Физика тропических циклонов и ураганов

Страница 6

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.