Грозы

Если тропические циклоны ( иначе называемые ураганами, тайфунами) являются катаклизмами природы, то циклоны и антициклоны средних широт можно сравнить с безобидными ягнятами природы. При всём желании на звание катаклизмов они претендовать не могут. Хотя при движении циклона по земле ветер и может иногда достигать ураганных значений (порядка, скажем, более 20 м/сек), но это несравнимо с бедами, которые приносит тропический циклон. Но каков же механизм формирования циклонов и антициклонов средних широт?

Тёплое пятно на склоне холма формирует над собой вихрь Бенара. Холодное пятно в океанской акватории порождает над собой водное торнадо, из которого и вырастает ураган. В средних же широтах также может появиться и появляется протяженная граница между тёплым и холодным фронтами. А природе такое положение не нравится. И она стремится выровнять температуры, направляя среду в тёплое или в холодное пятно, или на границу между фронтами. Если мы рассматриваем явление с позиции конвекции, то холодный воздух нагревается, становится легче и поднимается вверх. И конечно же не дремлет сила Кориолиса, закручивая двигающийся вверх поток.

И как это совершенно справедливо полагается в метеорологии, на границе между тёплым и холодных фронтом начинает формироваться циклон с антициклоном (свои права при этом предъявляет закон сохранения момента количества движения, заставляя поднимающийся воздух вращаться и в правом, и в левом направлении). Как и положено в современной метеорологии, в циклоне атмосферное давление понижается, а в антициклоне повышается. Но мраком неизвестности покрыт при этом механизм, который понижает атмосферное давление в циклоне и повышает давление в антициклоне.

Можно было бы сослаться как и выше на конвекцию. Но где же та печка, которая сможет сформировать циклон? Нагрело солнце равномерно землю, от земли столь же равномерно нагрелся воздух. Конвекции в этой ситуации нет места. В циклоне атмосферное давление понижено. Следовательно должен быть механизм его понижения, т. е. с поверхности земли воздух должен подниматься вверх. И что-то должно препятствовать его опусканию вниз. В антициклоне давление повышено. Следовательно, что-то должно опускать воздух с высоты. И что-то должно препятствовать его подъёму вверх. Конвекция такого механизма предоставить не может. Появилось тёплое или холодное пятно. На нём уже может формироваться вихрь Бенара.

А единственный природный объект, который способен как поднять воздух вверх, так и опустить его вниз, это вихрь Бенара. Но вихрь Бенара не может иметь разную концентрацию среды по высоте. Ведь масса среды в горизонтальном слое внутреннего потока (также как и наружного потока) одинакова как в окрестности основания, так и в окрестности вершины. По высоте же атмосферное давление одинаковым быть не может и оно не может выполнить требование вихря постоянства массы среды по его высоте. Поэтому вихрь обязан откуда-то брать дополнительную массу среды. И брать он её может только своим основанием. Ведь только в основании движение среды идёт от периферии к центру. Поэтому любой вихрь Бенара понижает атмосферное давление в районе своего основания, повышая его в районе вершины. Вам это ничего не напоминает?

Циклоны и антициклоны средних широт это гигантские вихри Бенара, вполне аналогичные тропическим циклонам. Но тропические циклоны недостатка влаги не испытывают, в то время как циклоны средних широт в отношении влаги сидят на голодном пайке. Влага поставляет энергию тропическим циклонам, что и позволяет им зверствовать выходя на сушу. В отличие от вихря над нагретым склоном холма циклоны средних широт не имеют ограничения по диаметру. Если сравнивать торнадо с вихрем над нагретым склоном холма, то мы увидим, что скорость осевого движения и скорость вращения в хоботе торнадо существенно больше этих же параметров для вихря Бенара над склоном холма. Иными словами, параметров внутреннего потока вихря над склоном явно недостаточно для того, чтобы вихрь мог существовать самостоятельно. Т.е. величина центробежной силы в этом вихре БОЛЬШЕ величины центростремительной силы. И вихрь Бенара над склоном существует только за счёт наличия тёплого пятна. Не было бы пятна, и вихрь при благоприятных условиях расползся бы до размеров циклона средних широт.

Таким образом, вихрь Бенара имеет 3 состояния. Условимся называть первое состояние торнадо или мини торнадо; второе состояние назовём состоянием вихря над склоном холма; третье состояние назовём состоянием циклона. При этом в первом состоянии величина центростремительной силы ВСЕГДА больше величины центробежной силы. Во втором состоянии величина центробежной силы ВСЕГДА больше величины центростремительной силы. В третьем состоянии величина центростремительной силы ВСЕГДА равна величине центробежной силы.

Естественно, что в связи с размерами «хобота» циклона средних широт и осевая скорость движения, и скорость вращения в «хоботе» практически незаметны. А тем не менее, в связи с величиной «хобота» велико суммарное количество движения в нём. А т. к. величина центробежной силы в циклоне равна величине центростремительной силы, то на периферии циклона велики и скорость осевого движения, и скорость вращения. Т.к. тропические циклоны возникают на глобальных океанских течениях, текущих с востока на запад, то на начальном участке своей траектории движения тропические циклоны также двигаются с востока на запад. Сила же Кориолиса поворачивает их в северном полушарии вправо, что и определяет траекторию их движения. Циклоны же средних широт от глобальных океанских течений никак не зависят. Поэтому и двигаются они с момента формирования с запада на восток, под действием силы Кориолиса поворачиваясь вправо.

Таким образом, циклон является растянутым по горизонтали вихрем Бенара с массивным «хоботом» и тонкой периферией, формируемым на границе между тёплым и холодным фронтами. Облачность в начальной стадии формирования молодого циклона приобретает спиралевидный вид с вращающимися облаками (рисунок с комментариями взят из («Атлас облаков» / Федер. служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет), Гл. геофиз. Обсерватория им. А.И. Воейкова ; [Д. П. Беспалов и др. ; ред.: Л. К. Сурыгина]. Санкт-Петербург : Д’АРТ, 2011. – 248 с.)

Рисунок 1
«Облачный вихрь молодого циклона состоит из двух спиралевидных облачных полос теплого и холодного фронтов, разделенных безоблачной прослойкой. На юго-восточной периферии циклона прослеживается облачный вихрь вторичного (частного) циклона, облачные спирали которого состоят из массива кучево-дождевых облаков.» Из этого же источника взята и следующая цитата. «Наблюдения за облачностью свидетельствуют, что принесенное в антициклон облако под влиянием нисходящих движений начинает медленно опускаться и рассеиваться.» А она свидетельствует о том, что антициклон является перевёрнутым вихрем Бенара, т.е. поставленным на попа.

Условиям вихря над склоном удовлетворяет движение среды по трубопроводам. Поэтому в трубопроводах возможно формирование последовательности вихрей Бенара второго состояния (т. е. подобным вихрям на склоне). Но при выходе из трубопровода вихри Бенара второго состояния разрушаются, практически не имея значимого преимущества по дальности полёта по сравнению с ламинарным течением. Но в трубопроводе можно сформировать и вихри мини торнадо. Вихри же мини торнадо при выходе из трубопровода свою форму сохраняют на значительном расстоянии, что увеличивает дальность полёта струи по сравнению с ламинарным течением в трубопроводе.

Отдельным природным явлением являются грозы. Грозовые тучи в своём составе порождают одну, редко две или три ячейки (вихри) Бенара. Вихри Бенара грозовой тучи относятся к вихрям второго состояния. Но в отличие от вихря над склоном вихри грозовой тучи не испытывают недостатка влаги. И влагу из тучи они поглощают всей своей внешней поверхностью, а не только основанием. Поэтому вихри грозовой тучи не имеют пространственных ограничений. Ограничение на вихрь накладывает количество влаги, содержащейся в туче. И вихрь грозовой тучи увеличивает как свой диаметр, так и свою высоту. Вспомним о том, что вихрь Бенара в любом состоянии в любом сечении любого потока должен содержать одну и ту же величины массы среды.

Рассмотрим случай, в котором туча содержит очень большие запасы влаги, что соответствует аллее торнадо в США. Конденсация влаги поставляет вихрю энергию, за счёт которой вихрь увеличивает размеры. Т.е. каждый горизонтальный слой по всей высоте вихря содержит большую массу среды. Эта дополнительная масса обязана откуда-то появиться. Появляется же она за счёт того, что основание вихря сосёт массу из окружающей его атмосферы. А грозовые тучи всё же находятся на какой-то высоте, на которой атмосферное давление ниже, чем на поверхности земли. Основание вихря, высасывая воздух из окружающей атмосферы, переводит её в состояние, соответствующее большей высоте. Чтобы привести состояние атмосферы в равновесное состояние, природа должна опустить основание вихря ниже, приближая его к поверхности земли. И вихрь, обеспечивая возможность для дальнейшего роста, устремляется к земле.

Рисунок 2
И как только вихрь достигает поверхности земли, он преобразуется в торнадо.

Рисунок 3
В интернете полно рисунков торнадо. Но на этом рисунке видно, что площадь хобота существенно меньше площади периферии (о чём свидетельствует пыль, поднятая воздухом, двигающимся в основании от периферии к центру). Если же для формирования торнадо влаги недостаточно, то грозовая туча только погрозит пальчиками молний и успокоится.

Но откуда же в атмосфере появляется влага? На побережье морей и океанов влагу суше поставляют бризы и муссоны. Но есть ещё и такое явление как пассаты и ячейки Хедли (Гадлея) и Ферреля.

Рисунок 4
Формируемые океанами пассаты своё влияние распространяют и на материки. И если в приповерхностном слое движение воздуха идёт в одном направлении (как в ячейках Хедли, так и в ячейках Ферреля), то на высоте движение идёт в противоположном направлении (как это и показано на рисунке). Конечно же идеальная картина ячеек нарушается наличием циклонов и антициклонов. Тем не менее, морская и океанская влага движением воздуха в ячейках выносится на сушу. К тому же воздух, двигающийся в ячейках на высоте, для морей и океанов является сухим. Попадая же на сушу сухой океанский воздух становится для неё влажным. Приповерхностное движение воздуха доставляет влагу суше непосредственно, формируя облачность, поставляющая осадки. Кстати, если облака заблудились и из циклона попадают в антициклон, то влага из облаков опускается вниз, повышая влажность в антициклоне. Высотное движение в ячейках повышает поверхностную влагу в антициклонах.

Интересной проблемой является наличие на земле пары кухонь погоды. Одной из кухонь является Ла Ниньо и Эль Ниньо у берегов Южной Америки (время от времени исчезающее Перуанское течение). Вторая кухня расположена у берегов Исландии.

Рисунок 5
С северной кухней погоды более или менее ясно. «Атлас облаков» свидетельствует. «Свыше 70–90 % всех циклонов в северном полушарии зимой образуется вблизи восточных побережий Канады и Гренландии и дальневосточного побережья России, а также в северной части Средиземного моря и в западных частях Черного и Каспийского морей. После зарождения циклоны перемещаются с восточной составляющей над океаном и затем выходят на территорию Европы и Западной Сибири.»

Холодное Лабрадорское течение летом холоднее тёплого воздуха, поступающего с Канады. Как и на холодном пятне на экваториальных океанских течениях тёплый воздух насыщается при этом влаги. А т. к. влажный воздух легче сухого, то он поднимается вверх, формируя вихри Бенара. Но т. к. температура воды 26,50 С в холодном течении не достигает, то возникающие вихри имеют статус вихря над склоном холма. Поэтому они и расплываются в пространстве создавая циклоны. В холодное время года напротив холодное течение является для воздуха тёплым, создавая аналог вихря Бенара над нагретым склоном холма. И по той же причине, что и летом, течение вновь формирует циклоны.

С Ла Ниньо и Эль Ниньо не всё так однозначно. Ведь Перуанское течение то существует и течёт вдоль Южной Америки (формируя Ла Ниньо), то разворачивается и идёт параллельно Антарктическому Циркумполярному течению (формируя Эль Ниньо). И пассаты, дующие с материка, то упираются на холодную воду Перуанского течения (охлаждённого у Антарктиды), то текут по тёплой воде. Иными словами, пассаты, двигающиеся с материка, в сезоны Ла Ниньо имеют меньшую температуру т. к. они охладились на Перуанском течении. В сезоны же Эль Ниньо Перуанское течение отсутствует. И пассаты имеют большую температуру. Но какое отношение это явление имеет отношение к погоде на земном шарике? Ведь между пассатами южного полушария и пассатами северного полушария существует полоса безветрия и пассаты непосредственно не общаются. И тем не менее, полоса безветрия смещается от зимы к лету. А если меняется температура южных пассатов, то неужели это явление не влияет на положение полосы безветрия? Таким образом, кухня погоды Ла Ниньо и Эль Ниньо имеет всемирный характер, определяя погоду на всём шарике. В северном же полушарии аналога Ла Ниньо и Эль Ниньо не существует. Поэтому кухня погоды у Исландии и в районе Берингового пролива имеет только локальный характер, формируя , скажем, циклоны, двигающиеся в восточном направлении.

 

Во первых картинка не моя, а взята из интернета (я таких красивых картинок рисовать не умею). А во вторых читать надо внимательней. Между пассатами расположена полоса безветрия, в которой нет ветров ни в одном, ни в другом направлении. Положение же полосы безветрия зависит от сезона года. Почитайте буквари по метеорологии.