VIVOS VOCO: Л. Алексеева, "Вихри, которые «делают погоду»"

Удивительное это образование - вихрь! От других потоков однородной жидкости или газа он отличается только характером движения, включающим вращение вокруг внутренней оси. Но, по сравнению с другими потоками, вихрь обладает замечательной целостностью, устойчивостью и долгоживу честью (см. "Квант" № 4, 1971 г.)

Высоко под потолок летят вихревые дымные кольца, выпущенные курильщиком, тогда как дым от его папиросы, едва поднявшись, разбивается на струйки, перемешивается с воздухом и расплывается. Классические опыты с большими вихревыми кольцами, которые со стуком ударялись о стену лаборатории, описаны в статье американского физика-экспериментатора Р. Вуда (см. "Квант" № 12, 1971 г.).

В природе вихри возникают во множестве. Они появляются в той части потока, где скорость быстро меняется в направлении, перпендикулярном потоку. Каждому случалось видеть вихри в быстрой реке на переходе от быстрины к замедленному течению у берега. Целая цепочка вихрей может тянуться за движущимся предметом, скажем, автомобилем. Их особенно удобно наблюдать на шоссе в метельные дни, когда машина обдувается крепким встречным ветром, а хлопья снега проявляют движение прозрачного воздуха. Такие же вихри появляются при обтекании препятствий.

Вихревой характер сильного ветра был замечен в 1821 г. У. Рэдфилдом, содержателем небольшого магазина в штате Коннектикут (США), который, объезжая после шторма районы штата, обратил внимание на поваленные ветром деревья. В одном месте деревья лежали макушками к северо-западу, тогда как на некотором расстоянии макушки указывали прямо противоположное направление. Отсюда У. Рэдфилд сделал вывод, что шторм представлял собой вращательную систему ветров. Беседуя с моряками и анализируя судовые журналы, он установил направление вращения крупных вихрей и нашел траектории их центров. В 1831 г. вышел труд У. Рэдфилда, излагающий результаты его исследований. Близкие взгляды высказывал немецкий ученый В. Дове. В эти же годы были построены первые ветровые карты.

Вообще, вихревые движения характерны для атмосферы Земли. Однако далеко не все вихри "делают погоду". Погода на земном шаре в сильной степени зависит от присутствия гигантских атмосферных вихрей-циклонов и антициклонов, задающих ветровой режим в данном районе Земли.

Рис. 1. Стрелками указаны направления ветров в циклоне.

В вихревой системе, называемой циклоном (Рис. 1), атмосферное давление понижается от периферии к центру. Поэтому вблизи поверхности Земли воздушные течения направлены к центру циклона. Все циклоны имеют вращательную составляющую скорости ветра. В Северном полушарии она направлена против часовой стрелки, в Южном - по часовой. В развивающихся циклонах (т. е. таких, у которых давление в центре продолжает падать) наблюдаются восходящие потоки. При этом образуется мощная облачность и выпадают осадки.

Последние два свойства циклона очевидно связаны между собой. В самом деле, выделим мысленно некоторый объем воздуха и посмотрим, что произойдет при его подъеме. Попадая в более разреженные слои атмосферы, этот объем расширяется, температура воздуха внутри него - падает, и содержащийся в нем водяной пар конденсируется.

Направление вращения циклонов в различных полушариях можно объяснить закручивающим действием силы Кориолиса (подробнее см. "Квант" № 2, 1975 г.), связанной с суточным вращением Земли. Напомним известный факт, что отклоняющее действие этой силы заставляет реки подмывать свои правые берега. Воздушный поток не удерживается берегом, и поэтому при своём движении к центру он будет отклоняться вправо, если смотреть в сторону центра, т. е. против часовой стрелки при взгляде сверху.

Заметим, что возле самого экватора в полосе широт < 5° по обе стороны мощные вихри не образуются. Этот факт хорошо вяжется с приведенным объяснением, поскольку на экваторе горизонтальная составляющая силы Кориолиса равна нулю.

В вихревой системе антициклона все наоборот: давление возрастает, достигая максимума в центре вихря. В развивающемся антициклоне присутствуют нисходящие потоки. Опускаясь, газ нагревается и удаляется от состояния насыщения водяным паром. Поэтому для антициклона характерна ясная малооблачная погода. Антициклоны вращаются по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки в Южном. Направление вращения антициклона объясняется также закручивающим действием силы Кориолиса.В зависимости от места зарождения циклоны делят на тропические и внетропические.

Рис. 2

Рис. 3

Рисунки 2 и 3 представляют вид сверху, соответственно, внетропического и тропического циклонов. Вне-тропический циклон (называемый иногда просто циклоном) - это самый крупный атмосферный вихрь, достигающий нескольких тысяч километров в поперечнике. Высота его колеблется между 2-4 и 15-20 км. Скорость ветра в нем в большинстве случаев не превосходит 40-70 км/час.

Поперечный размер тропического циклона (называемого также ураганом, тропическим ураганом, тайфуном и пр.) значительно меньше - всего несколько сот километров, высота его - до 12-15 км. Давление в ураганах падает намного ниже, чем во внетропическом циклоне. При этом скорость ветра достигает 400-600 км/час.

Самые большие скорости ветра в урагане наблюдаются вокруг так называемого "глаза бури" - зоны покоя в центральной части урагана. Черное пятно правильной формы на рисунке 3 - это и есть глаз бури. Выразительное описание глаза урагана дает очевидец, пролетевший через тайфун на самолете метеослужбы - французский журналист П.А. Молэн, автор книги "Охотники за тайфунами".

"Мы летим на высоте 3 км в колодце диаметром 22 км, в котором плавает несколько перистых облаков, мирных, как игрушки. Стены этого колодца представляет недвижимая буря, удерживаемая таинственной причиной. Она наполнена кипящими облаками, охваченными жесточайшими конвульсиями. Когда самолет кренится на виражах, глаза поднимаются к верхушке стены, выходу из этого колодца в 15 км над нами. И перед нашим удивленным взором развертываются эти кипящие стены, эта гигантская бездна, это крупное отверстие, которое и заставило назвать все явление «глазом тайфуна»".

Заметим, что внетропические циклоны "глазом" не обладают.

Еще четче зона покоя (полость) выражена у мелкомасштабных вихрей - смерчей (торнадо, тромбов) (Рис. 4). Размеры их очень малы: ширина - от нескольких метров до 2-3 км, в среднем 200-400 м, высота от нескольких десятков до 1500-2000 м, в среднем несколько сот метров. Скорость ветра в смерче иногда превышает звуковую (1200 км/час).

В сердцевине смерча давление падает очень низко, поэтому смерчи "всасывают" в себя различные, иногда очень тяжелые предметы, которые переносят затем на большие расстояния. Люди, оказавшиеся в центре смерча, погибали. Поэтому нет наблюдений его полости изнутри. Но ее видели снизу, когда смерч проходил над головой наблюдателя. Рисунок 5 представляет собой фотографию внутренней полости смерча, снятую снизу.


*Рис. 4*	*Рис. 5*	*Рис. 6*

По рассказам очевидцев полость смерча похожа на внутренность черного пустого цилиндра, освещенного изнутри блеском молний, проскакивающих между стенами. В некоторых случаях наблюдатели молний не видели.

Однажды нижний край смерча прошел над головой наблюдателя на высоте 6 м. Ширина внутренней полости этого смерча была около 130 м, тогда как толщина стенки - всего 3 м. В середине полости находилось яркое, светящееся голубым светом прозрачное облако. Немного позже, когда смерч уже прошел над наблюдателем, конец его спустился к земле, коснулся соседнего дома и в одно мгновение унес его. Дом распался в воздухе.

Рис. 7

Со стороны смерч напоминает столб (Рис. 6), воронку (Рис. 7) или хобот (Рис. 4), свешивающийся из основания мощного грозового облака. Может образоваться сразу группа смерчей (Рис. 8). Интересна зарисовка смерча с двумя воронками (Рис. 9). В черной туче скрыта горизонтальная часть смерча - вихревое образование, вращающееся вокруг оси, вытянутой параллельно поверхности Земли. Эту часть смерча видел летчик, пролетавший на высоте около 300 м. По его словам, она напоминала огромную извивающуюся змею.

Подобную "змею", переходившую в смерч, наблюдали однажды с Земли. "Змея" была наполнена водой, которую смерч высасывал из озера. Похоже, что горизонтальная часть смерча связана с громадным вихревым кольцом, образующимся иногда в облаках. Появляется она раньше самого смерча.

Рис. 8. Зарисовка водяных смерчей 1840 г. в Средиземном море у берегов Алжира.

Рис. 9. Зарисовка смерча 1879 г. в Канзасе (США).

Смерчи обыкновенно возникают в районах, где соприкасаются воздушные массы с резко отличными тепловыми свойствами, в области мощных вертикальных движений и сходящихся потоков. Накоплен огромный фактический материал о физических свойствах смерчей (см. книгу Д.В. Наливкина "Ураганы, бури и смерчи"). Например, известно о фантастически больших перепадах скорости ветра в смерче.

Казалось бы, действие сил вязкости (внутреннего трения) должно сглаживать резкость картины. Однако приведем такой пример.

Смерчи часто наблюдаются в равнинных штатах Северной Америки. Проходя через фермы, они разрушают строения, в частности, курятники, разбрасывая их обломки далеко по равнине. На большом расстоянии от фермы находят куски разорванных куриных тушек. Бывали случаи, когда стены и крыши курятника исчезали, а куры оставались на месте, живые или мертвые. Часть кур находят ощипанными: смерч всасывает в себя перья. Возможно, этому помогает следующее обстоятельство: в коже курицы у основания перьев находятся воздушные мешочки, которые могут взрываться, если давление окружающего воздуха упадет достаточно низко.

Так или иначе, потерять перья курица может только в том случае, если она находилась в воронке смерча. Но однажды нашли курицу, у которой перья были ощипаны только на одной половине тела. Это значит, что скорость ветра менялась на расстоянии нескольких сантиметров от "ощипывающей" до близкой к нулю.

Удивительна способность смерчей втыкать продолговатые предметы (соломинки, палки и др.) в деревья, стены домов, землю и т. п. Мелкие камни пробивают стекло подобно пулям, выпущенным из револьвера.

Рис. 10

Зарегистрирован случай, когда во время прохождения смерча сосновая палка пробила лист железа толщиной около сантиметра. Этим же качеством обладают ураганы. На рисунке 10 мы видим палку, проткнувшую ствол пальмы. По-видимому, эта способность также связана с резкими перепадами скорости в вихре.

В последние десятилетия крупные вихри исследовались со специальных самолетов метеослужбы. Радиолокаторы и метеоспутники позволили получить "изображения" глобальных ветровых систем. Особенно четкими получаются фотографии циклонов, поскольку они сопровождаются сильной облачностью и осадками. Как показывают фотографии, осадки в циклонах концентрируются в четко выделяющиеся спиральные полосы. Антициклон прозрачен, осадки в нем редки, а если они и выпадают, то обычно на периферии в виде мороси. Поэтому антициклоны значительно труднее различить на спутниковых фотографиях.

И все-таки, несмотря на обилие фактического материала, последовательной теории вихрей еще нет. Связано это, прежде всего, с тем, что в каждом конкретном случае зарождения вихря его развитие определяется огромным множеством внешних факторов. Неясно, какое именно сочетание известных условий вызовет первоначальное развитие вихря. В самом деле, до стадий урагана развиваются менее 10% образовавшихся в тропиках областей пониженного давления, остальные бесследно исчезают. Пока нельзя предсказать развитие урагана или смерча в данной конкретной ситуации.

Особенно плохо разработана теория смерчей. И дело здесь не только в том, что возникают они неожиданно и при более разнообразных условиях, чем ураганы (так, смерчи иногда образуются в глубине материка). Огромная скорость ветра в смерчах мешает их экспериментальному изучению. Это же обстоятельство не позволяет сколько-нибудь последовательно изучить это явление математически.

В самом деле, даже на самый "грубый" вопрос - в какую сторону будет вращаться смерч - нельзя ответить однозначно. При громадной скорости движения внутри мелкомасштабного вихря периодический процесс суточного вращения Земли может оказаться слишком медленным, чтобы активно взаимодействовать с процессом быстрого внутреннего движения, и развитие такого мелкомасштабного вихря будет определяться только конкретными внутренними условиями в газе. Они же будут определять направление вращения вихря. Поэтому, если большие вихри Северного полушария - внетропические циклоны и ураганы - вращаются против часовой стрелки, то для смерчей того же полушария не исключается вращение по часовой стрелке.

Возможны случаи одновременного появления двух или более вихрей в одном и том же районе. Оказавшись на достаточно близком расстоянии друг от друга, такие вихри начинают взаимодействовать между собой. Это явление называется эффектом Фудзивары.

Попробуем схематично описать "встречу" двух вихрей. У каждого одиночного вихря область интенсивного вращения отделена от неподвижной зоны так называемой периферической областью, в которой скорость постепенно спадает до нуля. Представим себе, что два урагана оказались на таком расстоянии, что центр каждого их них попал в периферическую область другого. Пусть, для определенности, ураганы вращаются против часовой стрелки. Каждый из них приведет в движение центр своего "собрата" таким образом, чтобы тот вращался относительно него против часовой стрелки. Как легко увидеть, это приведет к вращению центров обоих ураганов также против часовой стрелки относительно некоторой точки, расположенной на отрезке прямой, соединяющей центры ураганов, ближе к более мощному вихрю. В нижних слоях атмосферы воздух притекает к центру урагана, тогда как наверху оттекает от центра. В зависимости от интенсивности этих процессов у данной конкретной пары ураганов они могутсближаться, если преобладает "всасывание", или отступать друг от друга, если сильнее проявят себя оттекающие потоки в верхних слоях.

При этом ураганы все время продолжают влиять друг на друга. По выражению американского физика К. Орра, движение их напоминает поведение боксеров на ринге, выжидающих момент для нанесения решающего удара. Аналогичная схема позволяет рассматривать встречу антициклонов и пары циклон-антициклон. Кроме того, ее можно распространить на случай, когда вихрь попадает в мощное воздушное течение и начинает взаимодействовать с ним.

Развитие вихря определяют многие факторы, и сделать заранее какие-либо предположения о результате "встречи" двух вихрей практически невозможно.

Путь уже развившегося урагана иногда оказывается очень длинным, и, проходя его, вихрь испытывает различные превращения. При выходе из тропиков ураган принимает форму сильного внетропического циклона. Штормовые циклоны Западной Европы часто оказываются бывшими тропическими ураганами, которые прошли вдоль берегов Северной Америки и пересекли Атлантику. Некоторые из них, пройдя по Европе, уходят затем в Азию.

Когда ураган выходит на сушу, то из-за "шероховатости" земной поверхности его нижние слои начинают разрушаться. Кроме того, проходя над сушей, ураган слабеет из-за недостатка "питания" - влаги. Но если ураган оказывается вновь над океаном, то сохранившаяся его верхняя часть может "раскрутить механизм" с прежней силой. Обрушиваясь на густонаселенные районы суши, ураган уносит тысячи человеческих жизней и причиняет огромный материальный ущерб. Энергия его громадна: за один день большой ураган "расходует" энергию, равную энергии взрыва 13000 мегатонных ядерных бомб; кинетическая энергия среднего урагана равна запасу энергии 1000 атомных бомб.

Деятельность ураганов меняет рельеф земной поверхности: исчезают коралловые острова, "передвигаются" берега океана, появляются новые проливы и т. п. Прогнозы перемещений циклонов и антициклонов за последние два десятилетия стали намного надежнее благодаря использованию ЭВМ и информации, доставляемой спутниками, радиолокаторами и самолетами. На помощь службе погоды приходят новые совершенные аппараты и приборы. Служба эта ведется постоянно.