2 месяца назад
Нету коментариев

Модель смерча

Причины воз­никновения и эволюции смерчей еще не до конца выяснены. По­этому большое значение имеет теоретическое и эксперименталь­ное моделирование смерчей. В основе большинства моделей лежит теория Вегенера, исходя­щая из того, что развитый гори­зонтальный вихрь в облаке и есть материнский, порождающий по­бочные. Выпадая из облака, вихрь изгибается к земле, восприни­маясь как более или менее вер­тикальный облачный «рукав».

При лабораторном моделиро­вании создают вращающийся столб влажного и теплого возду­ха внутри цилиндра. В нем зада­ют разные режимы скорости вра­щения, распределения темпера­туры и влажности воздуха, вду­ваемого в цилиндр (обычно сни­зу) и выбрасываемого из него (сверху). Удается исследовать распределениесоставляющих

скоростей движения на разных расстояниях от оси созданного вихря. Благодаря опытам удалось разобраться в таких эффектах, как влияние трения на эволюцию во­дяного смерча при выходе его на сушу, на интенсивность сходи­мости потоков, влияние страти­фикации на устойчивость смерча и многое другое, касающееся структуры и эволюции смерча.

В теоретических моделях смер­чей, построенных (1960—1973 гг.) на основе решения систем нели­нейных уравнений термогидроди­намики, их рассматривают как процесс, обусловленный наличием в атмосфере больших вращатель­ных моментов и влагонеустойчивости (В. В. Шулейкин, В. М. Мальбахов и др.)- Распределением плавучести в восходящем потоке мощной грозовой системы можно объяснить возникновение смерча, если скорость вращения и верти­кальные градиенты температуры достигнут определенных пределов. Существенное значение име­ет скрытое тепло, выделяющееся в зоне мощной конвекции и кон­денсации.

На каждую модель приходится накладывать различные ограни­чения, удаляющие ее от реаль­ной картины. Так, например, ис­ходят из допущения, что под­облачный слой однороден, верти­кальный градиент температуры в нем адиабатический, воздушный поток устойчив, симметричен, соблюдается гидростатичность, циклострофичность и пр. А в дей­ствительности структура смерча более сложная. Кроме того, об­наружены такие эффекты, кото­рые в моделях не учитываются, хотя и могут существенно влиять на процесс. Так, например, уста­новлено, что мощные конвектив­ные потоки в кучевых облаках могут быть причиной возникнове­ния внутренних гравитационных волн в атмосфере (длиной поряд­ка ста километров).

Наблюдения показали, что смерчам сопутствуют атмосфер­ные радиопомехи, смерчи явля­ются источником электромагнит­ных волн различных частот: во­круг узких водяных смерчей об­наружены электрическое и маг­нитное поля.

Модели позволили проследить за фазами (стадиями) развития смерчей: термик, возникновение вихря, развитый вихрь с ворон­кой, угасание. Академик В. В. Шулейкин в своей модели (1973 г.) исходил из допущения, что смерч представляет собой как бы ино­родное тело, которое движется в потенциальном потоке как твердое. Из этого предположения исходили и прежде, опираясь на данные лабораторных исследова­ний. Действительно, воронка смерча благодаря быстрому вра­щению напоминает собой «ди­намическую стенку», подобную твердому телу, все части которого вращаются с одинаковой угловой скоростью.

Теоретические исследования вскрыли важные детали струк­туры смерчей. Это касается, на­пример, роли вертикального сдви­га ветра и вертикальной скорости ветра: для одного из смерчей она оказалась равной 70 м/с, сравни­мой с тангенциальной составляю­щей скорости. Определено, чтовток воздуха в смерч происходит главным образом в тонком при­земном слое атмосферы и из не­большой зоны вокруг смерча. Обнаружены различные сочетания втока-оттока с опусканием и подъ­емом воздуха в смерче. Продол­жаются различные численные экс­перименты — построения модели материнского облака, стационар­ной и нестационарной, в сухом и влажном воздухе и т. п. Основные теоретические работы выполнили И. А. Кибель, Дж. Малкус, Дж. Витт, Е. Огура, А. Д. Амиров, Д. Лилли, Т. Такеда, С. Л. Лебедев, B. М. Мальбахов, Р. С. Пастушков, C. И. Шметер, Н. И. Вульфсон и многие другие, занимавшиеся проблемой конвективных облаков, смерчей ишквалов, грози града.

Однако проблема смерчей еще далека от разрешения. Слишком многочисленны и разнообразны факторы и энергетические меха­низмы, которые необходимо учи­тывать. Поэтому очень велика роль непосредственных наблю­дений, в том числе экспедицион­ных, которые, в свою очередь, чрезвычайно сложны и трудоемки.

И несмотря на это, многое уже известно. Это дает возможность не только прогнозировать усло­вия, благоприятные для возникно­вения шквалов и смерчей, но и разрабатывать средства искусст­венных воздействий на мощные кучево-дождевые облака.

Рассеивание материнских обла­ков

Вихревые движения вообще недостаточно изучены даже в ин­женерных задачах. В природе вихри развиваются при большой неустойчивости стратификации и вихревости атмосферы, напри­мер при крупных лесных пожа­рах, извержениях вулканов, мощ­ных взрывах. При таких явлениях над этими объектами часто воз­никают кучевые облака. Отсюда идея управления развитием обла­ков. Широко известен, например, метеотрон Дессана во Франции, с помощью которого в атмосфере создают сильную конвективную струю, увенчивающуюся облаком.

Коль скоро шквалы и смерчи связаны с Сb, чреваты градом, гро­зой и ливнем, то их рассеивание должно предотвратить возникно­вение этих опасных явлений пого­ды. Известны работы по активным воздействиям на облака с самоле­тов с целью рассеивания облаков и получения искусственных осад­ков. Их ведут многие научные центры, в том числе и в СССР.

Наблюдениями установлено, что зачастую смерч, попав на сильнопересеченную местность и скалы, снизу рассеивается. Это бывает и при пересечении им за­строенной части города. Смерч как бы тормозится, теряет свою форму внизу, тогда как подоблач­ная часть уносится под действием господствующего воздушного по­тока. Такой разрыв нередко со­провождается исчезновением смерча. Бывает это и при подхо­де смерчей к окружающим город лесам, насыпям, горным кряжам. Так что есть определенные надеж­ды на возможность защиты соору­жений от смерчей.

Теоретические исследования и наблюдения, выполненные с «летающих лабораторий», пока­зали, что смерч угасает, когда прекращается поступление в него снизу влажного и теплого воздуха и усиливается опускание холодно­го воздуха в мощных облаках. Отсечение области, из которой в вихрь может поступать дополни­тельное тепло, — это путь, по ко­торому идут в поисках управления такими грозными явлениями по­годы.

comments powered by HyperComments