Физика тропических циклонов и ураганов

Физика тропических циклонов и ураганов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

САХАЛИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет природопользования

РЕФЕРАТ

По дисциплине «Физика»

На тему: «Физика тропических циклонов

и ураганов»

Выполнил студент 2 курса специальности «природопользования» (пр. 256)

Шевцов Константин Влидимирович

Проверил преподаватель   Ершов В.В.

Южно-Сахалинск

2006

СОДЕРЖАНИЕ

1                   ВВЕДЕНИЕ                                                                               3

2                   ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ                                                3

3                   ТРОПИЧЕСКИЕ ЦИКЛОНЫ И УРАГАНЫ                                      4

4                   МОДЕЛИ И ТЕОРИИ                                                               6

5                   ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ И ИХ АНАЛИЗ                            7

6                   Иллюзорность сил Кориолиса                                  11

7                   РОЖДЕНИЕ И НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ЦИКЛОНОВ       13

8                   ПОДЪЕМНАЯ СИЛА ТОРНАДО                                            16

9                   «СТРАТЕГИЯ СДЕРЖИВАНИЯ»                                           18

10               СВЯЗЬ С СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТЬЮ                             19

11      ПЕРЕНОСЧИКИ ВЛИЯНИЯ                                                    20

12      РОЛЬ РАДИАЦИОННОГО ПОЯСА ЗЕМЛИ                          21

13      ЭЛЬ-НИНЬО — ВОЗМУТИТЕЛЬ ПОГОДЫ                          23

14      МОЖНО ЛИ УПРАВЛЯТЬ УРАГАНАМИ?                                      25

15      ЗАКЛЮЧЕНИЕ                                                                         26

16      СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ                    26

ВВЕДЕНИЕ

На Земле — самой спокойной и, скорее всего, единственной приспособленной к жизни планете Солнечной системы — все же случаются природные катастрофы. Одни из самых опасных — штормы и ураганы, вызывающие огромные разрушения, экологические бедствия, неизмеримость (вопреки цифрам) человеческих жертв. Наука давно ищет способы устранения этих катаклизмов, но способна пока лишь на долговременный прогноз мест их появления и степени опасности. Поиски «рычагов воздействия» на непокорную природу продолжаются. С появлением более мощных технических средств, в первую очередь связанных со спутниками и исследованием космоса, возобновляются попытки «обуздания» катастроф. И в последнее время получены определенные результаты по выявлению причин возникновения ураганов и возможности укрощения их силы.

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Ускорение Кориолиса — ускорение относительно поверхности Земли, испытываемое любым движущимся телом вследствие того, что вращающаяся Земля не является инерциальной системой координат. Ускорение Кориолиса связано только с подвижной системой отсчета».

Сила Кориолиса — одна из сил инерции, существующая во вращающейся системе отсчёта и проявляющаяся при движении в направлении под углом к оси вращения.

Сила барического градиента — Изменение давления в пространстве называется «барическим градиентом». Следствием барического градиента является сила, которая направлена от более высокого давления к более низкому. Эта сила называется «силой барического градиента». Сила барического градиента является той причиной, которая приводит в движение воздушные массы.

Ураган — это автономно развивающаяся термодинамическая система (тепловая машина Карно), в которой имеются два температурных уровня: высокий (температура океана), низкий (верхнего слоя тропосферы) и теплоноситель — водяной пар.

Цикл Карно́ — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД и нулевой мощностью.

Квазистационарный процесс — процесс, протекающий в ограниченной системе и распространяющийся в ней так быстро, что за время распространения этого процесса в пределах системы её состояние не успевает измениться. Поэтому при рассмотрении процесса можно пренебречь временем его распространения в пределах системы.

Вольфа число — Характеристика интенсивности активности Солнца Для определения числа Вольфа достаточно с использованием простейших средств наблюдения подсчитать количество солнечных пятен и их групп на видимом в данный момент диске Солнца.

ТРОПИЧЕСКИЕ ЦИКЛОНЫ И УРАГАНЫ

Тропики — самое горячее место на Земле. Здесь Солнце, находящееся в зените, наиболее сильно нагревает сушу и океан, поверхностная температура которых оказывается самой высокой. Средним и полярным широтам достается намного меньше солнечного тепла. Чтобы избежать тропического перегрева и равномерно распределить тепло по планете, природа привела в действие воздушные и морские течения (муссоны, пассаты, гольфстрим), которые из-за своей медлительности не справляются полностью с задачей глобального переноса тепла. На помощь приходят тропические циклоны, вихревые потоки в атмосфере, дающие более быстрый и эффективный отвод солнечной энергии из экваториальной зоны. Самые мощные и разрушительные циклоны — тропические штормы и ураганы. Они — неизбежные и весьма полезные проявления земной погоды, осуществляющие быстрый перенос тепла. Без них Земле грозил бы «тепловой удар», наверное, еще более страшный, чем сами ураганы. Отсюда, однако, не следует, что на их разрушительную силу нельзя повлиять. Молнии — тоже неизбежный и полезный этап развития грозы, но их угрозу успешно устранил молниеотвод Б. Франклина, неудачно названный громоотводом.

С тропическими ураганами в Атлантике европейцы познакомились после открытия Америки Колумбом, когда многочисленные суда стали бороздить океан, направляясь в Новый Свет. Корабли и целые флотилии гибли от свирепых бурь, окрещенных адмиралом Ф. Бофортом ураганами. Шекспировская «Буря» — исторически верное свидетельство урагана 1609 года, который преградил путь кораблям колонистов и заставил их высадиться на необитаемых Бермудских островах. Восточные, в Тихом и Индийском океанах, мощные тайфуны были известны намного раньше.

По классификации, введенной Бофортом в 1802 году, шторм — это тропический циклон со скоростью ветра более 17 м/с, ураган — ветер рвет паруса, его скорость больше 33 м/c, главный ураган — скорость свыше 50 м/с (около 200 км/ч). Максимальная скорость ветра в урагане доходила до 550 км/ч. Американский исследователь У. Редфилд собрал первые сведения об ураганах Атлантического океана и правильно описал их как единые спиральные структуры (1831). Он же предложил первую (циркуляционную) модель тропических циклонов. Их систематическое исследование, положившее начало попыткам обуздать ураганы, стало возможным только в ХХ веке и наиболее полно во второй его половине, с запуском искусственных спутников. Наблюдения с них позволили наконец проследить эволюцию развития урагана с момента его зарождения и выявить пути следования. В настоящее время работает разветвленная служба слежения за ураганами.

Разрушительные ураганы с многочисленными жертвами бывали и раньше. Но череда страшных атлантических ураганов, материальные потери от которых исчисляются миллиардами долларов, а жертвы — сотнями и тысячами жизней, пришлась на наше время: конец прошлого — начало нового века: Hugo (1989), Andrew (1992), Opal (1995), Mitch (1998), Georges (1998), Charlie, Frensis, Ivan, Jeanne — 2004. В 2005 году прошел двадцать один ураган, среди которых особенно разрушительными стали Katrina, Rita, Sten, Vilma, затопившие Новый Орлеан и уничтожившие нефтяные платформы в Мексиканском заливе. В последнее время наблюдаются цепочки ураганов, следующих друг за другом по одному пути, что указывает на возможность множественной генерации тропических циклонов, на режим супертайфуна, охватывающего заметную часть экватора.

МОДЕЛИ И ТЕОРИИ

Условия образования тропического циклона, перерастающего в ураган, хорошо известны. Он возникает там, где высока температура воды (не менее 26 градусов). Это первое необходимое условие обеспечивает сильное испарение с поверхности океана, насыщение вихря водяным паром. Второе условие менее прозрачно, но столь же необходимо — малый градиент (перепад) скорости ветра по высоте вихря, который поддерживает конвективные облачные ячейки (его энергетические «батарейки») и не дает циклону распасться на мелкие вихри. Известен ряд сопутствующих факторов: резкий температурный контраст поверхности океана, скопление кучевых облаков и т.д. Подмечены корреляции ураганов с другими погодными явлениями: циркуляцией ветров в стратосфере, дождями в Западной Африке, явлением Эль-Ниньо (загадочным потеплением воды в Тихом океане).

В разное время создавались модели развития ураганов, вначале феноменологические, позднее физически обусловленные, основанные на известных процессах теплообмена между атмосферой и океаном. Удивительно — лучшее согласие с наблюдениями давали модели «среднего уровня», описывающие поведение вихря не слишком подробно, но и не очень грубо. Изощренные модели упускали, видимо, какую-то важную «деталь», которая в простых представлениях незримо присутствовала. В целом модели давали правильный ход развития уже возникшего шторма, набор его энергии и разрушительной силы.

Выделяемая энергия черпается из тепловой энергии океана и потенциальной энергии высотной неустойчивости атмосферы, переходящих в кинетическую энергию вихря. Пока ураган движется над океаном, его сила нарастает, но, выйдя на сушу, он теряет связь с энергетическим источником и быстро, за несколько дней, затухает, успев, однако, наломать немало дров. Разрушительная сила урагана не только в его огромной скорости и мощи ветра, но и в обилии влаги, вызывающей проливные дожди, наводнения, сели, обвалы.

Сценарий развитого шторма, перерастающего в ураган, а затем — в главный ураган, хорошо «работает», то есть достаточно правильно описывает реальные явления. Остается непонятым, почему ураганы образуются в строго определенных местах (атлантические — у берегов Западной Африки, тихоокеанские — в районе Филиппин и Индонезии) и в особые моменты времени, тогда как в другое время те же по виду тропические циклоны не становятся ураганами. До сих пор не понят механизм возникновения циклона, в котором начинает «на автомате» работать «машина Карно». По-видимому, нужна начальная встряска, некий спусковой механизм, порождающий первичный автономный вихрь.

ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ И ИХ АНАЛИЗ

Прежде всего, чтобы явным образом учесть наличие неустойчивости, приводящей к формированию крупномасштабного вихря, модифицируем предложенное в монографии уравнение для максимальной скорости ветра в тропическом циклоне V следующим образом

где T – температура поверхности океана в области тропического циклона (ТЦ), T* – пороговое значение этой температуры, выше которой происходит усиление возмущений и генерация вихря, слагаемое — σV2 определяет потери энергии, обусловленные диссипативными процессами, возрастающие с ростом интенсивности вихря. Будем полагать, что скорость ветра V измеряется в м/сек, температура T в °С, а время t в сутках. Тогда, согласнохарактерные значения параметров в уравнении (1) следующие: γ ≤ 1, T* = 26.5, σ = 3*10—3.

Для температуры поверхности океана T воспользуемся уравнением [2]

Здесь T1 температура холодной воды, поднимающейся в ТЦ из нижних слоев океана к его поверхности (T1 = 23), Tf равновесная фоновая температура в отсутствие обусловленных ТЦ возмущений, значение которой определяется балансом тепла в данном сезоне, τ характерное время установления равновесной температуры. Ниже принимается τ = 10, β = 3.10-4, Tf = (28 ÷ 30).

Учет затухания урагана, обусловленного, например, его выходом на более холодную воду, будем моделировать выбором переменного параметра Tf (t). В численных расчетах использовалась функция

(3)

где Tf1 равновесная температура на стадии формирования и последующего квазистационарного состояния вихря, t1 определяет время выхода ТЦ в область более холодной воды с понижением температуры на δTf, τd характерное время смещения ТЦ в область более холодной воды.

Таким образом в рассматриваемой нелинейной модели появились дополнительные управляющие параметры δTf, τd, t1.

Система нелинейных уравнений (1), (2) с нестационарной равновесной температурой (3) решалась численно для различных значений входящих параметров. На рис.1 показаны графики зависимости от времени скорости ветра и температуры поверхности океана в формирующемся тайфуне для модели работы при значении равновесной температуры Tf = 28. В рамках модифицированной модели (1), (2) временная динамика скорости ветра и температуры поверхности в формирующемся вихре представлена на рис.2 для следующих значений входящих параметров:

На квазистационарной стадии вихря температура T принимает значение 26.57, которое слегка выше пороговой величины T∗ = 26.5. Для полного жизненного цикла тайфуна (с учетом стадии его затухания) динамика скорости ветра и температуры поверхности показана на рис.3 при следующем выборе входящих параметров:

Tf1 = 28, δTf = 2, τ = 10, γ = 1, β = 6*10-4, σ = 3*10-3, V (0) = 0.3, T (0) = 28, t1 = 20, τd = 1.

При этом на квазистационарной стадии ТЦ скорость ветра достигает значения V = 45.63, температура снижается до величины 26.64. На конце стадии затухания она становится близкой к 24. Изменением исходных параметров системы можно менять динамику рассматриваемого процесса.

Иллюзорность сил Кориолиса.

В ортодоксальной физике до сих пор отсутствует ясное понимание как механизмов рождения циклонов и торнадо, так и присущих им свойств, например, «глаза» тропического циклона или «подъёмной силы» торнадо.

Традиционный подход к атмосферным вихрям основан на том факте, что в северном полушарии циклон закручивается против часовой стрелки, а в южном – по часовой стрелке. Делается вывод, что важную роль при образовании атмосферных вихрей играет глобальное вращение атмосферы вместе с Землёй. Глобальное вращение, как считается, влияет на динамику локальных процессов через силы Кориолиса. Поэтому сила Кориолиса непременно учитывается в балансе сил, действующих на элементы движущихся воздушных масс. Отсюда, на наш взгляд, и проистекают главные затруднения в теориях атмосферных вихрей.

Сила Кориолиса будучи разновидностью сил инерции, является не более чем математической формальностью, поскольку кориолисово ускорение обусловлено не силовым воздействием, а ускорением, которое имеет система отсчёта. Несиловой характер кориолисова ускорения особенно нагляден при рассмотрении движения ИСЗ. Как известно, плоскость орбиты спутника, имеющая ненулевое наклонение, вращается относительно поверхности Земли. Ясно, что это вращение вызывается отнюдь не действием силы: слишком очевидно — особенно с оглядкой на «неподвижные звёзды» – что вращается не плоскость орбиты спутника, а сама Земля. Казалось бы, всё происходит совершенно аналогично и при полёте баллистической ракеты, и при колебаниях маятника Фуко. Но здесь, как утверждают математики, уже не обойтись без силы Кориолиса.

С математиками нам дискутировать бесполезно; им безразлично, камень ли падает на Землю, или, наоборот, Земля падает на камень, влекомая «силой инерции». Математике это всё равно, физике – нет. Физик обнаруживает, что при столкновении камня с Землёй выделяется энергия, равная половине квадрата скорости столкновения, умноженной на массу камня, а не на массу Земли. Физику становится ясно, что падал именно камень: противоположное мнение абсурдно в свете закона сохранения и превращения энергии. Но математиков это не убеждает, и они пытаются отыскать доказательства реальности сил инерции.

В случае с силой Кориолиса эти доказательства основаны на догмате: «Объекты, горизонтально движущиеся в северном полушарии, отклоняются вправо». Однако, если это отклонение вправо является результатом силового действия, то боковая сила должна действовать не только на летящие объекты, но и на объекты, движущиеся в контакте с поверхностью Земли. Примеры, якобы подтверждающие этот вывод, приводятся почти в каждом современном учебнике по механике: это – для северного полушария – преимущественное размывание правых речных берегов, а также ускоренный износ правых рельсов железных дорог. Но заглянем в энциклопедический словарь: «Под влиянием течения, в водополье довольно сильного, русло Оби ежегодно меняется, причём в пределах южной части Томского округа уклоняется на запад, подмывая нагорный левый берег и занося правый илом и песком». Этот пример с Обью, губительный для математического подхода, прекрасно согласуется с подходом физическим: у рек в обоих полушариях преимущественно размывается западный берег, на который вода набегает сильнее из-за вращения земной поверхности на восток. Аналогично, интенсивнее изнашиваются не правые рельсы, а западные. Таким образом, допущение о реальности сил Кориолиса приводит, в доброй половине случаев, к неверным выводам.

Ещё раз мы убедились в том, что кориолисово ускорение наблюдается тогда, когда объект движется, фактически, свободно, и это ускорение является результатом всего лишь математического сложения свободного движения объекта с вращательным движением системы отсчёта. Судя по различным историческим свидетельствам, так считал и сам Кориолис. Он говорил только о формальном ускорении, а отнюдь не о силе.

Страницы: 1, 2