Физика тропических циклонов и ураганов

Итак, «сила Кориолиса» – иллюзорна. Покажем, насколько упрощается физика атмосферных вихрей, если эту иллюзорную силу не принимать во внимание.

РОЖДЕНИЕ И НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ЦИКЛОНОВ

Нас интересует не рождение завихрений в результате столкновений тёплых и холодных атмосферных фронтов, а рождение настоящего циклона – в крупномасштабной области со слабым понижением давления от периферии к центру (выкладки приведём для северного полушария). В рамках традиционного подхода, баланс сил, включающий силу Кориолиса, выглядит правдоподобно лишь для стадии уже развившегося циклона, рождение же его остаётся загадкой.

На наш взгляд, рождение циклона происходит, в общих чертах, следующим образом. Рассмотрим вначале идеализированную ситуацию, при которой глобальное вращение тропосферы имеет полностью ламинарный характер. При этом, в геоцентрической невращающейся системе отсчёта, поле скоростей воздушных масс совпадает с полем линейных скоростей вращения точек подстилающей поверхности. Так, относительно точки на широте, скажем, 45°, на более низких широтах происходит движение воздуха на восток, а на более высоких – на запад. Пусть теперь эта точка оказалась центром области круглой «барической долины». Рассмотрим, что будет происходить в одном из концентрических колец, на которые можно разбить эту круглую область. В любой точке кольца сила барического градиента направлена к центру. По отношению к этому центру, исходное движение воздуха в южной части кольца направлено на восток, в северной части оно направлено на запад, а в западной и восточной частях кольца оно отсутствует. Можно видеть, что действие центральных сил барических градиентов на воздушные массы кольца, имеющие такое распределение скоростей, приводит к закручиванию этих воздушных масс против часовой стрелки. При этом главным поставщиком энергии рождающегося вихря является турбулентный энергообмен, который увеличивает энергию упорядоченного вихревого движения за счёт уменьшения энергии хаотического теплового движения молекул, т. е. за счёт уменьшения температуры воздуха. Линейную скорость вращения v, которая приобретается таким образом, можно оценить с помощью выражения

h × cp D T = v2/2, (1)

где h — КПД турбулентного преобразования тепловой энергии воздуха в кинетическую, cp — удельная теплоёмкость воздуха, равная 1 кДж/кг× К. Если допустить, что h = 0.5, то, за счёт понижения температуры воздуха D T всего на 3° К, ему сообщалась бы скорость 55 м/с.

В результате уменьшения температуры, которым сопровождается закручивание воздушных масс, ещё больше падает давление в «барической долине» и, соответственно, увеличиваются центральные силы барических градиентов. Это приводит к ещё более эффективному закручиванию, т. е. включается режим саморазгона циклона. Саморазгон притормаживается благодаря тому, что, по мере роста линейных скоростей закручивающихся воздушных струй, всё большую роль начинают играть центробежные силы и силы турбулентного трения. В стационарном режиме, когда для каждого элемента движущихся воздушных масс центробежная сила уравновешивает векторную сумму сил барического градиента и турбулентного трения, траектории воздушных потоков представляют собой, вообще говоря, сходящиеся к центру спирали.

Достигнут ли эти спирали центра циклона, или нет – определяется параметрами исходной «барической долины» и метеопараметрами воздушных масс. Для тропического циклона типична ситуация, при которой скорость тёплых влажных струй, по мере приближения к центру, успевает возрасти настолько, что центробежные силы не позволяют им проникнуть внутрь некоторого равновесного радиуса, обычно составляющего несколько десятков километров. Так и возникает удивительный феномен: кольцевой ураган, со сплошной грозовой облачностью и ливневыми осадками, который бушует по периметру круглой безоблачной зоны полного штиля, называемой «глазом» циклона.

Что касается обычного циклона умеренных широт, то для него характерно отсутствие равновесного радиуса, и в центре циклона происходит схлёстка ветров, достигающих ураганной силы; при этом образуется мощная восходящая струя с сильной турбулентностью. Разрушительная мощь центра циклона такова, что при его перемещении образуются полосы бурелома в вековых лесах и сокрушаются капитальные строения. Печальный опыт имеют и авиаторы: в центре циклона возможно разрушение самолёта в воздухе. Удивительно, но это впечатляющее природное явление – схлёстка ветров в центре циклона с образованием восходящей турбулентной струи – до сих пор не имеет даже собственного названия.

ПОДЪЕМНАЯ СИЛА ТОРНАДО

Помимо загадочности своего происхождения, торнадо имеет ещё одну интригующую тайну: его «хобот» иногда способен втянуть в себя и поднять в небеса целое озеро воды. Многие думают, что эта способность обусловлена тем, что внутри хобота давление ниже, чем атмосферное. Однако высота водяного столба, соответствующая перепаду давлений в одну атмосферу, составляет около десяти метров. Даже если внутри хобота был бы сверхвысокий вакуум, перепад давлений не поднял бы воду на высоту, большую, чем эта высота водяного столба. Тем не менее, торнадо поднимает воду на километр и выше. Специалисты полагают, что всё дело в мощных восходящих потоках внутри хобота. Но эта гипотеза, на наш взгляд, тоже не выдерживает критики. Хобот, достигнув земной поверхности, не засасывает окружающий воздух, а лишь закручивает его вокруг себя; откуда же взяться восходящим потокам внутри него?

Как показывают наблюдения, благоприятная ситуация для образования торнадо возникает тогда, когда холодное грозовое облако оказывается в тёплом сухом воздухе. При этом нередко бывает, что, ещё до зарождения хобота торнадо, само облако начинает вращаться в циклоническом направлении. Это позволяет предположить, что механизм закручивания воздуха здесь в общих чертах совпадает с вышеописанным механизмом, работающим при рождении циклона. Специфика же заключается в том, что радиальные градиенты давления и температуры возникают в компактной области и имеют значения, на много порядков большие, чем в случае циклона. Холодный и насыщенный влагой воздух опускается из грозового облака и оказывается в условиях, при которых происходит интенсивное испарение капелек воды. Это приводит к быстрому понижению температуры в области интенсивного испарения. Так и прокладывает себе путь вниз канал пониженного давления, вокруг которого закручивается вихрь. В установившемся режиме у этого вихря имеется изменяющийся с высотой равновесный радиус (см. выше), на котором центростремительные силы уравновешиваются центробежными. Поэтому название «хобот» здесь очень удачно: торнадо представляет собой, фактически, вращающуюся трубу из сильно уплотнённого воздуха. Линейная скорость этого вращения может достигать, по оценкам, 130 м/с. Как и в случае циклона, в энергию торнадо превращается не малопонятная «энергия атмосферной неустойчивости», а тепловая энергия воздушных масс.

Каким же образом эта вращающаяся «труба» поднимает воду? Ранее мы предполагали, что внутри торнадо может создаваться такая геометрия пространства-времени, которая компенсирует и даже пересиливает действие местного тяготения. Однако, все наши попытки понять, каким образом может создаваться подобная геометрия, были безуспешны. Разгадка же тайны «подъёмной силы» торнадо оказалась неожиданно тривиальной – на наш взгляд, вода поднимается по внутренней поверхности хобота благодаря действию обычных центробежных сил.

В самом деле, если раскрутить стакан, частично заполненный водой, то, ввиду появления центробежных сил, поверхность воды будет представлять собой, как известно, фигуру вращения с параболической образующей, текущая высота z которой зависит от радиуса r следующим образом: z ( r )-z0=w 2r2/2g, где w — угловая скорость вращения, g — ускорение свободного падения. Такая же параболическая поверхность образуется у закрученной воды внутри вертикальной вращающейся трубы, слегка погруженной в воду. Если эта труба цилиндрическая, то высота подъёма воды равна высоте, на которой параболическая образующая пересекается с вертикальными стенками трубы. Если же труба имеет конусность с расширением кверху, то ситуация иная. При подходящем соотношении параметров, параболическая поверхность, находящаяся внутри усечённой конической поверхности, может не пересекаться с последней. Такое соотношение параметров, теоретически соответствующее режиму «бесконечного подъёма» воды бесконечно высокой конусной трубой, имеет вид (при z0=0):

tg a < 2w 2r0/g, (2)

где a — угол, который составляет образующая конуса с горизонтом, r0 — её радиус на нулевой высоте. В реальности высота хобота торнадо конечна, и для него характерна воронкообразная форма, с раструбом наверху; но его форму в нижней части вполне можно считать конической. Как следует из (2), критическое значение V* скорости линейного вращения, выше которого начинается режим «бесконечного подъёма», для воды, контактирующей с нижним срезом хобота, составляет

V*=(0.5× gr0× tg a)1/2. (3)

Так, при r0 = 30 м и a = 85°, критическая скорость составляет 41 м/с. Надо полагать, что для торнадо вполне по силам раскручивать воду до таких скоростей.

Следует подчеркнуть, что, с учётом вышеизложенного, хобот торнадо, расширяющийся кверху, должен поднимать воду независимо от того, в каком направлении он вращается. Это действительно подтверждается в случаях, когда огромное грозовое облако имеет несколько хоботов. При этом соседние хоботы обычно вращаются в противоположных направлениях, иначе окружающие их воздушные вихри сильно мешали бы друг другу, сталкиваясь между хоботами.

В заключение отметим, что везде выше речь шла только о воде, поднимаемой торнадо, но это было сделано ради наглядности изложения. Конечно же, торнадо способен поднимать в небеса всё, что ему удаётся удержать внутри стенок хобота при раскрутке до критической скорости.

«СТРАТЕГИЯ СДЕРЖИВАНИЯ»

В 1980-х годах, после того как были выявлены условия генерации ураганов и созданы «хорошие» модели их развития, предпринимались попытки всей силой техники обуздать ураганы или хотя бы снизить их угрозу — истощить на подходе к населенным местам, увести в сторону. «Глаз урагана» — центральную часть вихря диаметром 20-50 километров, окаймленную плотной стеной облаков и хорошо видную на снимках из космоса, — обстреливали мощными зарядами. Вблизи Флориды, Луизианы, Техаса, куда обычно залетали разбушевавшиеся вихри, на них сбрасывали йодные препараты с целью вызвать искусственное выпадение осадков, как это делается с дождевыми облаками на подступах к Москве в дни праздников. Лишенный водяного пара ураган должен был потерять и свою механическую силу. Эти меры ничего не дали. На пути урагана ставили айсберги, срочно доставляемые от берегов Гренландии с надеждой «охладить» его пыл. Ураган проносился, не задерживаясь и не замечая преград. Слишком слабы были эти «уколы» для вихря, энергия которого составляла около 1017 джоулей с фронтальной плотностью порядка 100 Дж/см2.

Лобовая атака на ураганы американских ВВС, названная программой «Storm Fury» («Ярость бури»), продолжалась двадцать лет — с 1963 по 1983 год и окончилась полной неудачей. Было осознано только, что перспективный путь борьбы с ураганами — изучение их свойств и более тщательное прогнозирование с помощью космических средств. В дело пошли специализированные метеоспутники, ведущие наблюдения с геостационарных и низких орбит.

СВЯЗЬ С СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТЬЮ

Частота ураганов непостоянна, их активность то затухает, то повышается. Как и другие погодные явления, ураганы могут инициироваться Солнцем. Мы живем под боком спокойной, но все же живой, активной звезды, дыхание которой ощущаем по многим проявлениям, называемым солнечной активностью. Известен ее 11-летний цикл, характеризуемый числом темных пятен на диске Солнца (числа Вольфа W, публикуемые Европейским центром солнечных данных, Цюрих, Брюссель). Временнaя зависимость среднегодовых чисел Вольфа показывает переменность солнечной активности, воспроизведенной по архивным данным (1611-1850), отдельным наблюдениям (1750-1850) и непрерывному мониторингу Солнца (1850-2000). Параметр W отражает процесс генерации магнитных полей во внешней турбулентной зоне Солнца. Восходящие потоки горячей плазмы, накладываемые на дифференциальное вращение Солнца (на разных широтах оно вращается с разной скоростью), ответственны за все внешние проявления светила: грануляцию фотосферы с ее особенностями (факелы, флокулы, протуберанцы), хромосферные вспышки, излучение короны, солнечный ветер, потоки ускоренных частиц.

На первый взгляд числа Вольфа не подтверждают солнечного влияния на ураганы, активность которых совершенно не следует 11-летнему циклу. Анализ показал, что число ураганов одинаково во всех фазах цикла — на подъеме и спаде, в максимуме и минимуме. Самые разрушительные ураганы, упомянутые выше, тоже пришлись на все фазы. И все же зависимость ураганов от солнечной активности есть, что можно увидеть, сравнивая временны, е последовательности ураганов (рис. 1, 3) и чисел Вольфа (рис. 2) для интервалов 20-30 лет. Там, где амплитуда циклов W была больше, возрастал и темп ураганов. Среднегодовые числа главных ураганов прошлого века составляли: n = 1,4 ± 0,3 (1900-1925); n = 2,7 ± 0,3 (1930-1965); n = 1,6 ± 0,3 (1970-1990). Максимальные амплитуды чисел Вольфа для тех же временны, х дат были Wmax = 105, 201 и 164 — корреляция видна, хотя из-за статистических ошибок не очень значима.

Лучшая корреляция солнечной активности и числа ураганов наблюдается при сдвиге последовательности ураганов примерно на 20 лет. «Холодные» земные процессы как бы запаздывают относительно «горячих» солнечных.

ПЕРЕНОСЧИКИ ВЛИЯНИЯ

Солнечные пятна сами по себе не отвечают за солнечно-земные связи. Переносчиками влияния могут быть выбросы вещества во время солнечных вспышек или корональные массовые выбросы (Coronal Mass Ejections, СМЕ), известные, как выяснилось, уже давно, но «назначение» которых осознано только в последнее время.

Установлено, что переносчиками энергии от Солнца к Земле выступают корональные выбросы, возникающие как пузыри в солнечной короне, напрямую не связанные с фотосферой и темными пятнами, что может объяснить отсутствие 11-летней цикличности ураганов. Это сбросы старых магнитных петель конвективной зоны Солнца под напором нового нарождающегося магнитного поля — процесс, идущий все время и по всем солнечным широтам, от экватора до полюсов. Этот процесс лучше по сравнению с числом солнечных пятен, более глубоко и всесторонне отражает солнечную активность. То, что корональные выбросы ответственны за изменение темпа ураганов, отчетливо видно по одновременному возрастанию темпа ураганов и их числа в последнее десятилетие (1996-2005) по сравнению с предыдущими циклами. Корональные выбросы стали наблюдать сравнительно недавно, их статистика представлена с 1970-х годов, поэтому нет возможности провести их корреляцию со всеми данными об ураганах.

Корональные массовые выбросы представляют собой гигантские облака намагниченной плазмы (массой до 10 млрд тонн), летящие быстрее 1000 км/c и несущие энергию порядка 1025 джоулей. Они вылетают из Солнца по всем направлениям, большинство из них не представляет опасности для Земли. Но те, которые образуются в центральной части видимого солнечного диска, направлены к нам и через 2-3 суток появляются у Земли. От их прямого воздействия нас оберегает земное магнитное поле, не пускающее заряженные частицы внутрь магнитосферы, заставляющее их обтекать границу (магнитопаузу) и скользить по длинному (сотни земных радиусов) «хвосту» магнитосферы. Контакт магнитного облака с земной магнитосферой не проходит бесследно — возникает магнитная буря. Она наблюдается по колебаниям магнитного поля и фиксируется планетарным индексом (Кр = 6 — 9). Магнитная встряска Земли — как раз то промежуточное звено солнечно-земных связей, которое долго не могли найти и которое, как сейчас считают, оказывается одним из главных в причинно-следственной цепочке солнечного влияния на земную погоду.

РОЛЬ РАДИАЦИОННОГО ПОЯСА ЗЕМЛИ

Потоки электронов, позитронов, протонов, ядер относительно невысоких энергий, захваченные в ловушку магнитного поля Земли, получили название «радиационный пояс». Его открыли в 1958 году при полетах первых космических ракет Д. Ван Аллен (США) и А. Е. Чудаков (СССР). Радиационный пояс находится на высоте от нескольких сотен до тысяч километров, имеет сложную тороидальную структуру, состоящую из L-оболочек (L — расстояние по экватору, выраженное в радиусах Земли). Захваченные частицы движутся по спиралям вокруг магнитных силовых линий, отражаются в зеркальных точках, где они сгущаются, и совершают долготный дрейф: положительные — на запад, отрицательные — на восток. Интенсивность захваченной радиации велика, проход через нее космических кораблей опасен для космонавтов, вызывает сбои электроники, нарушает радиосвязь

Исследование частиц радиационного пояса, проводимое по программе ISTP (Международная программа солнечно-земной физики), обнаружило ускорение частиц в «хвосте» магнитосферы во время магнитной бури, вызванной облаком коронального массового выброса. Частицы ускоряются в результате сжатия силовых линий солнечной плазмой, образования токового слоя, в котором в некоторый критический момент происходит быстрое пересоединение магнитных силовых линий с выделением энергии. Поток ускоренных частиц уже не удерживается, как прежде, магнитным полем своей L-оболочки. Происходит перескок частиц внутрь магнитосферы, на более низкие, расположенные ближе к экватору оболочки и, в конце концов, высыпание ускоренного потока в атмосферу по геомагнитному экватору. Потоки релятивистских электронов высокой энергии HRE (highly relativistic electrons), появляющиеся с приходом корональных выбросов, были зарегистрированы спутниками SAMPEX и POLAR (NASA). Появление релятивистских электронов в радиационном поясе — естественный механизм повышенного воздействия солнечной активности на атмосферу, которое российские ученые предвидели еще двадцать лет назад. Оказывается, магнитные бури, инициированные корональными массовыми выбросами, вызывают не только полярные сияния и аварии на линиях связи и электросетях, о чем регуляроно сообщают газеты и телевидение, но и нагрев верхних слоев атмосферы, образование вихрей в районе экватора, что грозит еще большими бедствиями.

ЭЛЬ-НИНЬО — ВОЗМУТИТЕЛЬ ПОГОДЫ

Приведенный сценарий солнечного влияния на земную погоду — через облака корональных выбросов, бьющие по магнитосфере, магнитные бури, ускорение частиц радиационного пояса и их высыпание в районах геомагнитного экватора — позволяет понять еще одно явление, получившее у перуанских рыбаков нежное имя Эль-Ниньо («Младенец»).

Эль-Ниньо (El-Nino, EN) — гигантский клин аномально теплой воды в восточной тропической части Тихого океана (шириной в сотни, длиной в тысячи километров), направленный на запад от берегов Перу (рис.7). Неожиданно возникая, Эль-Ниньо живет 2-4 года, изменяя всю устоявшуюся в регионе схему погоды, и так же внезапно исчезает. Он связан с периодическими колебаниями температуры и давления, известными как Южная Осцилляция (SO), — вместе они образуют единое природное явление ENSO. Эль-Ниньо — сильнейший «возмутитель» климата. Его появление ставит с ног на голову привычную погоду не только в Тихом океане, но по всему земному шару. В обычно засушливых районах Центральной и Северной Австралии вдруг выпадают проливные дожди, а в областях влажного климата (Южная Америка, Индонезия) наступает страшная засуха, приводящая к неурожаям. Вдоль «клина» стихает зональный восточный ветер, повышается влажность, образуются массивы кучевых облаков и, как следствие, бушуют штормы и ураганы. Даже в очень далеких районах происходит резкая перемена погоды: наступают засушливые периоды в Индии, Пакистане, Западной Африке, исчезают атлантические ураганы. Через неожиданные погодные изменения Эль-Ниньо способствует росту эпидемий, распространению москитов, загрязнению питьевой воды. Он стал важным фактором, влияющим на мировую экономику.

Глобальное значение Эль-Ниньо, ранее принимавшееся как местная аномалия у берегов Перу (уход рыб и сокращение уловов, гибель морских птиц), было осознано в 1970-х годах. После вызванных им природных катастроф 1982-1983 годов была создана программа TOGA (Tropical Oceans and Global Atmosphere) для изучения и предупреждения его новых появлений. Разработанные модели Эль-Ниньо дали ряд точных прогнозов, но потом наступил очередной сбой, показавший, что его «сила воздействия» меняется со временем («Младенец», оказывается, растет и изменяется). Явление остается по-прежнему загадочным, модели что-то важное не учитывают.

Сопоставление географических карт Эль-Ниньо и высыпания частиц радиационного пояса показывает совпадение зоны В положительно заряженных частиц с профилем Эль-Ниньо. Можно предположить, что возникновение этого природного феномена, как и начальное образование тропических циклонов, перерастающих в ураганы, происходит под воздействием солнечных корональных выбросов. В верхних слоях атмосферы появляется дополнительный источник энергии, вызывающий вертикальную неустойчивость воздушных масс, их смещение и нагрев. Повышается температура воздуха и поверхности океана.

Такой вывод подтверждает корреляция Эль-Ниньо с тихоокеанскими ураганами. В его периоды мощность ураганов на северо-западе Тихого океана была выше, чем в спокойное (без потепления и похолодания) время: возросло число ураганов большой магнитуды (M > 12), увеличилась их средняя магнитуда (Мср = 8,1 ± 0,3 вместо Мср = 6,6 ± 0,2).

Появление Эль-Ниньо у берегов Южной Америки, а не в других акваториях мирового океана связано, по-видимому, кроме большого простора Тихого океана (масштабность явления) с большим потоком протонов и позитронов, в несколько раз превышающим поток электронов, и особенностью места. Высыпание происходит по геомагнитному экватору, который в этом районе отклоняется на 10-15 градусов к югу от земного экватора. Прогрев атмосферы и океана происходит не в экваториальной зоне, как в других местах высыпания частиц, а в районе с меньшей и зависящей от сезона температурой. Эффект потепления, следовательно, более значим, и его влияние на погоду сильнее.

МОЖНО ЛИ УПРАВЛЯТЬ УРАГАНАМИ?

В 1980-х годах проводились попытки воздействовать на облака корональных выбросов, летящие к Земле, выпуская на их пути искусственные потоки плазмы со спутников. Гигантские солнечные облака эти преграды просто не замечали: наша техника слишком слаба, чтобы на них повлиять.

Однако, кажется, в цепочке солнечно-земных связей появилось «узкое место», где современные технические средства могут проявить себя. Нам не под силу сдержать солнечные выбросы и предотвратить магнитные бури в земной магнитосфере, как невозможно преградить путь развившемуся тропическому урагану. Но, может быть, посильно оказать опережающее воздействие на радиационный пояс, истощив его за несколько дней до прихода массового выброса, так что поток высыпающихся частиц будет ослаблен. Искусственное уменьшение концентрации заряженных частиц радиационного пояса — реальный факт, достигнутый, правда, очень грубым путем — ядерными взрывами в космосе («Морская звезда» и другие операции США, 1960-е годы). Управлять захваченной радиацией нужно, конечно, более цивилизованным и безопасным способом.

Методы воздействия могут быть разные. Это и распыление в определенных L-оболочках препаратов, захватывающих электроны (химическое отравление), и взрывы небольших зарядов в радиационном поясе, перераспределяющие населенность оболочек (физическое отравление). В настоящее время проводится эксперимент «Интербол» — попытки воздействовать мощными импульсами радиоизлучения на ионосферу, для чего созданы крупные комплексы антенн на Аляске, в Норвегии, России. Изучается возможность «тонкой подстройки» ионосферы путем изменения ее проводимости. Поскольку магнитосферные токи замыкаются на ионосферу, таким способом повлиять на магнитную бурю в принципе можно. «Подстройка» в момент прихода выброса и начала магнитной бури, возможно, окажется тем рычагом, который позволит уменьшить интенсивность высыпающихся частиц и унять тропический циклон, не дав ему перерасти в ураган. Этот метод — «космический громоотвод», как некогда молниеотвод Франклина, возможно, станет действенной защитой от ураганов, пока еще неизбежных природных катастроф.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Возникновение, развитие из циклонов тропических тайфунов и ураганов пока еще не достаточно изучено тем ни менее, виден значительный прогресс в данной области. Это тем более актуальнейшая задача для территории Сахалина, Курильских островов и прилегающих к ним акваториях, расположенных в зоне перехода от Азиатского континента к Тихому океану, где весьма часты катастрофические проявления мощнейших атмосферных процессов, такие как тайфуны, штормовые нагоны, цунами, и другие природные явления.

ЛИТЕРАТУРА

1 д. ф. м. н. Б. Лучков Ураганы – вечная проблема? //Наука и Жизнь №3, 2006

2 И. Старикович, Н. Ерохин, Н. Зольникова, В. Дамгов, //On the simple nonlinear model of a typhoon life cycle // #"#">#"#">www. iki. rssi. ru/hend/Dictionary.ru , wikipedia.org

Страницы: 1, 2