Вихри «враждебные» веют над нами.

 

Павел Манташьян,

г. Черкесск

 

 

Из всех воздушных вихрей, образую­щихся в природе, наиболее «враждеб­ными» являются смерчи, которые, по сути дела, являются частью грозового облака. Сначала, на первой стадии воз­никновения смерча, вращение видно только в основании грозового облака. Затем часть облака отвисает книзу в виде гигантской воронки, которая всё более удлиняется и, наконец, достигает поверхности земли или воды.

 

Возникает как бы гигантский хобот, свешивающий­ся из облака и достающий до поверхно­сти земли. Внутренняя полость смерча характеризуется пониженным давле­нием находящегося в ней воздуха, бла­годаря чему «хобот» работает своеоб­разным насосом, способным втянуть в себя огромное количество воды из моря или озера, зачастую вместе с животными и растениями и всем иным, что попадётся смерчу «под руку». Затем, перенеся «груз» на значитель­ное расстояние, низвергает всё собран­ное вместе с дождём. Серьёзный смерч способен переносить довольно боль­шие грузы - автомобили, малотоннаж­ные суда, небольшие здания.

 

Смерчи являются вихрями, имеющими максимальную удельную энергоём­кость, то есть энергия движения едини­цы массы смерча, которая пропорцио­нальна квадрату его скорости, макси­мальна среди всех воздушных вихрей.

 

По классификации, при скорости ветра в замкнутом вихре, не превышающей 17 м/с, он называется тропической депрессией, если же скорость ветра не превышает 33 м/с, то это тропический шторм, а если скорость ветра от 34 м/с и выше - то это уже тайфун. В мощных тайфунах скорость ветра может быть больше 60 м/с. У смерчей же, по дан­ным разных авторов, скорость ветра может достигать 100 - 200 м/с, и неко­торые авторы указывают на сверхзву­ковую скорость перемещения воздуха в смерче - свыше 340 м/с. Отличительной чертой классического смерча является наличие развитого грозового облака, которое, являясь своеобразным элек­трическим аккумулятором, повышает удельную энергоёмкость смерча. Чтобы разобраться в механизме возникнове­ния и развития смерча рассмотрим сна­чала устройство грозового облака - той колыбели, в которой рождается смерч.

 

Типичное грозовое облако имеет сле­дующее распределение зарядов: его вершина заряжена положительно, а основание несёт отрицательный заряд. То есть в воздухе, поддерживаемый вос­ходящими потоками, парит гигантский электрический конденсатор, линейные размеры которого составляют несколь­ко километров. Наличие такого конден­сатора приводит к тому, что на поверх­ности земли или воды, над которыми находится облако, появляется его элек­трический след - наведённый электри­ческий заряд, имеющий знак, противо­положный знаку заряда основания облака, то есть земная поверхность будет заряжена положительно.

 

Как известно, у основания развитого грозового облака существует мощный восходящий поток воздуха, насыщенно­го влагой (очень часто смерчи образуют­ся именно над водной поверхностью моря или озера). Давайте мысленно про­следим за молекулой воды, поднимаю­щейся   в   этом   восходящем   потоке.

 

 

«Хобот» смерча работает, как пылесос. Серьёзный смерч способен переносить автомобили, малотоннаж­ные суда, небольшие здания

 

 

 

На своём пути она испытывает огромное число соударений с другими молекула­ми, содержащимися в этом потоке, и обменивается с ними количеством поступательного и вращательного дви­жений. Но самое главное - она взаимо­действует с магнитным полем Земли.

 

Схематически молекулу воды можно представить себе в виде двух разно­имённых электрических зарядов, рав­ных по абсолютной величине и соеди­нённых в единое целое. Такое образо­вание называется электрическим дипо­лем, основной характеристикой которо­го является электрический дипольный момент, равный произведению величи­ны заряда на расстояние между ними.

 

Из всех веществ, существующих в при­роде, молекула воды обладает одним из самых больших дипольных моментов. Но хотя электрические заряды обеих частей дипольной молекулы равны по абсолютной величине, массы этих частей разнятся между собой в 17 раз.

 

А теперь небольшой экскурс в физи­ку. Что произойдёт с заряженной части­цей, пересекающей силовые линии маг­нитного поля? На неё будет действовать сила Лоренца, названная так в честь её первооткрывателя. Эта сила направле­на перпендикулярно силовым линиям магнитного поля и вектору скорости частицы, что приведёт в общем случае к тому, что её траектория станет цилин­дрической спиралью. Радиус этой спи­рали будет зависеть от скорости и массы частицы, а также от величины индукции магнитного поля. Двигаясь по спирали, частица приобретает момент количества движения (угловой момент) величиной, численно равной произве­дению скорости, массы и радиуса окружности траектории частицы.

 

Представим, что в магнитном поле с одинаковыми скоростями движутся две частицы, имеющие заряды, одина­ковые по абсолютной величине, но про­тивоположного знака. Тогда их траектории будут представлять собой правую и левую спирали, а их моменты количе­ства движения будут иметь разные знаки, и общий момент количества дви­жения частиц найдётся как алгебраи­ческая сумма этих моментов. Если массы частиц равны, то суммарный момент количества движения частиц равен нулю. А если частицы разнятся по массе и связаны между собой, как в молекуле воды, то молекула, состоя­щая из таких частиц и пересекающая силовые линии магнитного поля, начнёт вращаться как единое целое.

 

Понятно, что дипольные молекулы воды, содержащиеся в восходящем потоке, в магнитном поле Земли прио­бретают вращательное движение, которое при соударениях передают нейтральным молекулам воздуха, кото­рый, по мере подъёма, начинает вра­щаться как единое целое.

 

Для того чтобы понять роль молекул воды в образовании смерча, представь­те себе небольшую ёмкость, заполнен­ную газом, например самым обычным воздухом, в которую опустили лопасти самого обычного миксера. Если миксер включить, лопасти начнут вращаться, вовлекая во вращение весь находящий­ся в ёмкости воздух. Теперь мысленно уменьшайте размеры лопастей вдвое, одновременно увеличивая их количество также в два раза, при этом результат -вращение воздуха в ёмкости - сохранит­ся. Если последовательно достаточно долго продолжать мысленный процесс уменьшения размеров лопастей миксе­ра с одновременным увеличением их числа, то в пределе можно дойти до лопастей размером с молекулу. Образно говоря, в процессе образования смерча каждая молекула воды играет роль миниатюрного миксера, так как она совершает вращательное движение в результате пересечения ею силовых линий магнитного поля Земли. И посредством многочисленных соуда­рений, каждая молекула воды, подобно лопастям миксера, передаёт собствен­ный момент количества движения дру­гим молекулам, не имеющим дипольного момента, и постепенно во вращательное движение вовлекается всё большее количество молекул влажного воздуха.

 

Такая «спиновая поляризация» воздуш­ного пространства со временем приво­дит к суммированию моментов количе­ства движения отдельных молекул, что и служит основой образования смерча.

 

Кроме диполей воды, в восходящем потоке имеются ионы и свободные элек­троны, которые также могут образовы­вать противоположно заряженные пары частиц в результате воздействия элек­трического     поля,     расположенного между основанием грозового облака и землёй. За счёт наведённого положи­тельного заряда на поверхности земли число положительных ионов в потоке восходящего воздуха значительно пре­высит число ионов отрицательных. Все эти заряженные частицы под действием восходящего потока воздуха устрем­ляются к основанию грозового облака, однако вертикальные скорости положи­тельных и отрицательных частиц будут различны. Поле будет ускорять положи­тельно заряженные ионы и тормозить отрицательно заряженные, что приведёт к тому, что количество положительных зарядов, проходящих в единицу времени через поперечное сечение восходящего потока, превысит количество отрица­тельных зарядов, проходящих через это же сечение за то же время. Иными сло­вами, между земной поверхностью и основанием облака возникнет электри­ческий ток, хотя правильней было бы говорить об огромном количестве эле­ментарных токов, соединяющих земную поверхность с основанием облака. Все эти токи параллельны между собой и текут в одном направлении.

 

Такие токи по закону Ампера будут взаимодействовать, а именно - притя­гиваться друг к другу. Из курса физики известно, что сила взаимного притяже­ния единицы длины двух проводников с электрическими токами, текущими в одном направлении, прямо пропор­циональна произведению сил этих токов и обратно пропорциональна рас­стоянию между проводниками.

 

 

Наличие силы взаимного притяжения электрических токов приведёт к тому, что электрически заряженные частицы устремятся к центру грозового облака, взаимодействуя во время движения с электрически нейтральными молеку­лами и перемещая их также к центру грозового облака. При этом площадь поперечного сечения восходящего потока уменьшится в насколько раз, и поскольку поток имеет вращательное движение, по закону сохранения момента количества движения угловая скорость его вращения будет возра­стать. С восходящим потоком произой­дёт то же самое, что и с фигуристкой, которая, вращаясь на льду с расстав­ленными в стороны руками, прижмёт руки к телу, отчего скорость её враще­ния резко увеличится (хрестоматийный пример из учебников физики, который мы можем наблюдать по телевизору!). Такое резкое увеличение скорости вращения воздуха в смерче с одновре­менным уменьшением его диаметра приведёт соответственно к увеличению линейной скорости вращения воздуха в смерче, которая, как описывалось выше, может в отдельных случаях даже превысить скорость звука.

 

 

 

 

Именно наличие грозового облака, электрическое поле которого разде­ляет заряженные частицы по знаку, приводит к тому, что скорости воздуш­ных потоков в смерче превосходят ско­рости воздушных потоков в тайфуне. В этом случае в энергию вращательно­го движения воздуха переходит не только энергия его восходящего пото­ка, но и электрическая энергия грозо­вого облака. Образно говоря, грозовое облако является той электрической линзой, в фокусе которой концентри­руется энергия восходящего потока влажного воздуха, что и приводит к возникновению смерча.

 

Однако существуют вихри, механизм образования которых никак не связан с вращением дипольной молекулы воды в магнитном поле. Наиболее распро­странённые среди них - пыльные вихри.

 

Они образуются в пустынных, степных и горных местностях. Своими размера­ми они уступают классическим смер­чам, их высота составляет порядка 100 - 150 м, а диаметр - несколько метров. Для образования пыльных вих­рей необходимым условием является пустынная, хорошо нагретая равнина. Образовавшись, такой вихрь суще­ствует довольно недолго, порядка 10-20 мин, всё это время он может перемещаться под действием ветра. Несмотря на то, что воздух пустынь практически не содержит влаги, вра­щательное движение его также обес­печивается взаимодействием элемен­тарных зарядов с магнитным полем Земли.

 

 

Механизм образования вихря состоит в том, что в результате интенсивного солнечного нагрева равнины над ней возникает мощный восходя­щий поток воздуха, часть молекул кото­рого под воздействием солнечного излучения и особенно его ультрафио­летовой части ионизируются, образуя при этом пары положительных ионов и свободных электронов. Вследствие того, что положительные ионы и элек­троны имеют несопоставимо разные массы при равных по абсолютной вели­чине зарядах, их вклад в создание момента количества движения вихря различен, и направление вращения пыльного вихря будет определяться направлением вращения положитель­ных ионов. Такой вращающийся столб сухого воздуха при своём движении поднимает с поверхности пустыни пыль, песок и мелкие камешки, кото­рые сами по себе не играют никакой роли в механизме формирования пыль­ного вихря, но являются своеобразны­ми индикаторами наличия вращающе­гося воздуха.

 

В литературе описан ещё один тип вихрей - это воздушные вихри, кото­рые являются довольно редким при­родным явлением. Так же, как и пыль­ные, они возникают в жаркое время дня на берегах рек или озёр. Время жизни таких вихрей невелико, они появляются внезапно и так же исчезают. По-види­мому, вклад в их создание вносят как молекулы воды, так и ионы, образую­щиеся в тёплом и влажном воздухе за счёт солнечного излучения.

 

Существуют и водяные вихри. «В июле 1949 года в штате Вашингтон в тёплый солнечный день при безоблачном небе на поверхности озера возник высокий столб из водяных брызг. Он существовал всего несколько минут, но обладал значительной подъ­ёмной силой. Надвинувшись на берег реки, он поднял довольно тяжёлый моторный бот длиной около четырёх метров, перенёс его на несколько десятков метров и, ударив о землю, разбил на куски. Водяные вихри наибо­лее распространены там, где поверх­ность воды сильно нагревается солн­цем, - в тропических и субтропических зонах».

 

 

В случае с водяным вихрем механизм его образования аналогичен механиз­му образования других вихрей - это вертикальный поток влажного воздуха, возникающий вследствие сильного местного прогрева поверхности воды и взаимодействия дипольных молекул воды, ионов и электронов, содержа­щихся во влажном воздухе потока, с магнитным полем Земли.

 

Закручивание потоков воздуха может происходить при больших пожарах. «Ещё в 1840 году в США расчищали лес под поля. На большой поляне было свалено громадное количество хворо­ста, веток и деревьев. Их подожгли. Через некоторое время пламя отдель­ных костров стянулось вместе, образо­вав огненную колонну, внизу широкую, вверху заострившуюся, высотой 50 -60 метров. Ещё выше огонь сменялся дымом, уходившим высоко в небо. Огненно-дымовой вихрь вращался с поразительной скоростью. Величес­твенное и ужасающее зрелище сопро­вождалось громким шумом, напоминавшим раскаты грома. Сила вихря была настолько велика, что он поднимал в воздух и отбрасывал в сторону боль­шие деревья».

 

Рассмотрим процесс образования огненного смерча. При горении древе­сины выделяется тепловая энергия, которая частично переходит в кинетиче­скую энергию восходящего потока нагретого воздуха. Однако при горении происходит ещё один процесс - иониза­ция воздуха и продуктов сгорания топлива. И хотя в целом нагретый воздух и про­дукты сгорания топлива электрически нейтральны, в пламени образуются поло­жительно заряженные ионы и свободные электроны. Несмотря на то, что электри­ческие заряды вышеуказанных объектов микромира равны по абсолютной вели­чине, их массы очень сильно разнятся, что при движении такого воздуха в магнитном поле Земли неизбежно приведёт к образованию огненного смерча.

 

 

Хочется отметить, что вихревое дви­жение воздуха возникает не только при больших пожарах. В книге «Смерчи» Д.В. Наливкин задаёт вопросы: «Мы уже не раз говорили о загадках, свя­занных с маломерными вихрями, пыта­лись понять, почему все вихри вертят­ся? Возникают и другие вопросы. Почему, когда горит солома, нагретый воздух поднимается не по прямой линии, а по спирали и начинает кру­житься. Так же ведёт себя в пустыне горячий воздух. Почему он не идёт про­сто вверх без всякой пыли? То же происходит с водяной пылью и брызга­ми, когда горячий воздух проносится над поверхностью воды».

 

К вышесказанному можно добавить, что воздух, нагретый в процессе сгора­ния, поднимается вверх по спирали не только при сгорании соломы, но и при сгорании дров, угля и других горючих веществ. Просто при сгорании соломы лёгкие, наполовину сгоревшие травин­ки вращаются в восходящем потоке, являясь своеобразными индикаторами вращения нагретого воздуха.

 

Существуют вихри, возникающие в процессе извержения вулканов, их, например, наблюдали над Везувием. В литературе они получили название пепловых вихрей, вследствие того, что в вихревом движении участвуют облака пепла, извергаемые вулканом. Механизм образования таких вихрей в общих чертах аналогичен механизму образования огненных смерчей с той лишь разницей, что в качестве источника тепла, обеспечивающего подъём тёплого воздуха, выступает вулкан. Ионизация вулканических газов и окру­жающего воздуха также осуществляет­ся за счёт тепла вулкана. Собственно пепловый вихрь образуется в результа­те взаимодействия ионизированных газов и магнитного поля Земли.

 

В общем случае для возникновения вихрей любого масштаба, прежде всего, необходим источник энергии, который обеспечит вертикальное перемещение воздушных масс. Чаще всего таким источником является Солнце, энергия которого нагревает воздух в нижних слоях атмосферы, что приводит к появлению восходя­щих потоков. Возможны и другие источники  энергии,   например  действующий вулкан и сильный пожар. Но для вращения необходимо нали­чие магнитного поля и дипольных молекул или ионов, взаимодействую­щих с ним.

 

Подтверждением теории автора является то, что смерчи, тайфуны и циклоны Северного полушария, возни­кающие при восходящих потоках воз­духа, вращаются в одном и том же направлении - против часовой стрелки, а антициклоны Северного полушария, характеризующиеся нисходящими потоками, вращаются по часовой стрелке. В Южном же полушарии всё наоборот, это объясняется тем, что вертикальная составляющая вектора магнитной индукции земного магнитно­го поля имеет в Южном полушарии про­тивоположное направление.

 

Павел Манташьян, г. Черкесск

Статьи других авторов

На главную