Формирование атмосферных вихрей. Классификация опасных природных явлений Опасные метеорологические (агрометеорологические) явления – природные процессы и явления, возникающие в атмосфере, - презентация

Классификация опасных природных явлений Опасные метеорологические (агрометеорологические) явления – природные процессы и явления, возникающие в атмосфере, которые по своей интенсивности (силе), масштабу распространения и продолжительности оказывают или могут оказать поражающее воздействие на людей, сельскохозяйственных животных и растения, объекты экономики и окружающую среду. К ним относят: - бури, ураганы, смерчи (торнадо), шквалы; - сильные осадки (снегопад, ливень, град, метель, гололед); - сильный мороз; - сильная жара, засуха, суховей; - сильный туман; - поздние заморозки Метеорологические и агрометеорологические опасные явления

H, км t° С 3000 экзосфера термосфера мезосфера-90 55стратосфера тропосфера-60 Строение атмосферы

Газ Молекулярн ая масса, г/моль Содержание, % объема Плотность абсолютная, г/м 3 по отношению к сухому воздуху Азот 28,10678,967 Кислород 3220,105 Аргон 39,9440,379 Углекислый газ 44,010,529 Неон 20,18318,18* ,695 Гелий 4,0035,24* ,138 Криптон 83,71,14* ,868 Водород 2,0160,5* ,07 Озон 48(0…0,07)* ,624 Сухой воздух 28,

Психрометрические будки высокие башни и мачты аэростаты, шары-зонды, летающие лаборатории Средства космического мониторинга: метеорологические и геофизические ракеты искусственные спутники Земли космические корабли и орбитальные станции косвенные методы Для изучения атмосферы могут использоваться:

Масса атмосферы триллионов т. Масса загрязнений 1/10 тыс. % Загрязняющие вещества в атмосфере: Накапливаются со временем Распределены неравномерно на Земле Токсичны в небольших концентрациях

Источники загрязнения атмосферы: I – Естественные: пылевые, солевые, вулканические. II – Искусственные (антропогенные): Промышленные предприятия: - предприятия химической промышленности - металлургические предприятия - тепловые электростанции - цементные заводы Автотранспорт Сельскохозяйствен ные предприятия - животноводческие комплексы - птицефабрики - химические средства защиты растений - обработка почвы

Снижению загрязнения атмосферы способствуют: – регулирование в крупных городах транспортных потоков; – переход транспорта на альтернативные источники топлива (спирт, газ и др.) – строительство очистных сооружений; – перевод ТЭЦ на экологически безопасные виды топлива; – совершенствование технологий производства; – централизация мелких котельных; – вывод промышленных предприятий за черту города и др.

Общая циркуляция атмосферы - система воздушных течений крупного, планетарного масштаба, переносящих огромные массы воздуха из одних широт в другие. Рис. Распределение атмосферного давления и ветров у земной поверхности; справа – меридиональный разрез направления ветра (по А.П. Шубаеву): 1 – направление ветра; 2 – направление горизонтального барического градиента

Тип воздушной массы Обозначение Где формируется Арктические (антарктические)А ВАрктика, Антарктика Умеренных широт (полярные)П ВУмеренные широты ТропическиеТ ВСубтропические и тропические широты ЭкваториальныеЭ ВЭкваториальный пояс земли Основные географические типы воздушных масс

Атмосферные вихриМестное названиеХарактеристика Циклон (тропический и внетропический) – замкнутая барическая система - вихри, в центре которых низкое давление Тайфун (Китай, Япония) Вилли-Вилли (Австралия) Ураган (Сев. и Южной Америке) Ширина км Высота 1-12 км Диаметр области затишья ("глаз бури") км Скорость ветра до 120 м/с Время действия суток Характеристика атмосферных вихрей Атмосферные вихри

ПервичныеВторичные - сильный ветер, несущий большие массы воды, грязи, песка (до 250 км/ч); - морские волны (высотой более 10 м); - ливни (мм). - тяжелые предметы, переносимые ветром; - подтопление, затопление территории; - разрушение зданий и сооружений; - обрыв линий электропередач; - повыл деревьев, мачт, труб, опор и т.п.; - пожары, взрывы. Поражающие факторы урагана ПервичныеВторичные - потоки воздуха, несущие воду, грязь, предметы и пр. (скорость ветра в воронке до км/ч, иногда до 400 км/ч); - пониженное давление воздуха в воронке; - спиральное или вертикальное движение потоков воздуха в пределах воронки; - ливни; - грозы. - разрушение объектов при боковых ударах; - отрыв объектов и людей, подъем вверх с переносом на сотни метров; - всасывание газообразных и жидких масс с их последующим выбросом; - обрыв линий электропередач; - пожары, взрывы; - затопление территории. Поражающие факторы смерчей Смерч - атмосферный вихрь, возникающий в кучево-дождевом (грозовом) облаке и распространяющийся вниз, часто до самой поверхности земли (воды), в виде облачного рукава или хобота Торнадо (США, Мексика) Тромб (Зап. Европа) Высота – от нескольких сот метров до неск. км. Диаметр - от нескольких сот метров до 1,5 км и более. Скорость перемещения от до 100 км/ч Скорость вращения вихрей в воронке до 300 км/ч Ураган - ветер большой разрушительной силы и значительной продолжительности, возникающий в основном с июля по октябрь в зонах сближения циклона и антициклона. Тайфун (Тихий океан) Скорость ветра более 33 м/с Продолжительность 9-12 дней Ширина - до 1000 км

Атмосферные вихриМестное названиеХарактеристика Шквал - кратковременные вихри, возникающие перед холодными атмосферными фронтами, нередко сопровождаемые ливнем или градом и возникающие во все сезоны года и в любое время суток. Буря Скорость ветра 25 м/с и более Время действия до 1 часа Буря – очень сильный ветер, скорость которого меньше ураганного. ШтормПродолжительность - от нескольких часов до нескольких суток Скорость ветра м/с Ширина - до нескольких сот километров Бора - очень сильный порывистый холодный ветер приморских районов, приводящий в зимнее время к обледенению портовых сооружений и кораблей Сарма (на Байкале) Бакинский норд Продолжительность - несколько суток Скорость ветра до м/с Фён - жаркий сухой ветер, дующий со склонов гор в долину. (Кавказ, Алтай, Ср. Азия) Скорость м/с, высокая температура и низкая относительная влажность воздуха Характеристика атмосферных вихрей (продолжение)

Буря - длительный, очень сильный ветер со скоростью более 20 м/с, наблюдающийся при прохождении циклона и сопровождающийся сильным волнением на море и разрушениями на суше. Длительность действия - от нескольких часов до нескольких суток. Вид буриПервичные факторыВторичные факторы Шторм- высокая скорость ветра; - сильное волнение моря - разрушение строений, плавсредств; - разрушение, размыв побережья Пыльная буря- высокая скорость ветра; - высокая температура воздуха при крайне низкой относительной влажности; - потеря видимости, пыль. - разрушение строений; - иссушение почв, гибель с/х растений; - вынос плодородного слоя почвы (дефляция, эрозия); - потеря ориентации. Снежная буря (буран, пурга, метель) - высокая скорость ветра; - низкая температура; - потеря видимости, снег. - разрушение объектов; - переохлаждение; - обморожение; - потеря ориентации. Шквал- высокая скорость ветра (в течение 10 минут скорость ветра возрастает с 3 до 31 м/с) - разрушение строений; - бурелом. Поражающие факторы бури

Название ветрового режима Скорость ветра (км/ч) БаллыПризнаки Затишье 0 – 1,60 Дым идёт прямо Лёгкий ветерок 3,2 – 4,81 Дым изгибается Лёгкий бриз 6,4 – 11,32 Листья шевелятся Слабый бриз 12,9 – 19,33 Листья двигаются Умеренный бриз 20,9 – 28,94 Листья и пыль летят Свежий бриз 30,6 – 38,65 Тонкие деревья качаются Сильный бриз 40,2 – 49,96 Толстые деревья качаются Сильный ветер 51,5 – 61,17 Стволы деревьев изгибаются Буря 62,8 – 74,08 Ветви ломаются Сильная буря 75,5 – 86,99 Черепица и трубы срываются Полная буря 88,5 – 101,410 Деревья вырываются с корнем Шторм 103,0 – 120,711 Везде повреждения Ураган Более 120,712 Большие разрушения ВЕТЕР Шкала Бофорта

Ещё некоторое время назад, до появления метеорологических спутников, учёные и подумать не могли, что в атмосфере Земли ежегодно образовывается около ста пятидесяти циклонов и шестидесяти антициклонов. Ранее многие циклоны были неведомы, поскольку возникали в местах, где не было метеорологических станций, которые смогли бы зафиксировать их появление.

В тропосфере, самом нижнем слое атмосферы Земли, беспрестанно появляются, развиваются и исчезают вихри. Одни из них настолько малы и незаметны, что проходят мимо нашего внимания, другие до того масштабны и настолько сильно влияют на климат Земли, что не считаться с ними нельзя (прежде всего это относится к циклонам и антициклонам).

Циклоны – это области низкого давления в атмосфере Земли, в центре которого давление значительно ниже, чем на периферии. Антициклон, наоборот, являет собою область высокого давления, которое достигает в центре своих наивысших показателей. Пребывая над северным полушарием, циклоны движутся против часовой стрелки и, подчиняясь силе Кориолиса, пытаются уйти вправо. Тогда как антициклон двигается в атмосфере по часовой стрелке и уклоняется в левую сторону (в Южном полушарии Земли всё происходит наоборот).

Несмотря на то, что циклоны и антициклоны – абсолютно противоположные по своей сути вихри, они прочно взаимосвязаны друг с другом: когда в одном регионе Земли давление уменьшается, в другом обязательно фиксируется его возрастание. Также для циклонов и антициклонов является общим механизм, который заставляет двигаться воздушные потоки: неоднородное нагревание разных участков поверхности и обороты нашей планеты вокруг своей оси.

Циклоны характеризует облачная, дождливая погода с сильными порывами ветра, возникающими из-за разницы давления атмосферы между центром циклона и его краями. Антициклон, наоборот, в летнюю пору характеризуется жаркой, безветренной, малооблачной погодой с очень немногочисленными осадками, тогда как зимой благодаря ему устанавливается ясная, но очень холодная погода.

Кольцо змеи

Циклоны (гр. «кольцо змеи») являют собой огромных размеров вихри, диаметр которых нередко может достигать нескольких тысяч километров. Формируются они в умеренных и полярных широтах, когда тёплые воздушные массы с экватора сталкиваются с движущимися навстречу сухими, холодными потоками с Арктики (Антарктиды) и образовывают между собой границу, которая называется атмосферным фронтом.

Холодный воздух, пытаясь преодолеть оставшийся внизу тёплый воздушный поток, на каком-то участке оттесняет часть его слоя назад – и тот приходит в столкновение с массами, следующими за ним. В результате столкновения давление между ними повышается и часть повернувшего назад тёплого воздуха, уступая напору, отклоняется в сторону, начиная эллипсоидное вращение.

Этот вихрь начинает захватывать прилегающие к нему слои воздуха, втягивает их во вращение и начинает передвигаться на скорости от 30 до 50 км/ч, при этом центр циклона движется с меньшей скоростью, чем его периферия. В результате через некоторое время диаметр циклона составляет от 1 до 3 тыс. км, а высота – от 2 до 20 км.

Там, где он движется, резко меняется погода, поскольку центр циклона имеет низкое давление, внутри него наблюдается недостаток воздуха, и чтобы его восполнить, начинают поступать холодные воздушные массы. Они вытесняют тёплый воздух вверх, где он остывает, а находящиеся в нём капли воды конденсируются и образуют облака, из которых выпадают осадки.

Продолжительность жизни вихря обычно составляет от нескольких дней до недель, но в некоторых регионах может просуществовать около года: обычно это области пониженного давления (например, Исландский или Алеутский циклоны).

Стоит заметить, что для экваториальной зоны подобные вихри не характерны, поскольку здесь не действует отклоняющая сила вращения планеты, необходимая для вихреобразного движения воздушных масс.

Самый южный, тропический циклон, формируется к экватору не ближе, чем в пяти градусах и характеризуется меньшим размером в диаметре, но более высокой скоростью ветра, нередко преобразовывающейся в ураган. По своему происхождению существуют такие типы циклонов, как вихрь умеренных широт и тропический циклон, порождающий смертоносные ураганы.

Вихри тропических широт

В семидесятых годах прошлого века тропический циклон Bhola обрушился на Бангладеш. Хотя скорость ветра, и сила была невелика и ему была присвоена лишь третья (из пяти) категория урагана, из-за огромного количества обрушившихся на землю осадков, вышедшая из берегов река Ганг затопила почти все острова, смыв все поселения с лица земли.

Последствия оказались катастрофичны: во время разгула стихии погибло от трёхсот до пятисот тысяч человек.

Тропический циклон гораздо опаснее вихря из умеренных широт: образуется он там, где температура океанической поверхности не ниже 26°, а разница между температурными показателями воздуха превышает два градуса, в результате чего усиливается испарение, влажность воздуха увеличивается, что способствует вертикальному поднятию воздушных масс.

Таким образом, появляется очень сильная тяга, захватывающая собой новые объёмы воздуха, которые нагрелись и набрали влажности над океанической поверхностью. Вращение нашей планеты вокруг своей оси придаёт подъёму воздуха вихреобразное движение циклона, который начинает вращаться на огромной скорости, нередко преобразовываясь в ураганы ужасающей силы.

Формируется тропический циклон лишь над океанической поверхностью между 5-20 градусами северной и южной широт, и оказавшись на суше, довольно быстро затухает. Размеры его обычно невелики: диаметр редко превышает 250 км, но вот давление центр циклона имеет чрезвычайно низкое (чем ниже, тем быстрее движется ветер, поэтому движение циклонов составляет обычно от 10 до 30 м/с, а порывы ветра превышают 100 м/с). Естественно, далеко не каждый тропический циклон несёт с собой гибель.

Существует четыре типа этого вихря:

• Возмущение – движется со скоростью, не превышающей 17м/с;
• Депрессия – движение циклона составляет от 17 до 20 м/с;
• Шторм – центр циклона движется на скорости до 38м/с;
• Ураган – движется тропический циклон на скорости, превышающей 39 м/с.

Центр циклона этого типа характеризуется таким явлением, как «глаз бури» – областью тихой погоды. Диаметр его обычно составляет около 30 км, но если тропический циклон разрушительной силы, может доходить и до семидесяти. Внутри глаза бури, воздушные массы имеют более тёплую температуру и меньшую влажность, чем в остальной части вихря.

Здесь нередко царит штиль, на границе осадки резко прекращаются, небо проясняется, ветер ослабевает, обманывая этим людей, которые решив, что опасность миновала, расслабляются и забывают о мерах предосторожности. Поскольку тропический циклон всегда движется с океана, он гонит перед собой огромные волны, которые, обрушившись на побережье, сметают всё с пути.

Учёные всё чаще фиксируют тот факт, что каждым годом тропический циклон становится опаснее и его активность постоянно возрастает (связано это с глобальным потеплением). Поэтому эти циклоны встречаются не только в тропических широтах, но и доходят до Европы в нетипичное для них время года: обычно они формируются в конце лета/начале осени и никогда не бывают весной.

Так, в декабре 1999 года на Францию, Швейцарию, Германию, и Великобританию набросился ураган «Лотар», мощный настолько, что метеорологи даже не смогли предсказать его появление из-за того, что датчики или зашкалили, или не сработали. «Лотар» оказался причиной гибели более семидесяти человек (в основном они стали жертвами дорожных аварий и падением деревьев), а лишь в одной Германии за несколько минут было уничтожено около 40 тыс. гектаров леса.

Антициклоны

Антициклоном называется вихрь, в центре которого высокое давление, на периферии – пониженное. Образовывается он в нижних слоях атмосферы Земли, когда холодные воздушные массы вторгаются в более тёплые. Возникает антициклон в субтропических и приполярных широтах, а скорость его передвижения составляет около 30 км/ч.

Антициклон является противоположностью циклона: воздух в нём не поднимается, а спускается. Для него характерно отсутствие влажности. Антициклон характеризуется сухой, ясной, и безветренной погодой, летом – жаркой, морозной – зимой. Также характерны значительные колебания температуры в течение суток (особенно сильна разница на континентах: например, в Сибири она составляет около 25 градусов). Объясняется это отсутствием осадков, которые обычно делают температурную разницу менее заметной.

Наименования вихрей

В середине прошлого столетия, антициклонам и циклонам начали давать имена: это оказалось намного удобней при обмене информацией об ураганах и движениях циклонов в атмосфере, поскольку давало возможность избегать путаницы, и уменьшить количество ошибок. За каждым именем циклона и антициклона скрывались данные о вихре, вплоть до его координат в нижнем слое атмосферы.

Прежде чем принять окончательное решение о том, как называется тот или иной циклон и антициклон, было рассмотрено достаточное число предложений: их предлагали обозначать цифрами, буквами алфавитов, названиями птиц, животных и т. д. Это оказалось настолько удобно и эффективно, что через некоторое время все циклоны и антициклоны получили имена (вначале они были женскими, а в конце семидесятых тропические вихри начали называть и мужскими наименованиями).

С 2002 года появилась услуга, предлагающая любому желающему назвать циклон или антициклон своим именем. Удовольствие — это не из дешёвых: стандартная цена на то, чтобы имя заказчика получил циклон, стоит 199 евро, а антициклон – 299 евро, так как антициклон возникает реже.

Контрольная работа по теме «Климат России» 1 вариант

Задание1.Закончите предложение:

А.Поступление на землю путем излучения солнечного тепла и света ____________

Б.Изменение свойств ВМ при их перемещении над поверхностью Земли___________

В.Вихревое движение воздуха, связанное с областью низкого давления_____________

Г.Отношение годовой суммы осадков к испаряемости за этот же период__________

А.ФОРМИРУЮТСЯ НАД БОЛЬШЕЙ ЧАСТЬЮ НАШЕЙ СТРАНЫ?

Б. ЗИМОЙ СПОСОБСТВУЮТ РЕЗКОМУ ПОТЕПЛЕНИЮ,ЛЕТОМ ВЫЗЫВАЮТ ПАСМУРНУЮ ПОГОДУ С ОБЛОЖНЫМИ ДОЖДЯМИ?

В. ЗИМОЙ ПРИНОСЯТ СНЕГОПАДЫ И ОТТЕПЕЛИ, А ЛЕТОМ СМЯГЧАЯ ЖАРУ, ПРИНОСЯТ ОСАДКИ ?

Задание 3.Тест

1.Суровость климата страны нарастает в направлении

а) c севера на юг б) с востока на запад в) с запада на восток

2.Этот тип климата характерен для Д.Востока:

3.Этот тип климата отличается долгой холодной зимой и коротким холодным летом,когда температура июля не выше +5С

А) арктический Б) субарктический в) резко континентальный г) муссонный

4.Этот тип климата отличает суровая зима, солнечная и морозная; лето солнечное и теплое, небольшое количество осадков весь год.

А)Умеренно континентальный б) континентальный В) резко континентальный г) муссонный

5. Большие объемы воздуха тропосферы, обладающие однородными свойствами.

6. Состояние нижнего слоя атмосферы в данном месте в данное время.

А)атмосферный фронт б)циркуляция в)погода г)климат д)воздушные массы е)солнечная радиация

7. Прохождение холодного фронта сопровождается погодой

8.Вихри Формируются над Тихим и Атлантическим океаном, движение воздуха от окраин к центру против часовой стрелки, в центре-восходящее движение воздуха, погода изменчивая, ветреная, облачная, с осадками.

А)Циклон б)Антициклон

Задание4.

Найти соответствие: тип климата

- климатограмма 1 2 3

А)резко континентальный б)муссонный в)умеренно континентальный

Задание 5. Дополните список

засуха, _________, пыльная буря, _________, заморозки, _________, гололед, __________

а)редис б)серые хлеба в)цитрусовые г)чай

Контрольная работа по теме «Климат России» 2 вариант

Задание 1.Закончите предложение:

А.Переходная зона между разнородными ВМ длиной сотни километров и шириной десятки км.________

Б.Все разнообразие движений воздуха ___________

В.Вихревое движение воздуха, связанное с областью высокого давления ______________

Г.Свойства климата, обеспечивающие сельско-хозяйственное производство____________________

Задание 2.Определите тип воздушных масс(ВМ)

А.ФОРМИРУЮТСЯ У БЕРЕГОВ НАШЕЙ СТРАНЫ НАД ТИХИМ И АТЛАНТИЧЕСКИМ ОКЕАНАМИ?

Б. СПОСОБСТВУЮТ ОБРАЗОВАНИЮ ЖАРКОЙ, СУХОЙ ПОГОДЫ, ЗАСУХ И СУХОВЕЕВ?

В.КАКИЕ ВМ ВЕСНОЙ И ОСЕНЬЮ ПРИНОСЯТ ЗАМОРОЗКИ?

Задание 3.Тест

1.Наличие климатических областей внутри поясов объясняется большой протяженностью страны

А) а) c севера на юг б))с запада на восток

2.Этот тип климата характерен для З.Сибири:

А)Умеренно континентальный б)континентальный В) резко континентальный г) муссонный

3.Этот тип климата отличает довольно холодная малоснежная зима; обилие осадков, выпадающих в теплое время года.

А) арктический Б) субарктический в) резко континентальный г)муссонный

4. Этот тип климата отличает мягкая многоснежная зима и теплое лето:

А)Умеренно континентальный б) континентальный В) резко континентальный г) муссонный

5. Общее количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли.

А)атмосферный фронт б)циркуляция в)погода г)климат д)воздушные массы е)солнечная радиация

6. Средний многолетний режим погоды, характерный для какой-либо территории

А)атмосферный фронт б)циркуляция в)погода г)климат д)воздушные массы е)солнечная радиация

7. Прохождение теплого фронта сопровождается погодой

А)тихой солнечной погодой. Б) грозами, шквалистым ветром, ливнями.

8. Атмосферные вихри формируются над Сибирью, движение воздуха от центра к окраинам по часовой стрелке, в центре-нисходящее движение воздуха; погода устойчивая, безветренная, безоблачная, без осадков. летом -тёплая, зимой - морозная.

Задание4 .

Найти соответствие тип климата

- климатограмма 1 2 3

А) арктический б)муссонный в) умеренно континентальный

Задание 5. Дополните список неблагоприятных климатических явлений.

Суховей, _________ , ураган, ______________, град, ____________, туман

Задание 6 .Какие культуры не выращивают в вашей области и почему?

а)картофель б)рис в)капуста г)хлопчатник

Вихри в воздухе. Экспериментально известен ряд способов создания вихревых движений. Описанный выше способ получения дымовых колец из ящика позволяет получать вихри, радиус и скорость которых имеют порядок 10-20 см и 10 м/сек соответственно, в зависимости от диаметра отверстия и силы удара. Такие вихри проходят расстояния 15-20 м.

Вихри гораздо большего размера (радиусом до 2 м) и большей скорости (до 100 м/сек) получаются с помощью ВВ. В трубе, закрытой с одного конца и заполненной дымом, производится подрыв заряда ВВ, расположенного у дна. Вихрь, получаемый из цилиндра радиусом 2 м при заряде весом около 1 кг, проходит расстояние около 500 м. На большей части пути вихри, получаемые таким способом, имеют турбулентный характер и хорошо описываются законом движения, который изложен в § 35.

Механизм образования таких вихрей качественно ясен. При движении в цилиндре воздуха, вызванном взрывом, на стенках образуется пограничный слой. На краю цилиндра пограничный слой отрывается, в

результате чего создается тонкий слой воздуха со значительной завихренностью. Затем происходит сворачивание этого слоя. Качественная картина последовательных этапов приведена на рис. 127, где изображен один край цилиндра и срывающийся с него вихревой слой. Возможны и другие схемы образования вихрей.

При малых числах Рейнольдса спиральная структура вихря сохраняется довольно долго. При больших числах Рейнольдса, в результате неустойчивости, спиральная структура разрушается сразу и происходит турбулентное перемешивание слоев. В результате образуется вихревое ядро, распределение завихренности в котором можно найти, если решить поставленную в § 35 задачу, описываемую системой уравнений (16).

Однако в настоящий момент нет никакой схемы расчета, которая позволяла бы по заданным параметрам трубы и весу ВВ определять начальные параметры сформировавшегося турбулентного вихря (т. е. его начальные радиус и скорость). Эксперимент показывает, что для трубы с заданными параметрами существует наибольший и наименьший вес заряда, при которых вихрь образуется; на его образование сильно влияет и расположение заряда.

Вихри в воде. Мы уже говорили, что вихри в воде можно получать аналогичным способом, выталкивая поршнем из цилиндра некоторый объем жидкости, подкрашенной чернилами.

В отличие от воздушных вихрей, начальная скорость которых может достичь 100 м/сек и более, в воде при начальной скорости 10-15 м/сек вследствие сильного вращения жидкости, движущейся вместе с вихрем, возникает кавитационное кольцо. Оно возникает в момент образования вихря при срыве пограничного слоя с края Цилиндра. Если пытаться получить вихри со скоростью

более 20 м/сек, то кавитационная каверна становится столь большой, что возникает неустойчивость и вихрь разрушается. Сказанное относится к диаметрам цилиндра порядка 10 см возможно, что с увеличением диаметра удастся получить устойчивые вихри, движущиеся с большой скоростью.

Интересное явление возникает, когда вихрь движется в воде вертикально вверх по направлению к свободной поверхности. Часть жидкости, образующая так называемое тело вихря, взлетает над поверхностью, сначала почти без изменения формы - водяное кольцо выпрыгивает из воды. Иногда скорость вылетевшей массы в воздухе увеличивается. Это можно объяснить отбрасыванием воздуха, которое происходит на границе вращающейся жидкости. В дальнейшем вылетевший вихрь разрушается под действием центробежных сил.

Падение капель. Легко наблюдать вихри, образующиеся при падении капель чернил в воду. Когда чернильная капля попадает в воду, образуется кольцо, состоящее из чернил и движущееся вниз. Вместе с кольцом движется некоторый объем жидкости, образующий тело вихря, которое также окрашено чернилами, но гораздо слабее. Характер движения сильно зависит от соотношения плотностей воды и чернил. При этом оказываются существенными различия плотности в десятые доли процента.

Плотность чистой воды меньше, чем чернил. Поэтому при движении вихря на него действует сила, направленная вниз, по ходу вихря. Действие этой силы приводит к увеличению импульса вихря. Импульс вихря

где Г - циркуляция или интенсивность вихря, и R - радиус вихревого кольца, а скорость движения вихря

Если пренебречь изменением циркуляции, то из этих формул можно сделать парадоксальный вывод: действие силы в направлении движения вихря приводит к уменьшению его скорости. Действительно, из (1) следует, что с ростом импульса при постоянной

циркуляции должен увеличиваться радиус R вихря, но из (2) видно, что при постоянной циркуляции с ростом R скорость падает.

В конце движения вихря чернильное кольцо распадается на 4-6 отдельных сгустков, которые в свою очередь превращаются в вихри с маленькими спиральными кольцами внутри. В некоторых случаях эти вторичные кольца распадаются еще раз.

Механизм этого явления не очень ясен, и существует несколько его объяснений. В одной схеме главную роль играет сила тяжести и неустойчивость так называемого тейлоровского типа, которая возникает, когда в поле тяжести более плотная жидкость находится над менее плотной, причем обе жидкости вначале покоятся. Плоская граница, разделяющая две такие жидкости, неустойчива - она деформируется, и отдельные сгустки более плотной жидкости проникают в менее плотную.

При движении чернильного кольца циркуляция на самом деле уменьшается, и это приводит к полной остановке вихря. Но на кольцо продолжает действовать сила тяжести, и в принципе оно должно было бы опускаться дальше как целое. Однако возникает тейлоровская неустойчивость, и в результате кольцо распадается на отдельные сгустки, которые опускаются под действием силы тяжести и в свою очередь образуют маленькие вихревые кольца.

Возможно и другое объяснение этого явления. Увеличение радиуса чернильного кольца приводит к тому, что часть жидкости, движущаяся вместе с вихрем, принимает форму, изображенную на рис. 127 (стр. 352). В результате действия на вращающийся тор, состоящий из линий тока, сил, аналогичных силе Магнуса, элементы кольца приобретают скорость, направленную перпендикулярно скорости движения кольца как целого. Такое движение неустойчиво, и происходит распад на отдельные сгустки, которые снова превращаются в маленькие вихревые кольца.

Механизм образования вихря при падении капель в воду может иметь разный характер. Если капля падает с высоты 1-3 см, то ее вход в воду не сопровождается всплеском и свободная поверхность деформируется слабо. На границе между каплей и водой

образуется вихревой слой, сворачивание которого и приводит к образованию кольца чернил, окруженного захваченной вихрем водой. Последовательные стадии образования вихря в этом случае качественно изображены на рис. 128.

При падении капель с большой высоты механизм образования вихрей иной. Здесь падающая капля, деформируясь, растекается на поверхности воды, сообщая на площади, много большей ее диаметра, импульс с максимальной интенсивностью в центре. В результате на поверхности воды образуется впадина, она по инерции расширяется, а потом происходит схлопывание и возникает кумулятивный всплеск - султан (см. гл. VII).

Масса этого султана в несколько раз больше массы капли. Падая под действием силы тяжести в воду, султан образует вихрь по уже разобранной схеме (рис. 128); на рис. 129 изображена первая стадия падения капли, приводящая к образованию султана.

По этой схеме образуются вихри, когда на воду падает редкий дождь с крупными каплями - поверхность воды покрывается тогда сеткой небольших султанчиков. Вследствие образования таких султанчиков каждая

капля значительно наращивает свою массу, и поэтому вихри, вызванные ее падением, проникают на довольно большую глубину.

По-видимому, это обстоятельство можно положить в основу объяснения известного эффекта гашения дождем поверхностных волн в водоемах. Известно, что при наличии волн горизонтальные составляющие скорости частиц на поверхности и на некоторой глубине имеют противоположные направления. Во время дождя значительное количество жидкости, проникающее на глубину, гасит волновую скорость, а восходящие из глубины токи гасят скорость на поверхности. Было бы интересно подробнее разработать этот эффект и построить его математическую модель.

Вихревое облако атомного взрыва. Явление, очень похожее на образование вихревого облака при атомном взрыве, можно наблюдать при взрывах обычных ВВ, например, при подрыве плоской круглой пластины ВВ, расположенной на плотном грунте или на стальной плите. Можно также располагать ВВ в виде сферического слоя или стакана, как показано на рис. 130.

Наземный атомный взрыв отличается от обычного взрыва прежде всего существенно большей концентрацией энергии (кинетической и тепловой) при очень малой массе бросаемого вверх газа. При таких взрывах образование вихревого облака происходит за счет выталкивающей силы, которая появляется из-за того, что масса горячего воздуха, образующаяся при взрыве, легче окружающей среды. Выталкивающая сила играет существенную роль и при дальнейшем движении вихревого облака. Точно так же, как при движении чернильного вихря в воде, действие этой силы приводит к росту радиуса вихревого облака и уменьшению скорости. Явление осложняется тем, что плотность воздуха меняется с высотой. Схема приближенного расчета этого явления имеется в работе .

Вихревая модель турбулентности. Пусть поток жидкости или газа обтекает поверхность, которая представляет собой плоскость с вмятинами, ограниченными сферическими сегментами (рис. 131, а). В гл. V мы показали, что в районе вмятин естественно возникают зоны с постоянной завихренностью.

Предположим теперь, что завихренная зона отделяется от поверхности и начинает двигаться в основном потоке (рис.

131,6). В силу закрученности эта зона, кроме скорости V основного потока, будет иметь еще компоненту скорости, перпендикулярную к V. В результате такая движущаяся вихревая зона вызовет турбулентное перемешивание в слое жидкости, размер которого в десятки раз превышает размеры вмятины.

Это явление, по-видимому, можно использовать для объяснения и расчетов передвижения больших масс воды в океанах, а также передвижения масс воздуха в горных районах при сильных ветрах.

Снижение сопротивления. В начале главы мы говорили о том, что воздушные или водяные массы без оболочек, которые движутся вместе с вихрем, несмотря на плохо обтекаемую форму испытывают значительно меньшее сопротивление, чем такие же массы в оболочках. Мы указали и причину такого снижения сопротивления - оно объясняется непрерывностью поля скоростей.

Возникает естественный вопрос о том, нельзя ли придать обтекаемому телу такую форму (с подвижной границей) и сообщить ему такое движение, чтобы возникающее при этом течение было аналогично течению при движении вихря, и тем самым попытаться уменьшить сопротивление?

Мы приведем здесь принадлежащий Б. А. Луговцову пример, который показывает, что такая постановка вопроса имеет смысл. Рассмотрим симметричное относительно оси х плоское потенциальное течение несжимаемой невязкой жидкости, верхняя половина которого изображена на рис. 132. На бесконечности поток имеет скорость, направленную вдоль оси х, на рис. 132 штриховкой отмечена каверна, в которой поддерживается такое давление, что на ее границе величина скорости постоянна и равна

Нетрудно видеть, что если вместо каверны в поток поместить твердое тело с подвижной границей, скорость которой также равна то наше течение можно рассматривать и как точное решение задачи обтекания этого тела вязкой жидкостью. В самом деле, потенциальное течение удовлетворяет уравнению Навье-Стокса, а условие прилипания на границе тела выполняется в силу того, что скорости жидкости и границы совпадают. Таким образом, благодаря подвижной границе течение останется потенциальным, несмотря на вязкость, след не появится и полная сила, действующая на тело, будет равной нулю.

В принципе такую конструкцию тела с подвижной границей можно осуществить и на практике. Для поддержания описанного движения необходим постоянный подвод энергии, который должен компенсировать диссипацию энергии вследствие вязкости. Ниже мы подсчитаем необходимую для этого мощность.

Характер рассматриваемого течения таков, что его комплексный потенциал должен быть многозначной функцией. Чтобы выделить его однозначную ветвь, мы

сделаем в области течения разрез вдоль отрезка (рис. 132). Ясно, что комплексный потенциал отображает эту область с разрезом на область, изображенную на рис. 133, а (соответствующие точки помечены одинаковыми буквами), на нем указаны также образы линий тока (соответствующие помечены одинаковыми цифрами). Разрыв потенциала на линии не нарушает непрерывности поля скоростей, ибо производная комплексного потенциала остается непрерывной на этой линии.

На рис. 133,б показан образ области течения при отображении это круг радиуса с разрезом по действительной оси от точки до точка разветвления потока В, в которой скорость равна нулю, переходит в центр круга

Итак, в плоскости образ области течения и положение точек вполне определены. В плоскости напротив, можно произвольно задавать размеры прямоугольника Задав их, можно найти по

теореме Римана (гл. И) единственное конформное отображение левой половины области рис. 133, а на нижний полукруг рис. 133 ,б, при котором точки на обоих рисунках соответствуют друг другу. В силу симметрии тогда вся область рис. 133, а отобразится на круг с разрезом рис. 133, б. Если при этом выбрать надлежащим образом положение точки В на рис. 133, а (т. е. длину разреза), то она перейдет в центр круга и отображение определится полностью.

Это отображение удобно выразить через параметр , меняющийся в верхней полуплоскости (рис. 133, в). Конформное отображение этой полуплоскости на круг с разрезом рис. 133, б с нужным соответствием точек выписывается элементарно.

Атмосфера ("атмос" - пар) - воздушная оболочка Земли. Атмосфера по характеру изменения температуры с высотой, делится на несколько сфер

Лучистая энергия Солнца является источником движения воздуха. Между теплыми и холодными массами возникает разность температуры и атмосферного воздуха давления. Это порождает ветер.

Для обозначения движения ветра применяют различные понятия: смерч, буря, ураган, шторм, тайфун, циклон и пр.

Чтобы их систематизировать, во всем мире пользуются шкалой Бофорта , которая оценивает силу ветра в баллах от 0 до 12 (см. табл.).

Атмосферные фронты и атмосферные вихри порождают грозные природные явления, классификация которых приведена на рис. 1.9.

Рис. 1.9. Природные опасности метеорологического характера.

В табл. 1.15 приведена характеристика атмосферных вихрей.

Циклон (ураган) - (греч. кружащийся) - это сильное атмосферное возмущение, круговое вихревое движение воздуха с понижением давления в центре.

В зависимости от места зарождения циклоны подразделяются на тропические ивнетропические . Центральная часть циклона, обладающая наиболее низким давлением, слабой облачностью и слабыми ветрами, называется "глазом бури" ("глазом урагана").

Скорость движения самого циклона 40 км/ч (редко до 100 км/ч). Тропические циклоны (тайфуны) движутся быстрее. А скорость ветровых вихрей до 170 км/ч.

В зависимости от скорости различают: - ураган (115-140 км/ч); - сильный ураган (140-170 км/ч); - жесткий ураган (более 170 км/ч).

Ураганы наиболее распространены на Дальнем Востоке, в Калининградской и Северо-западных областях страны.

Предвестники урагана (циклона): - понижение давления в низких широтах и повышение в высоких; - наличие возмущений любого рода; - переменчивые ветры; - морская зыбь; - неправильные приливы и отливы.

Таблица 1.15

Характеристика атмосферных вихрей

Поражающие факторы урагана приведены в табл. 1.16.

Таблица 1.16

Поражающие факторы урагана

Смерч (торнадо) - чрезвычайно быстро вращающаяся воронка, свисающая из кучево-дождевого облака и наблюдающаяся как "воронкообразное облако " или "труба". Классификация смерчей дана в табл. 3.1.26.

Таблица 1.17

Классификация смерчей

На территории России смерчи распространены: на севере - у Соловецких островов, на Белом море, на юге - на Черном и Азовском морях. - Малые смерчи короткого действия проходят путь менее километра. - Малые смерчи значительного действия проходят путь в несколько километров. - Крупные смерчи проходят путь в десятки километров.

Поражающие факторы смерчей даны в табл. 1.18.

Таблица 1.18

Поражающие факторы смерчей

Буря - длительный, очень сильный ветер со скоростью более 20 м/с, наблюдающийся при прохождении циклона и сопровождающийся сильным волнением на море и разрушениями на суше. Длительность действия - от нескольких часов до нескольких суток.

В табл. 1.19 приведена классификация бурь.

Таблица 1.19

Классификация бурь

Поражающие факторы бурь приведены в табл. 1.20.

Таблица 1.20.

Поражающие факторы бурь

Действия населения

Гроза - атмосферное явление, сопровождающееся молниями и оглушительными раскатами грома. На Земном шаре одновременно происходит до 1800 гроз.

Молния - гигантский электрический искровой разряд в атмосфере в виде яркой вспышки света.

Таблица 1.21

Виды молний

Таблица 1.21

Поражающие факторы молнии

Действия населения при грозе.

Град - частички плотного льда, выпадающего в виде осадков из мощных кучево-дождевых облаков.

Туман - помутнение воздуха над поверхностью Земли, вызываемое конденсацией водяного пара

Гололед - смерзшиеся капли переохлажденного дождя или тумана, осаждающиеся на холодной поверхности Земли.

Снежные заносы - обильное выпадение снега при скорости ветра свыше 15 м/с и продолжительности снегопада более 12 часов.