту зиму мощного снегопада, обрушившегося на М...

News image

Поезда с 700 людьми, двое суток находившиеся в снежном

Два пассажирских поезда, попавших в четверг в снежный плен, прибыли в Южно-Сахалинск. Больше 700 пассажиров, находившиеся вторые сутки в вагонах, пр...

News image

Штормовое предупреждение: Крым завалило снегом и сущест

В Крыму объявлено штормовое предупреждение, 20-21 марта в районе горы Ай-Петри существует опасность схождения снежных лавин. Об этом сообщили в прес...

Виды природных катастроф:

News image

Основные преимущества фильтров для воды

Сегодня ни для кого не секрет, что тело человека на 80 процентов состоит из воды. В связи с этим специалисты утверждают, что между человеческим здор...

News image

Безопасна ли водопроводная вода

Сегодня все люди, в том числе и школьники из курса биологии знают, что человек на 80 процентов состоит из воды. Имеется экспертное мнение о том,...