Атмосферний вихор для розгону хмар. Розгін хмар - встановлення гарної погоди

Тр орьба теплих і холодних течій, які прагнуть вирівняти різницю температур між північчю і півднем, відбувається зі змінним успіхом. Ті теплі маси беруть перевагу і проникають у вигляді теплої мови далеко на північ, іноді до Гренландії, Нової Землі і навіть до Землі Франца Йосипа; то маси арктичного повітря у вигляді гігантської «краплі» прориваються на південь і, змітаючи на своєму шляху тепле повітря, обрушуються на Крим та республіки. Середньої Азії. Особливо різко виражена ця боротьба взимку, коли різниця температур між півночі та півднем зростає. На синоптичних картах північної півкулі завжди можна бачити кілька мов теплого та холодного повітря, що проникають на різну глибину на північ і південь (знайдіть їх на нашій карті).

Арена, на якій розгортається боротьба повітряних течій, припадає саме на найбільш населені частини земної кулі - помірні широти. Ці широти і відчувають на собі примхи погоди.

Найнеспокійніші області у нашій атмосфері – це межі повітряних мас. На них часто виникають величезні вихори, які дають нам безперервні зміни погоди. Познайомимося з ними детальніше.

Уявімо фронт, що розділяє холодну і теплу маси (рис. 15, а). Коли повітряні маси рухаються з різною швидкістю або коли одна повітряна

Маса переміщається вздовж фронту в одному напрямку, а інша - у зворотному, то лінія фронту може прогинатися, і на ній утворюються повітряні хвилі (рис. 15, б). При цьому холодне повітря сильніше і сильніше повертає на південь, підтікає під мову теплого повітря і витісняє частину його вгору. - Тепла мова проникає все далі на північ і «вимиває» холодну масу, що лежить перед ним. Повітряні шари поступово завихрюються.

Від центральної частини вихор повітря з силою викидається до його околиць. Тому у вершини теплої мови тиск сильно падає, і в атмосфері утворюється як би улоговина. Такий вихор зі зниженим тиском у центрі і називають циклоном («циклон» означає круговий).

Оскільки повітря тече до місць з нижчим тиском, то циклоні він мав би прагнути від

Країв вихору прямо до центру. Але тут ми повинні нагадати читачеві, що внаслідок обертання Землі навколо своєї осі шляхи всіх тіл, що рухаються в північній півкулі, відхиляються вправо. Тому, наприклад, праві береги річок сильніше розмиваються, праві рейки на двоколійних залізницяхшвидше зношуються. І вітер у циклоні теж відхиляється праворуч; в результаті виходить вихор із напрямком вітрів проти годинникової стрілки.

Для того щоб зрозуміти, як обертання Землі діє на повітряний потік, уявімо ділянку земної поверхніна глобусі (рис. 16). Напрям вітру в точці А показано стрілкою. Вітер у точці А південно-західний. Через деякий час Земля повернеться, і точка А перейде в точку Б. Потік повітря відхилиться вправо, і кут зміниться; вітер стане західно-південно-західним. Ще через деякий час точка Б переміститься вже в точку В і вітер стане західним, тобто ще більше поверне вправо.

Якщо в області циклону провести лінії рівних тисків, тобто ізобары, то виявиться, що вони оточать центр циклону (рис. 15, в). Так виглядає циклон у першу добу свого життя. Що ж відбувається з ним далі?

Мова циклону простягається все далі на північ, загострюється і стає вже більшим теплим сектором (рис. 17). Зазвичай він розташовується у південній частині циклону, тому що теплі течії найчастіше йдуть з півдня та південного заходу. З двох боків сектор оточений холодним повітрям. Подивіться, як йдуть теплі і холодні потоки в циклоні, і ви переконаєтеся в тому, що тут два вже знайомі вам фронти. Права межа теплого сектора - теплий фронт циклону з широкою смугою опадів, а ліва - холодний; смуга опадів вузька.

Циклон завжди рухається у напрямку, показаному стрілкою (паралельно ізобарам теплого сектора).

Звернемося знову до нашої карти погоди та знайдемо циклон у Фінляндії. Центр його позначений літерою Н (низький тиск). Праворуч – теплий фронт; морське полярне повітря натікає на континентальний, йде сніг.

Зліва - холодний фронт: морське арктичне повітря, огинаючи сектор, вривається в теплу південно-західну течію; вузька смуга хуртовин. Це вже добре розвинений циклон.

Спробуємо тепер передбачити подальшу долюциклону. Це не важко. Адже ми вже говорили, що холодний фронт рухається швидше за теплий. Значить, згодом хвиля теплого повітря стане ще крутішою, сектор циклону поступово звужуватиметься, і, нарешті, обидва фронти зімкнуться, відбудеться оклюзія. Це – смерть для циклону. До оклюзії циклон міг «харчуватися» теплою повітряною масою. Різниця температур між холодними потоками та теплим сектором зберігалася. Циклон жив та розвивався. Але після того, як обидва фронти зімкнулися, живлення циклону відрізане. Тепле повітря йде вгору, і циклон починає згасати. Опади слабшають, хмари потроху розсіюються, вітер стихає,
тиск вирівнюється, і від грізного циклону залишається невелика завихрена зона. Такий вмираючий циклон є і на нашій карті, за Волгою.

Розміри циклонів різні. Іноді це вихор з діаметром всього кілька сотень кілометрів. Але буває і так, що вихор захоплює область до 4-5 тисяч кілометрів у поперечнику – цілий материк! До центрів величезних циклонічних вихорів можуть стікатися різні повітряні маси: теплі і вологі, холодні і сухі. Тому небо над циклоном найчастіше хмарне, а вітер сильний, іноді штормовий.

На кордоні між повітряними масами може утворитися кілька хвиль. Тому зазвичай циклони розвиваються не поодинці, а серіями по чотири і більше. Коли перший вже згасає, в останньому тільки починає витягуватися тепла мова. Живе циклон 5-6 днів, і цей час він може пройти величезний простір. За добу циклон пробігає загалом близько 800 кілометрів, інколи ж до 2000 кілометрів.

Циклони приходять до нас найчастіше із заходу. Це з загальним переміщенням повітряних мас із заходу Схід. Сильні циклони на нашій території трапляються дуже рідко. Затяжний дощ чи сніг, різкий поривчастий вітер – ось звичайна картина нашого циклону. Але в тропіках іноді бувають циклони надзвичайної сили, з жорстокими зливами та штормовими вітрами. Це – урагани та тайфуни.

Ми вже знаємо, що коли лінія фронту між двома повітряними течіями прогинається, в холодну масу вичавлюється тепла мова, і таким чином зароджується циклон. Але лінія фронту може прогинатися і у бік теплого повітря. І тут виникає вихор з іншими властивостями, ніж циклон. Називається він антициклоном. Це вже не улоговина, а повітряна гора.

Тиск у центрі такого вихору вищий, ніж з обох боків, і повітря розтікається від центру до околиць вихору. На його місце опускається повітря з вищих шарів. Опускаючись, він стискається, нагрівається, і хмарність у ньому поступово розсіюється. Тому і погода в антициклоні зазвичай буває малохмарна та суха; на рівнинах вона спекотна влітку і холодна взимку. Тільки на околицях антициклону можуть виникати тумани та низькі шаруваті хмари. Так як в антициклоні немає такої великої різниці в тисках, як у циклоні, то і вітри тут набагато слабші. Рухаються вони за годинниковою стрілкою (рис. 18).

З розвитком вихору верхні шари його прогріваються. Особливо це помітно, коли холодна мова від -

Різається і вихор перестає харчуватися холодом або коли антициклон застоюється на одному місці. Тоді погода в ньому стає стійкішою.

Взагалі антициклони - спокійніші вихори, ніж циклони. Рухають вони повільніше, близько 500 кілометрів на добу; часто зупиняються та тижнями стоять в одному районі, а потім знову продовжують свій шлях. Розміри їх величезні. Антициклон нерідко, особливо взимку, охоплює всю Європу та частину Азії. Але в окремих серіях циклонів можуть виникати і дрібні, рухливі та недовговічні антициклони.

Приходять до нас ці вихори зазвичай з північного за-паду, рідше із заходу. На картах погоди центри антициклонів позначаються літерою (високий тиск).

Знайдіть антициклон на нашій карті і подивіться, як розташовані навколо його центру ізобари.

Такими є атмосферні вихори. Щодня вони відбуваються над нашою країною. Їх можна знайти на будь-якій карті погоди.

Тепер на нашій карті вам уже все знайоме, і ми можемо перейти до другого основного питання нашої книжки – передбачення погоди.

Атмосфера нашої планети не буває спокійною, її повітряні маси перебувають у постійному русі. Найвищої сили повітряна стихія досягає в циклонах кругових обертаннях вітру у напрямку до центру. Шторми, урагани - це гігантські вихори, що шалено обертаються. Найчастіше вони зароджуються над прогрітими ділянками тропічних зон океанів, але можуть і у високих широтах. Найбільш швидкісні вихори - торнадо - досі багато в чому загадкові.

Атмосфера Землі схожа на океан, де замість води хлюпається повітря. Під впливом сонячної радіації, рельєфу та добового обертання планети у повітряному океані виникають неоднорідності. Області зниженого тискуназивають циклонами, підвищеного антициклонами. Саме у циклонах зароджуються сильні вітри. Найбільші з них досягають тисяч кілометрів у діаметрі і добре видно з космосу завдяки хмарам, що їх наповнюють. За своєю суттю це вихори, де повітря рухається по спіралі від країв до центру, в область з низьким тиском. Такі вихори, що постійно існують в атмосфері, але народжені саме в тропіках в Атлантиці і східній частині Тихого океану і досягли швидкості вітру понад 30 м/с, називають ураганами. («Ураган» від імені індіанського злого бога Хуракана). Для того щоб повітря переміщалося з такою швидкістю, необхідна велика різниця атмосферного тискуна малій відстані.

Аналогічні явища в західній частині Тихого океану, на північ від екватора, називають тайфунами (від китайського «тайфен», що означає «великий вітер»), а в Бенгальській затоці просто циклонами.

Урагани з'являються над теплими водами океанів між п'ятим і двадцятим градусами північної та південної широти. Обов'язковою умовою для їх утворення є величезна маса прогрітої води. Встановлено, що температура води повинна бути не нижче 26,5°C, глибина прогріву принаймні п'ятдесят метрів. Тепліша, ніж повітря, океанська вода починає випаровуватися. Маси нагрітої пари піднімаються вгору, утворюючи область зниженого тиску і залучаючи в рух навколишнє повітря. На певній висоті нагріта пара досягає точки роси і конденсується. При цьому виділяється теплова енергіяпідігріває повітря, спонукаючи його прагнути нагору, і таким чином живить новонароджений циклон. Обертальна складова швидкості вітру закручує його в Північній півкулі проти годинникової стрілки, а в Південній за годинниковою. Обертання залучає до вихору все більші маси повітря ззовні. У результаті силует циклону набуває форми гігантської вирви, зверненої шийкою донизу. Її краї іноді піднімаються до верхніх меж тропосфери. Усередині вирви утворюється зона ясної тихої погоди з низьким атмосферним тиском серед грозових хмар. Це око урагану. Його звичайний розмір 30 60 кілометрів. Він буває тільки у потужних тропічних циклонів і добре видно з космосу. Рухається тропічний циклон на північ або на південь від екватора, залежно від місця народження. Над сушею швидко слабшає, руйнуючись через шорсткість земної поверхні та нестачу вологи. Але варто йому вибратися до океану, і маховик може повертатися з новою силою. Потужний ураган здатний прати з лиця Землі цілі острови та змінювати берегову лінію. Обрушившись на густонаселені райони, він робить колосальні руйнування, а супутні зливи та повені завдають ще одного, не менш небезпечного удару. Так, від наслідків циклону, що обрушився на державу Бангладеш у 1970 році, загинуло понад триста тисяч людей. Ураган «Катріна», що виник у Мексиканській затоці 2005 року, вбив майже дві тисячі людей і завдав збитків на суму понад 80 мільярдів доларів.

У тропічній зоні утворюються сотні циклонів щорічно, але не всі вони набирають ураганної сили. Національний центр з ураганів у Флориді прогнозує 11 сильних вихорів на майбутній сезон. Для них уже припасені власні імена. Традицію іменування ураганів заклали ще XVI столітті іспанці, володіли Латинської Америки. Вони називали їх іменами святих. Потім у моду увійшли жіночі імена, з 1970-х років – чоловічі. Ідею підхопили метеослужби у всьому світі, крім Південної Азії.

Атлантику сильно штормить

У високих і полярних широтах існують подібні вихрові явища, лише механізм їхнього утворення інший. Позатропічний циклон отримує енергію від потужного атмосферного фронту, де холодне полярне повітря сходиться з теплим. Розкручування такої системи також відбувається через обертання Землі. Діаметр позатропічних циклонів більший, ніж тропічних, але енергія менша.

Коли швидкість вітру в позатропічному циклоні досягає 20? 24 м/с (дев'ять балів за шкалою Бофорта), йому надають категорію шторму. Більш сильні вітри рідкісні. Якщо все-таки ураган утворюється, наприклад, над Північною Атлантикою, він вирує в океані, іноді захоплюючи узбережжя Європи. У Останніми роками, однак, стали траплятися винятки. У грудні 1999 року найсильніший ураган «Лотар», що стався саме від північноатлантичного циклону, просунувся до центру материка, до Швейцарії. «Кирило», який на кілька днів паралізував життя європейців у січні 2007 року, охопив ще велику територію. Швидкість вітру часом доходила до 62 м/с.

В останнє десятиліття позатропічні циклоничастіше переходять у категорію штормів та ураганів, а ще у них змінилися траєкторії. Якщо раніше атмосферні депресії, що зародилися над Північною Атлантикою, прямували через Велику Британію та Скандинавський півострів до Північного Льодовитого океану, то зараз вони почали йти на схід і південь, приносячи потужні вітри та сильні опади до центру Європи і навіть Росії. Ці факти говорять про те, що ймовірність виникнення сильних штормів підвищується і нам слід бути готовими до стихій, подібних до «Кирила».

Смерч зруйнував житловий квартал у містечку Квірла у Східній Німеччині вночі 2 жовтня 2006 року

Люди та урагани: війна світів

Кінетична енергія одного потужного урагану величезна 1,5 х 10 12 ватів, це половина генеруючої потужності всіх електростанцій у світі. Деякі розробники давно мріють направити її в корисне русло, але інформація про це на рівні чуток. Нібито існують секретні лабораторії, які розробляють метеорологічну зброю і навіть випробовують її. Одне з небагатьох офіційних підтверджень того, що в цьому напрямку ведеться робота, є доповідь Weather as a Force Multiplier: Owning the Weather in 2025, розміщений деякий час тому на сайті ВПС США. У ньому є глава про управління погодою у військових цілях. Серед основних ударних можливостей метеорологічної зброї - спрямовані шторми. Американські військові знають їхню «бойову міць» не з чуток: 1992 року ураган «Ендрю» знищив базу Homestead на півострові Флорида. Втім, ідею спрямованих штормів слід розглядати швидше як фантастику, аніж як проект. Поки що урагани не піддаються управлінню з боку людей.

Для протистояння природній стихії пропонували масу способів, у тому числі екзотичних відганяти їх від берега за допомогою гігантських вентиляторів або розривати водневою бомбою. В експерименті Stormfury, проведеному американськими вченими в 1960?1980 роках, в районі урагану розпорошували іодід срібла. Передбачалося, що ця речовина сприяє заморожуванню переохолодженої води, внаслідок чого виділяється тепло, і в районі ока урагану посилюються дощі та вітри, руйнуючи структуру всього вихору. Насправді ж виявилося, що у тропічних циклонах дуже мало переохолодженої води, і ефект від розпилення мінімальний. Швидше за все допоможуть превентивні заходи, такі як зміна параметрів конкретної атмосферної депресії, з якої народжується ураган. Наприклад, охолодження поверхні океану кріогенними матеріалами або айсбергами, розпилення сажі над водою для поглинання сонячної радіації (щоб вода не нагрівалася). Адже має бути якийсь пусковий механізм, що раптово закручує вітер у скажену спіраль. Саме в ньому криється ключ до управління стихією та можливість точно передбачати місце та час народження урагану. Тільки фахівці ніяк не можуть його виявити, а тому спроби запобігти посиленню вихору не призводять до успіху.

З Канзасу до країни Оз

В атмосфері існують невеликі вихори смерчі. Вони виникають у грозових хмарах і тягнуться до води або суші. Смерчі виникають майже скрізь на Землі, але найчастіше близько 75% випадків їх поява відзначають у США. Американці називають їх «торнадо» або «твістерами», маючи на увазі шалене обертання та складну траєкторію. У Європі те саме явище відоме під ім'ям «тромб».

Фактів про торнадо досить вивчати їх почали наприкінці XIX століття. (Міні-Торнадо можна організувати навіть у себе вдома, помістивши вентилятор над гарячою ванною). Проте стрункої теорії їхнього походження досі немає. Згідно з найбільш поширеним уявленням, смерчі зароджуються на висоті перших кілометрів при зустрічі теплого повітря, що йде знизу, з холодним горизонтальним вітром. Це пояснює, наприклад, чому смерчів немає в дуже холодних місцях, таких як Антарктида, де повітря на поверхні не буває теплим. Для розгону вихору до високої швидкості необхідно також, щоб усередині нього різко впав атмосферний тиск. Смерчі часто супроводжують тропічні циклони. Така пара - ураган з торнадо - робить особливо сильні руйнування. Трапляється кілька торнадо поспіль. Так, у квітні 1974 року у США та Канаді з'явилися 148 торнадо протягом 18 годин. Загинули понад триста людей.

Зазвичай смерч формою нагадує хобот слона, що звисає з грозової хмари. Іноді він схожий на лійку чи стовп. Захопивши з поверхні воду, пісок чи інші матеріали, смерч стає видимим. Ширина середнього за величиною смерчу становить кілька сотень метрів, швидкість руху 10 20 м/с. Він живе кілька годин і проходить шлях у десятки кілометрів. Сильний вихор засмоктує, подібно до гігантського пилососа, все, що трапляється на шляху, і розкидає на десятки кілометрів по окрузі. Збереглося безліч кумедних історій про випадання чудових дощів, наприклад, із фруктів чи медуз. 1940 року у селі Мещери Горьківської області з неба падали срібні монети, які смерч «позичив» із неглибокого скарбу. Якось у Швеції вихор, який раптово налетів на стадіон просто у розпал матчу з хокею з м'ячем, підняв воротаря однієї з команд разом із воротами і акуратно переставив їх на кілька метрів, не завдавши жодної шкоди. Хоча за мить до цього він переламав, як сірники, телеграфні стовпи і розніс кілька дерев'яних споруд.

Енергія торнадо менша за енергію ураганів, але швидкість вітру в ньому набагато вища і може досягати 140 м/c. Для порівняння: тропічні циклони найвищої, п'ятої категорії за прийнятою в США шкалою ураганів Саффіра Сімпсона починаються зі швидкості вітру 70 м/c. Палиця, порядно розкручена смерчем, може пронизати стовбур дерева, а колоду - протаранити будинок. Руйнівної сили досягають лише 2% смерчів, і все ж таки їх середньорічні збитки для економіки постраждалих країн дуже великі.

А що ж всесвітнє потепління?

Дослідники відзначають, що в Атлантиці періоди активності ураганів та смерчів чергуються з відносним затишшям. Кількість атмосферних вихорів, зокрема потужних ураганів (в середньому по 3,5 на рік), збільшувалася в 1940?1960 роки і з 1995 року по теперішній час. Сила нинішніх вітрів та океанських штормів дивує навіть бувалих моряків. Одні вчені вважають останній спалах атмосферної активності довготривалим і пов'язують із глобальним потеплінням. Інші відстоюють її зв'язок із циклами сонячної активності. Обидві версії поки що не знають підтвердження, навпаки, в масштабі планети збільшення числа тропічних циклонів не помічено.

Однак питання про те, як зміниться активність ураганів у міру зростання середньорічної температурипланети залишається відкритим. Тому точні прогнози тропічних циклонів є актуальними, як ніколи. Для них задіяні самі сучасні засоби: космічні супутники, літаки, начинені електронікою буї, радіолокатори, суперкомп'ютери Інформації багато: всі урагани реєструють, відстежують та сповіщають людей про можливу небезпеку. Своєчасні оповіщення та евакуація - це єдині на сьогодні дієві методиборотьби зі стихією.

Інокентій Сенін

Активний вплив на погоду - втручання людини в перебіг атмосферних процесів шляхом зміни на короткий час тих чи інших фізичних чи хімічних властивостейу деякій частині атмосфери технічними засобами. Сюди відноситься осадження дощу або снігу з хмар, запобігання граду, розсіяння хмар і туманів, ослаблення або ліквідація заморозків у шарі повітря підґрунтя та ін.

Змінити погоду людина прагнула з давніх-давен, але лише в XX столітті були розроблені спеціальні технології впливу на атмосферу, які призводять до зміни погоди.

Посів хмар - найпоширеніший спосіб зміни погоди; він застосовується або для створення дощу в посушливих місцях, або для зменшення ймовірності граду - викликаючи дощ, перш ніж волога у хмарах перетвориться на градини, або для зменшення опадів.

Матеріал підготовлений на основі інформації РІА Новини та відкритих джерел

Охарактеризувати атмосферні небезпечні явища(циклони, тайфуни, урагани, бурі, шторми, шквали, смерчі сильні опади, посухи, тумани, ожеледиця, хуртовини, заморозки, морози, буровей, гроза).

Ми живемо на дні великого повітряного океану, розташованого навколо Земної кулі. Глибина цього океану 1000 км. і називається атмосферою.

Вітри – це так звані прилади змішування, вони забезпечують:

Обмін між забрудненим та чистим повітрям;

Насиченням киснем полів та лісів, теплих та холодних арктичних областей:

Розганяють хмари та приносять дощові хмари на поля, які дають урожаї, таким чином вітер є найважливішим компонентом життя.

Газове середовище навколо Землі, що обертається разом із нею, називається атмосферою. Не рівномірність нагрівання сприяє загальної циркуляціїатмосфери, яка впливає на погоду та клімат Землі.

Атмосферний тиск розподіляється нерівномірно, що призводить до руху повітря щодо Землі від високого до низького. Вітер – це рух повітря щодо земної поверхні, що виникає внаслідок нерівномірного розподілу атмосферного тиску та спрямований із зони високого тиску в зону низького.

Сила вітру залежить від баричного градієнта: чим більша різниця атмосферного тиску і чим ближче знаходяться взаємодіючі області, тим швидше відбувається вирівнювання перепаду тиску і тим вища швидкість вітру.

Напрям вітру залежить від:

Взаєморозташування області високого та низького тиску;

обертання Землі;

У 1806 році англійський адмірал Бафарт розробив шкалу для визначення сили вітру в балах. Цією шкалою користуються досі.

Вітер починає викликати ушкодження при швидкості близько 20 м/с. Швидкість вітру обчислюють як у метрах за секунду, так і за кілометри за секунду. Помноживши перше значення на коефіцієнт 3.6, отримаємо друге значення (при зворотній дії цей коефіцієнт виступає в ролі дільника).

Людина утримується на ногах за швидкості вітру до 36 м/с. При швидкості вітру 44 м/с ніхто не наважиться покинути приміщення. Щойно тиск вітру, що дорівнює квадрату швидкості, перевищить масу людини, сили їй змінять, вітер її підхоплює і несе.

Для людини найбільш сприятливою швидкістю вітру у спекотні дні, коли він легко одягнений, є 1-2 м/с. При швидкості вітру 3-7 м/с виникає подразнення. Сильний вітер понад 20 м/с спричиняє порушення життєдіяльності.

Шкала Бофорта визначення сили вітру

Сила вітру (бали)	Словесне позначення	Швидкість м/с	Середня округлена, м/с	Середня округлена, км/год	Середня округлена, вузли	Округлений середній тиск, кг/м	Вплив вітру на предмети
	Тихий вітер	0,3-1,5			2,5	0,1	Відчувається легкий подих. По диму можна визначити напрямок вітру. Листя та прапори нерухомі.
	Легкий вітер	1,6-3,3				0,5	Злегка коливається вимпел, часом прапори та листя на деревах.
	Слабкий вітер	3,4-5,4					Прапори полощуться, коливаються невеликі вкриті листям гілки дерев.
	Помірний вітер	5,5-7,9					Витягуються невеликі прапори та вимпели, коливаються гілки дерев без листя. Вітер піднімає пил та клаптики паперу
	Свіжий вітер	8,0-10,7					Витягуються великі прапори, коливаються великі голі гілки дерев.
	Сильний вітер	10,8-13,8					Вагаються великі суки, свистить у снастях, між будинками та нерухомими предметами.
	Міцний вітер	13,9-17,1					Вагаються стовбури невеликих дерев без листя. Гудять телефонні дроти.
	Дуже міцний вітер	17,2-24,4					Качає великі дерева, ламає гілки та суки. Помітно затримує рух проти вітру.
	Шторм	20,7-24,4					Ламає великі голі сучки дерев, зсуває легкі предмети, ушкоджує дахи.
	Сильний шторм	24,5-28,4					Ламає дерева, ушкоджує будови.
	Жорстокий шторм	28,5-32,6					Створює великі руйнування.
	Ураган	32 і більше	Понад 32	Понад 105	Понад 57	Понад 74	Проводить катастрофічні руйнування, вириває дерева з корінням

Погодні умови відіграють роль кондиціонера повітря, завдяки чому наша планета залишається заселеною. Вони є рушійною силою, що переміщає тепло і вологу з одних місць до інших і здатних створювати сильні сплески енергії.

Погодні системи– це кругові області вихрових потоків повітря ширина від 150 до 400 км. Їх товщина сильно коливається, досягаючи 12-15 км і розташовуючись практично по всій висоті тропосфери (найближчого до Землі атмосферного шару). Товщина інших, дрібніших і швидко переміщуваних систем не перевищує 1-3 км.

Погодні системи характеризуються змінами тиску повітря, а також різними вітрами.

Основними погонними (баричними) системами є циклони та антициклони. Антициклон- Це область підвищеного атмосферного тиску з низхідним повітряним потоком з максимумом в центрі. Циклонє область зниженого тиску з висхідними потоками повітря з мінімумом у центрі. Тому для циклонів характерна хмарна погода.

Антициклони, як область підвищеного атмосферного тиску, зазвичай характеризується стійкою погодою, яка найчастіше суттєво не змінюється протягом кількох днів. Вітер дме за годинниковою стрілкою навколо центру у північній півкулі та проти – у південній. На синоптичних картах антициклони зображуються у вигляді концентричних ізобарів (ліній, що з'єднують області з однаковим тиском), навколо центру з найбільшим тиском.

Для антициклонів зазвичай характерні легкі вітри та чисте небо. Відсутність хмарності означає, що тепло, що випромінюється поверхнею вдень, випаровується в космічний простір. В результаті ґрунт та поверхневий шар повітря швидко охолоджуються вночі. Взимку охолодження є причиною морозів при вологості в повітрі, морозі або туману. Легкі вітри області антициклонів сприяють еволюції цих погодних явищ. Якби сильний, він міг би перемішати повітряні маси, і поверхневе охолодження поширилося на набагато глибші шари повітря.

Тепле та холодне повітря перемішуються важко. Тому тепле повітря, що тече хвилями в полярному фронті, перетікає через потік холодного щільного повітря, а не змішується з ним. Холодне ж повітря слідує за теплим і таким чином утворюється циклон.Зазвичай усередині циклону є 2 фронти: теплий фронтвідокремлює потік теплого повітря, що наближається, від холодного. При цьому тепле повітря піднімається над шаром холодного щільного повітря, що знаходиться попереду. У висхідному повітрі, що охолоджується, водяні пари конденсуються і утворюються хмари. За теплим фронтом слідує холодний фронт.Уздовж цього фронту холодне повітря пробивається під шаром теплого повітря, змушуючи його підніматися вгору. Тому холодний фронт також несе хмарну, дощову погоду. Холодний фронт рухається швидше за тепле, внаслідок чого вони зрештою стикаються, і тепле повітря витісняється вгору.

Метеорологи ретельно вивчають послідовність погодних умов, пов'язаних із циклонами. Ці знання дуже важливі для прогнозу погоди. Наприклад, тонкі перисті хмари верхнього ярусу, за яким йдуть сірі дощові хмари нижнього ярусу. Ці хмари зазвичай несуть дощі, що ллються протягом кількох годин, перш ніж теплий фронт.

За теплим фронтом знаходиться область теплого повітря з властивою їй хмарністю та вологістю.

Потім слідує холодний фронт, де внаслідок висхідних потоків повітря виникають грози. Часто вздовж кордону холодного фронту випадає сильний дощ, тривалість якого зазвичай менша, ніж за умов теплого фронту. Після проходження холодного фронту, як правило, настає ясна холодна погода.

В результаті природних процесів, що відбуваються в атмосфері, на Землі спостерігаються явища, які становлять безпосередню небезпеку та ускладнюють функціонування систем людини. До атмосферних небезпек відносимо циклони (урагани, тайфуни), бурі (шторми), смерчі (торнадо), град, хуртовини, зливи, ожеледиця, тумани, блискавки.

Циклони можуть бути:

1. Звичайними (нетропічними), які виникають у результаті взаємодії один з одним холодного та теплого повітряних фронтів.

2. Тропічними, які мають різні назви:

– «ураган» – назва пов'язана з ім'ям бога бур у древнього народу майя, називають жителі США. Центральної та Південної Америки.

- "тайфун" у перекладі з китайської "дуже великий вітер", називають жителі Росії ( далекий Схід), Австралії, Кореї, Китаю, Індії, Японії. За дивною іронією тайфунам та ураганам дають жіночі імена.

Тропічні циклони

На батьківщині ураганів, у тропіках, маси повітря сильно нагріті та насичені водяними парами – температура поверхні океану на цих широтах досягає двадцяти семи – двадцяти восьми градусів Цельсія. Внаслідок цього виникають потужні висхідні струми повітря і виділенням запасеного ним сонячного тепла і конденсацією парів, що містяться в ньому. Процес розвивається і наростає, виходить своєрідний гігантський насос - у вирву, що утворилася в місці зародження цього насоса, засмоктуються сусідні маси такого ж теплого і насиченого парами повітря, і таким чином процес поширюється ще й вшир, захоплюючи нові площі на поверхні океану.

Коли ви виливаєте воду з ванни через зливний отвір, утворюється вир. Приблизно те саме відбувається і з повітрям, що піднімається вгору в місці зародження циклону, - він починає обертатися.

Гігантський повітряний насос продовжує працювати, все більше вологи конденсується на його лійкоподібній вершині, все більше тепла при цьому вивільняється. (Американські метеорологи підрахували: протягом одного дня догори може бути піднято понад мільйон тонн води – у вигляді пари, яким безперервно насичується приповерхневий шар атмосфери; енергії, що вивільнилася при конденсації за якісь десять днів, вистачило б такій високорозвиненій у промисловому відношенні державі, як США, на шість років!). Вважається, що циклон середньої сили виділяє приблизно таку ж кількість енергії, як 500000 атомних бомб з потужністю скинутої над Хіросимою. Атмосферний тиск в центрі циклону і на його околицях стає неоднаковим: там, у центрі циклону, він набагато нижчий, а різкий перепад тиску – це причина сильних вітрів, які незабаром переростають у ураганні. На просторі діаметром від трьохсот до п'ятисот кілометрів починають свою шалену круговерть найсильніші вітри.

Виникнувши, циклони починають переміщатися із середньою швидкістю 10-30 км/год, іноді можуть на деякий час зависати над місцевістю.

Циклони (звичайні та тропічні) являють собою великомасштабні вихори діаметром: звичайні від 1000 до 2000 км; тропічні від 200 до 500 км та висотою від 2 до 20 км.

Повітряні маси рухаються в ділянці циклону по спіралі, що закручується до його центру (проти годинникової стрілки в північній півкулі, у південній навпаки) зі швидкістю:

Звичайні трохи більше 50-70 км/год;

Тропічні 400-500 км/год

У центрі циклону тиск повітря нижче ніж на периферії, саме тому, рухаючись по спіралі, повітряні маси прагнуть центру, де вони потім піднімаються вгору, породжуючи сильну хмарність.

Якщо у центрі:

Звичайного циклону тиск повітря порівняно з атмосферним (760 мм р.р.) становить 713-720 мм р.р.;

То центрі тропічного циклону тиск падає до 675 мм р.с.

У центрі тропічного циклону є область низького тиску з високою температурою діаметром 10-40 км, де панує затишшя – очей тайфуну.

Щороку на Земній кулівиникають і повністю розвиваються щонайменше 70 тропічних циклонів.

Коли тропічний циклон (тайфун, ураган) наближається до узбережжя, він несе собі величезні маси води. Штормовий валсупроводжується сильними дощамиі смерчами. Він налітає на прибережні райони, знищуючи все своїм шляхом.

приклад

1970 року тайфун. який прорвав гирло річки Ганг (в Індії) затопив 800 000 км2 узбережжя. Мав швидкість вітру 200-250 м/с. Морська хвилядосягала висоти 10 м. Загинуло близько 400 000 людей.

Сьогодні існують сучасні методипрогнозування тропічних циклонів (тайфунів, ураганів) Кожне підозріле скупчення хмар, де воно не виникло, фотографується метеорологічними супутниками з космосу, літаки метеослужби літають до «очі тайфуну», щоб отримати точні дані. Ця інформація закладається в комп'ютери, щоб розрахувати шлях та тривалість тропічного циклону (тайфуну, урагану) та заздалегідь сповістити населення про небезпеку.

Ураган

Ураганом називається вітер силою 12 балів (до 17 балів) за шкалою Бофорта, тобто. зі швидкістю 32,7 м/с (понад 105 км/год) і досягає до 300 м/с (1194 км/год)

Ураган– сильний маломасштабний атмосферний вихор, у якому повітря обертається зі швидкістю до 100 м/с. Він має форму стовпа (іноді з увігнутою віссю обертання) з лійкоподібними розширеннями зверху та знизу. Повітря обертається проти годинникової стрілки і одночасно піднімається спіраллю, втягуючи пил, воду, різні предмети. Ураган на суші називається бурею, а на морі штормом. Основними характеристиками ураганів є:

Швидкість вітру;

Шляхи руху;

Розміри та побудова;

Середня тривалість дій.

Найважливішою характеристикою ураганів є швидкість вітру. З наведеної нижче таблиці (за шкалою Бофорта) видно залежність швидкості вітру і найменування режимів. Середня швидкість пересування урагану в Україні 50-60 км/год.

Розміри ураганів дуже різні. За його ширину приймають ширину зони катастрофічних руйнувань, яка може вимірюватися сотнями кілометрів. Фронт урагану сягає довжини до 500 км. Урагани виникають у будь-яку пору року, але частіше з липня по жовтень. За 8 місяців вони рідкісні, шляхи їх короткі.

Середня тривалість урагану – 9-12 днів. В Україні урагани тривають недовго від кількох секунд до кількох годин.

Ураган практично завжди добре видно, при його наближенні чути сильне гудіння.

Урагани є однією з найпотужніших сил стихії. За своїм згубним впливом не поступаються таким страшним стихійним лихамяк землетрус. Це тим, що вони несуть у собі колосальну енергію. Її кількість, що виділяється середнім за потужністю ураганом протягом однієї години, дорівнює енергії ядерного вибуху в 36 МГт.

Ураган несе потрійну загрозу людям, які опиняються на його шляху. Найбільш руйнівними є вітер, хвилі та дощ.

Часто зливи, що супроводжуються ураганом, набагато небезпечніші за самий ураганний вітер, особливо для тих людей, які живуть на узбережжі або поблизу нього. Ураган створює на узбережжі хвилі висотою до 30 м, може бути причиною злив, а пізніше зумовити появу епідемії, наприклад ураганний штормовий приплив, що збігся зі звичайним, викликав у 1876 році гігантську повінь на узбережжі Індії, під час якої хвиля піднімалася Потонули близько 100 000 чоловік і майже стільки ж загинуло від наслідків лютої епідемії.

Ураган при розповсюдженні над морем викликають величезні хвилі заввишки 10-12 метрів і більше, ушкоджують чи навіть призводять до загибелі суду.

Найбільшу небезпеку під час урагану становлять предмети, підняті із землі та розкручені до величезної швидкості. На відміну від бур, ураган йде вузькою смугою, тому його можна уникнути. Потрібно лише визначити напрямок його руху і рухатися в протилежний бік.

Ураганний вітер руйнує міцні і зносить легкі будівлі, спустошує засіяні поля, обриває дроти і валить стовпи ліній електропередачі та зв'язку, ушкоджує транспортні магістралі та мости, ламає і вириває з корінням дерева, ушкоджує і топить судна, викликає аварії на комунально- . Траплялися випадки, коли ураганний вітер руйнував греблі та греблі, що призводило до великих повеней, скидав з рейок потяги, зривав з опор мости, валив фабричні труби, викидав на сушу кораблі.

Розділ шостий
ВИХРЕВИЙ РУХ ГАЗІВ І РІДИНЕЙ

6.1. Загадки атмосферних вихорів

З вихровим рухом газів та рідин ми маємо справу повсюдно. Найбільші вихори на Землі – це атмосферні циклони, які разом із антициклонами - зонами підвищеного тиску земної атмосфери, не захопленими вихровим рухом, визначають погоду планети. Діаметр циклонів сягає тисяч кілометрів. Повітря в циклоні робить складне тривимірне спіралеподібне рух. У Північній півкулі циклони, як і вода, що витікає з ванни у трубу, обертаються проти годинникової стрілки (при погляді на них зверху), у Південній - за годинниковою, що зумовлено дією коріолісових сил від обертання Землі.
У центрі циклону тиск повітря набагато нижче, ніж його периферії, що пояснюють дією відцентрових сил при обертанні циклону.
Зароджуючись у середніх широтах у місцях викривлення атмосферних фронтів, среднеширотный циклон поступово формується на все більш стійке і потужне освіту під час свого просування переважно північ, куди він переносить тепле повітря з півдня. Циклон, що зароджується, спочатку захоплює лише нижні, приземні шари повітря, які добре прогріті. Вихор росте знизу нагору. При подальшому розвитку циклону приплив повітря до нього відбувається, як і раніше, у поверхні землі. Піднімаючись в центральній частині циклону вгору, це тепле повітря виходить із циклону на висоті 6-8 км. Водяні пари, що містяться в ньому, на такій висоті, де панує холод, конденсуються, що веде до утворення хмар і випадання опадів.
Така картина розвитку циклону, визнана на сьогоднішній день метеорологами всього світу, вдало змодельована в установках "метеотрон", створених у 70-ті роки в СРСР для дощу та успішно випробуваних у Вірменії. Турбореактивні двигуни, встановлені на землі, створювали закручений потік гарячого повітря, що піднімається догори. Через деякий час над цим місцем зароджувалася хмаринка, що поступово розросталася в хмару, яка проливалася дощем.
Істотно інакше, ніж повільні циклони середніх широт, поводяться тропічні циклони, які в Тихому океаніназивають тайфунами, а Атлантичному - ураганами. Вони мають набагато менші, ніж середньоширотні діаметри (100-300 км), але відрізняються великими градієнтами тиску, дуже сильними вітрами (до 50 і навіть 100 м/с) і зливами.
Зароджуються тропічні циклони лише з океаном, найчастіше між 5 і 25° північної широти. Ближче до екватора, де сили Коріоліса, що відхиляють, малі, вони не народжуються, що доводить роль коріолісових сил у народженні циклонів.
Просуваючись спочатку на захід, а потім на північ або північний схід, тропічні циклони поступово перетворюються на звичайні, але дуже глибокі циклони. Потрапляючи з океану на сушу, вони над нею швидко згасають. Так що в їхньому житті величезну роль відіграє волога океану, яка, конденсуючись у висхідному вихровому потоці повітря, виділяє величезну кількість прихованої теплоти випаровування. Остання нагріває повітря та посилює його сходження, що веде до сильного падіння атмосферного тиску при наближенні тайфуну або урагану.

Мал. 6.1. Гігантський атмосферний вихор-тайфун (вид із космосу)

Ці гігантські бурхливі вихори мають дві загадкові особливості. Перша-вони рідко з'являються в Південній півкулі. Друга - наявність у центрі такого утворення "очі бурі" - зони діаметром 15-30 км, для якої характерні штиль та ясне небо.
Розглянути, що тайфун, а тим більше середньоширотний циклон – це вихор, через їх величезні діаметри можна лише з космічної висоти. Ефектні фотографії закручених ланцюжків хмар зроблені космонавтами. А ось для наземного спостерігача найнаочнішим для огляду виглядом атмосферного вихору є смерч. Діаметр його стовпа обертання, що тягнеться до хмар, у найтоншому місці становить над сушею 300-1000 м, а над морем - всього десятки метрів. У Північної Америки, де смерчі з'являються набагато частіше, ніж у Європі (до 200 на рік), їх називають торнадо. Там вони зароджуються переважно над морем, а біснуються, опинившись над сушею.
У наведена наступна картина народження смерчу: "30 травня 1979 р. о 4 годині дня на півночі Канзасу зустрілися дві хмари, чорні і щільні. Через 15 хвилин після того, як вони зіткнулися і злилися в одну хмару, з її нижньої поверхні виросла воронка. Швидко подовжуючись, вона прийняла форму величезного хобота, досягла землі і протягом трьох годин, наче велетенський змій, куроливала по штату, громячи і знищуючи все, що траплялося на шляху - будинки, ферми, школи..."
Залізобетонний 75-метровий міст цей смерч зірвав із кам'яних биків, зав'язав у вузол та скинув у річку. Фахівці пізніше підрахували, що для здійснення такого потоку повітря повинен був мати надзвукову швидкість.
Те, що робить повітря в смерчах при таких його швидкостях, приводить людей у ​​замішання. Так, тріски, що розганяються в смерчі, легко пронизують дошки та стовбури дерев. В розповідається, що металевий казанок, захоплений смерчем, був вивернутий навиворіт без розривів металу. Такі фокуси пояснюють тим, що деформація металу у разі здійснювалася без жорсткої опори, здатної пошкодити метал, бо предмет витав повітря.

Мал. 6.2. Фотографія смерчу.

Смерчі - аж ніяк не рідкісне явище природи, хоча і з'являються тільки в Північній півкулі, тому спостережних даних про них накопичено чимало. Порожнину вирви ("хобота") смерчу оточують "стінки" з шалено обертається по спіралі проти годинникової стрілки (як і в тайфуні) повітря (див. рис. 6.3.) Тут швидкість повітря досягає 200-300 м/с. Оскільки при зростанні швидкості газу статичний тиск в ньому зменшується, "стінки" смерчу засмоктують прогріте у поверхні землі повітря, а разом з ним і предмети, що попадаються, як пилосос.
Всі ці предмети піднімаються вгору, іноді аж до хмари, в яку впирається смерч.

Підйомна сила смерчів дуже велика. Так, вони переносять на значні відстані не тільки дрібні предмети, але іноді і худобу, і людей. 18 серпня 1959 р. у Мінській бласті смерч підняв коня на значну висоту і забрав. Труп тварини знайшли лише за півтора кілометри. У 1920 р. у штаті Канзас торнадо, зруйнувавши школу, підняв у повітря вчительку з цілим класом школярів разом із партами. За кілька хвилин усі вони були опущені на землю разом із уламками школи. Більшість дітей та вчителька залишилися живими та неушкодженими, але 13 людей загинуло.
Відомо багато випадків, коли смерчі піднімають і переносять на значні відстані людей, після чого залишаються неушкодженими. Найпарадоксальніший з них описаний у : смерч у Митищах під Москвою налетів на сім'ю селянки Селезньової. Поваливши жінку, старшого сина та немовля у канаву, забрав середнього сина Петю. Його знайшли лише наступного дня у московському парку Сокільники. Хлопчик був живий – здоровий, але на смерть переляканий. Найдивніше тут те, що Сокільники розташовані від Митищ не в тій стороні, куди рухався смерч, а в протилежному. Виходить, що хлопчика перенесло не в ході смерчу, а в протилежний бік, де все давно затихло! Чи він рухався назад у часі?
Здавалося б, що предмети у смерчі має переносити найсильніший вітер. Але ось 23 авп/ста 1953 р. під час смерчу в Ростові, розповідається в , сильний порив вітру відчинив вікна та двері в будинку. При цьому будильник, що стояв на комоді, пролетів три двері, кухню, коридор і злетів на горище будинку. Які сили його рухали? Адже будівля залишилася неушкодженою, а вітер, здатний так нести будильник, повинен був геть-чисто знести будівлю, що має набагато більшу парусність, ніж будильник.
І чому смерчі, піднімаючи дрібні предмети, що купали аж до хмар, опускають їх на значній відстані майже так само купно, не розкидаючи, а ніби висипаючи з рукава?
Нерозривний зв'язок з материнською грозовою хмарою є характерною відмінністюсмерч від інших вихрових рухів атмосфери. Чи то тому, що з грозової хмари по "хоботу" смерчу течуть до землі величезні електричні струми, чи тому, що пил і краплі води у вихорі смерчу сильно електризуються від тертя, але смерчі супроводжуються високим рівнемелектричної активності Порожнина "хобота" від стіни до стіни постійно пронизують електричні розряди. Часто вона навіть світиться.
А ось усередині порожнини "хобота" смерчу вихровий рух повітря ослаблений і частіше спрямований не знизу нагору, а зверху вниз* (* Втім, стверджується, що в порожнині "хобота" смерчу повітря рухається знизу вгору, а в його стінках - зверху вниз.). Відомі випадки, коли такий низхідний усередині смерчу потік ставав настільки сильним, що вдавлював предмети у ґрунт (див. рис. 6.3.). Відсутність у внутрішній порожнині смерчу інтенсивного обертання робить його схожим у цьому відношенні до тайфуну. Та й "око бурі" у смерчі є до того, як він дотягнеться з хмари до землі. Ось як поетично описує його Ю. Маслов: "У грозовій хмарі раптом з'являється "око", саме "око", з мертвою, неживою зіницею. Відчуття таке, що він вдивляється в видобуток. Помітив її! він із ревом і швидкістю кур'єрського поїзда прямує до землі, залишаючи за собою довгий, добре видимий шлейф – хвіст”.
Фахівців давно цікавить питання про джерела тієї воістину невичерпної енергії, яку мають смерчі, а тим більше тайфуни. Зрозуміло, що в енергію руху повітря в атмосферному вихорі перетворюється зрештою теплова енергія величезних мас вологого повітря. Але що змушує її концентруватися в таких малих обсягах, як тіло смерчу? І чи не суперечить таке спонтанне концентрування енергії другому початку термодинаміки, який стверджує, що теплова енергія спонтанно здатна тільки розсіюватися?
Гіпотез із цього приводу чимало, а однозначних відповідей досі немає.
Досліджуючи енергетику газових вихорів, В. А. Ацюковський пише, що "тіло газового вихору стискається навколишнім середовищем у процесі формування вихору". Підтвердженням тому є той факт, що "хобот" смерчу є більш тонким, ніж його основа, де тертя об землю не дозволяє розвинути велику швидкість обертання. Стиснення тіла вихору тиском довкіллявикликає збільшення швидкості його обертання внаслідок дії закону збереження моменту кількості руху. А зі збільшенням швидкості руху газу у вихорі статичний тиск у ньому ще більше падає. З цього випливає, робить висновок Ацюковський, що вихор концентрує в собі енергію навколишнього середовища, і цим даний процес кардинально відрізняється від інших, що супроводжуються розсіюванням енергії в навколишнє середовище.
Ось тут теорія руху могла б врятувати другий початок термодинаміки, якби вдалося виявити, що газові вихори випромінюють енергію і в суттєвих кількостях. В силу сказаного в розділі 4.4 теорія руху вимагає, щоб при прискоренні обертання повітря в смерчі або тайфуні вони випромінювали енергії не менше, ніж споживається ними на розкручування повітря. А через смерч, а тим більше тайфун, за його існування проходять, закручуючись, величезні маси повітря.
Здавалося б, що вологому повітрі легше легені викидати "зайву" масу-енергію і не випромінюючи. Справді, після конденсації вологи при підйомі її атмосферним вихором на велику висоту краплі дощу, що випадає, залишають вихор, і його маса через це зменшується. Але теплова енергія вихору від цього не лише не зменшується, а навпаки, зростає через виділення при конденсації води прихованої теплоти випаровування. Це веде до збільшення швидкості руху вихор як за рахунок зростання швидкості сходження повітря, так і за рахунок збільшення швидкості обертання при стисканні тіла вихора. Крім того, видалення з вихору маси крапель води не веде до збільшення енергії зв'язку системи, що обертається, і до зростання дефекту маси в вихорі. Енергія зв'язку системи зростала б (а разом із нею зростала б стабільність системи), якби при прискоренні обертання системи з неї видалялася частина внутрішньої енергії системи – теплоти. А теплоту найлегше видаляти випромінюванням.
Нікому, мабуть, і на думку не спадало спробувати реєструвати тепеве (інфрачервоне та мікрохвильове) випромінювання смерчів та тайфунів. Може, воно існує, та тільки ми цього поки що не знаємо. Втім, багато людей і тварин відчувають наближення урагану, навіть перебуваючи в закритому приміщенні і не дивлячись на небо. І думається, що не тільки через падіння атмосферного тиску, що змушує ворон каркати від болю в кістках, що мають порожнечі. Люди відчувають ще щось, одних лякаюче, інших збуджує. Може, це торсіонне випромінювання, яке від смерчу та тайфуну має бути вельми інтенсивним?
Цікаво було б попросити космонавтів зробити з космічної висоти фотографії тайфунів в інфрачервоному випромінюванні. Здається, такі фотографії могли б розповісти нам багато нового.
Втім, подібні фотографії найбільшого циклону в атмосферах планет Сонячної системи, щоправда, не в інфрачервоних променях давно зроблені з космічної висоти. Це фотографії Великої Червоної плями Юпітера, що є, як виявили дослідження його фотографій, зроблених у 1979 р. з борту американського осмічного апарату "Вояджер-1", величезним, постійно існуючим циклоном у потужній атмосфері Юпітера (рис. 6. 4). "Око бурі" цього циклопічного циклону-тайфуну розмірами 40x13 тисяч км світиться навіть у діапазоні видимого світла зловісним червоним кольором, від чого і походить його назва.

Мал. 6.4. Велика червона пляма (КП) Юпітера та околиці плями ("Вояджер-1", 1979).

6.2. Вихровий ефект Ранке

Досліджуючи циклічні сепаратори для очищення газу від пилу, французький інженер-металург Ж. Ранке наприкінці 20-х років XX століття виявив незвичайне явище: у центрі струменя газ, що виходить із циклону, мав нижчу температуру, ніж вихідний. Вже наприкінці 1931 р. Ранке отримує перший патент на пристрій, названий ним "вихровою трубою" (ВТ), в якому здійснюється поділ потоку стисненого повітря на два потоки - холодний та гарячий. Незабаром патентує цей винахід і в інших країнах.
У 1933 р. Ранке робить доповідь у Французькому фізичному суспільстві про відкрите їм явище поділу стиснутого газу в ВТ. Але науковою громадськістю його повідомлення зустріли з недовірою, оскільки ніхто було пояснити фізику цього процесу. Адже вчені ще зовсім незадовго до того зрозуміли нездійсненність фантастичної ідеї"демона Максвелла", який для поділу теплого газу на гарячий і холодний повинен був випускати через мікроотвір із посудини з газом швидкі молекули газу та не випускати повільні. Усі вирішили, що це суперечить другому початку термодинаміки та закону зростання ентропії.

Мал. 6.5. Вихрова труба Ранке.

Понад 20 років відкриття Ранке ігнорувалося. І лише 1946 р. німецький фізик Р. Хільш опублікував роботу про експериментальних дослідженняхВТ, де дав рекомендації для конструювання таких пристроїв. З того часу їх іноді називають трубами Ранке - Хільша.
Але ще в 1937 р. радянський вчений К. Страхович, розповідається в , не знаючи про досліди Ранка, в курсі лекцій з прикладної газодинаміки теоретично доводив, що в потоках газу, що обертаються, повинні виникати різниці температур. Однак лише після Другої світової війни в СРСР, як і в багатьох інших країнах, почалося широке застосування вихрового ефекту. Слід зазначити, що радянські дослідники у цьому напрямі до початку 70-х зайняли світове лідерство. Огляд деяких радянських робіт з ВТ дано, наприклад, у книзі , з якої ми запозичили як сказане вище в даному розділі, так і багато з викладеного нижче в ньому.
У вихровій трубі Ранке, схема якої наведена на рис. 6.5 циліндрична труба 1приєднана одним кінцем до равлика 2, яка закінчується сопловим введенням прямокутного перерізу, що забезпечує подачу стиснутого робочого газу в трубу по дотичній до кола її внутрішньої поверхні. З іншого торця равлик закрита діафрагмою 3 з отвором в центрі, діаметр якого істотно менше внутрішнього діаметра труби 1. Через цей отвір з труби 1 виходить холодний потік газу, що розділяється при вихровому русі в трубі 1 на холодну (центральну) і гарячу (периферійну) частини. Гаряча частина потоку, прилегла до внутрішньої поверхні труби 1, обертаючись, рухається до далекого кінця труби 1 і виходить з неї через кільцевий зазор між краєм і регулювальним конусом 4.
У пояснюється, що всякий потік газу (або рідини), що рухається, має, як відомо, дві температури: термодинамічну (названу ще статичною) Т, що визначається енергією теплового рухумолекул газу (цю температуру вимірював би термометр, що рухається разом з потоком газу з тією ж швидкістю V, що і потік) і температуру гальмування Т0, яку вимірює нерухомий термометр, поміщений на шляху потоку. Ці температури пов'язані співвідношенням

(6.1)

у якому З - питома теплоємність газу. Другий доданок (6.1) описує зростання температури внаслідок гальмування потоку газу на термометрі. Якщо гальмування здійснюється у точці вимірювання, а й у всьому перерізі потоку, весь газ нагрівається до температури гальмування Т0. При цьому кінетична енергія потоку перетворюється на тепло.
Перетворюючи формулу (6.1), одержують вираз

(6.2)

яке говорить про те, що зі збільшенням швидкості потоку V в адіабатичних умовах термодинамічна температура зменшується.
Зазначимо, що останній вираз застосовується не тільки до потоку газу, але і потоку рідини. У ньому зі збільшенням швидкості потоку V в адіабатичних умовах термодинамічна температура рідини теж повинна зменшуватися. Саме на це зменшення температури потоку води, що прискорюється в водоводі, що звужується, до турбіни, вказував, як ми відзначали в розділі 3.4, Л. Гербранд, пропонуючи перетворювати тепло води річок в кінетичну енергію потоку, що подається до турбіни гідроелектростанцій.
Справді, ще раз переписавши вираз (6.1) як

(6.3)

отримаємо для приросту кінетичної енергії потоку води формулу

(Тут m – маса води, що пройшла через водовід).
Але повернемося до вихрової труби. Розганяючись у її вхідному равлику до великої швидкості, газ на вході в циліндричну трубу має 1 максимальну тангенціальну швидкість VR найменшу термодинамічну температуру. Далі він рухається в трубі 1 по циліндричній спіралі до далекого виходу, частково закритого конусом 4. Якщо цей конус видалити, весь потік газу буде безперешкодно виходити через далекий (гарячий) кінець труби 1. Більш того, ВТ засмоктувати через отвір в діафрагмі 3 та частина зовнішнього повітря. (На цьому принципі заснована робота вихрових ежекторів, що мають менші габарити, ніж прямоточні.)
Але регулюючи зазор між конусом 4 і краєм труби 1, домагаються підвищення тиску в трубі до такої величини, при якій засмоктування зовнішнього повітря припиняється і частина газу з труби 1 починає виходити через отвір діафрагми 3. При цьому в трубі 1 з'являється центральний (приосьовий) вихровий потік, що рухається назустріч основному (периферійному), але обертається, як стверджується в ту ж сторону.
У всьому комплексі процесів, що відбуваються у ВТ, виділяють два основні, що визначають, на думку більшості дослідників, перерозподіл енергії між периферійним та центральним вихровими потоками газу в ній.
Перший з основних процесів - це перебудова поля тангенціальних швидкостей потоків, що обертаються в міру просування їх вздовж труби. Періферійний потік, що швидко обертається, поступово передає своє обертання центральному потоку, що рухається назустріч. В результаті, коли частинки газу центрального потоку підходять до діафрагми 3, обертання обох потоків направлено в ту саму сторону, і відбувається так, ніби навколо своєї осі обертається твердий циліндр, а не газ. Такий вихор називають "квазітвердим". Ця назва визначається тим, що частинки твердого циліндра, що обертається, у своєму русі навколо осі циліндра мають таку ж залежність тангенціальної швидкості від відстані до осі: Vr. =. ?r.
Другий основний процес у ВТ - це вирівнювання термодинамічних температур периферійного та центрального потоків у кожному перерізі ВТ, що викликається турбулентним енергообміном між потоками. Без цього вирівнювання внутрішній потік, що має менші тангенційні швидкості, ніж периферійний, мав би більшу термодинамічну температуру, ніж периферійний. Оскільки тангенціальні швидкості у периферійного потоку більше, ніж у центрального, то після вирівнювання термодинамічних температур температура гальмування периферійного потоку, що переміщається до виходу труби 1, напівприкритому конусом 4, виявляється більшою, ніж у центрального потоку, що переміщується до отвору в діафраг.
Одночасна дія двох описаних основних процесів і призводить, на думку більшості дослідників, до перекачування енергії від центрального потоку газу в ВТ до периферійного та поділу газу на холодний і гарячий потоки.
Таке уявлення про роботу ВТ досі залишається визнаним більшістю фахівців. Та й конструкція ВТ з часів Ранке майже не змінилася, хоча сфери застосування ВТ з тих пір все більш розширюються. Було виявлено, що ВТ, у яких замість циліндричної використовується конічна (з малим кутом конусності) труба, демонструють дещо кращу ефективність роботи. Але вони складніші у виготовленні. Найчастіше ВТ, що працюють на газах, застосовують для отримання холоду, але іноді, наприклад при роботі в термостатах вихрових, використовують як холодний, так і гарячий її потоки .
Хоча вихрова труба має ККД набагато менший, ніж промислові холодильники інших типів, що обумовлено великими витратами енергії на стиск газу перед подачею його в ВТ, гранична простота конструкції та невибагливість ВТ роблять її незамінною для багатьох застосувань.
ВТ можуть працювати з будь-якими газоподібними робочими тілами (наприклад, з водяною парою) і при різних перепадах тисків (від часток атмосфери до сотень атмосфер). Дуже широкий і діапазон витрат газу в ВТ (від часток м3/год до сотень тисяч м3/год), а отже і діапазон їх потужностей. При цьому зі збільшенням
Діаметра ВТ (тобто зі збільшенням її потужності) підвищується ефективність ВТ.
Коли ВТ використовують для отримання холодного та гарячого потоків газу одночасно, трубу роблять неохолоджуваною. Такі ВТ називають адіабатними. А ось при використанні тільки холодного потоку вигідніше застосовувати ВТ, в яких корпус труби або його дальній (гарячий) кінець охолоджується водяною сорочкою або іншим способом примусово. Охолодження дозволяє збільшити холодопродуктивність ВТ.

6.3. Парадокси вихрової труби

Вихрова труба, що стала тим "демоном Максвелла", який (здійснює відділення швидких молекул газу від повільних, недаремно довго не отримувала визнання після винаходу її Ж. Ранке. Взагалі всякі процеси та пристрої, якщо вони не отримують теоретичного обґрунтування та наукового пояснення, у наш освічене століття майже напевно виявляються приреченими на неприйняття. Це якщо хочете, зворотний бік освіти: все, що не знаходить миттєвого пояснення, не має права на існування! А в трубі Ранке навіть після появи вищевикладеного пояснення її роботи багато залишалося і залишається незрозумілим. На жаль, автори книг і підручників рідко наголошують на неясності тих чи інших питань, а навпаки, частіше прагнуть обійти і завуалювати їх, щоб створити видимість всесильства науки, не виняток у цьому відношенні і книга.
Так, на стор. 25 при поясненні процесу перерозподілу! енергії у ВТ шляхом перебудови поля швидкостей обертових потоків газу та виникнення "квазітвердого" вихору можна помітити деяку плутанину. Наприклад), читаємо: "Під час руху центрального потоку до... він відчуває все більш інтенсивну закрутку з боку зовнішнього потоку. У цьому процесі, коли зовнішні шари закручують внутрішні, в результаті... тангенціальні швидкості внутрішнього потоки зменшуються, а зовнішнього - ростуть ". Нелогічність цієї фрази спонукає на думку, чи не намагаються автори книги тут приховати щось таке, що не знаходить пояснення, створити видимість логіки там, де її немає?
Спроби створення теорії ВТ шляхом побудови та розв'язання системи газодинамічних рівнянь, що описують процеси у ВТ, призводили багатьох авторів до непереборних математичних труднощів. А тим часом дослідження вихрового ефекту експериментаторами виявляли в ньому нові особливості, обґрунтування яких виявлялося неможливим за жодною з прийнятих гіпотез.
У 70-ті роки розвиток кріогенної техніки стимулювало пошуки нових можливостей вихрового ефекту, оскільки інші існуючі методи охолодження - дроселювання, ежектування і детандування газів - не забезпечували вирішення практичних завдань, що вставали по охолодженню у великих обсягах і зрідження газів з низькою температурою конденсації. Тому ще інтенсивніше продовжувалося дослідження роботи вихрових охолоджувачів.
Найцікавіших результатів у цьому напрямі досяг ленінградців В. Є. Фінько. У його вихровому охолоджувачі з ВТ, що має кут конусності до 14°, досягнуто охолодження повітря до 30°К. Відзначено значне зростання ефекту охолодження зі збільшенням тиску газу на вході до 4 МПа і вище, що [суперечило загальноприйнятій точці зору про те, що при тиску більше 1 МПа ефективність ВТ практично не збільшується зі зростанням тиску.
Ця та інші особливості, виявлені при випробуваннях вихрового охолоджувача з дозвуковими швидкостями вхідного потоку, що не узгоджуються з уявленнями про вихровий ефект і прийнятою в літературі методикою розрахунку охолодження газів з його допомогою, спонукали В. Є. Фінька здійснити в аналіз цих розбіжностей.
Їм було помічено, що температури гальмування не тільки холодного (Гох), але і "гарячого" (Гог) вихідних потоків газу виявилися істотно нижчими за температуру Т газу, що подається в його ВТ. Це означало, що енергетичний баланс у його ВТ відповідає відомому рівнянню балансу Хильша для адіабатних ВТ.

(6.5)

де I - питома ентальпія робочого газу,

У літературі Фінько не виявив робіт, присвячених перевірці співвідношення (6.5). В опублікованих роботах зазвичай частка холодного потоку JLI визначалася розрахунково за допомогою формули

(6.6)

за результатами вимірів температур Товх Гог Гох. Останню формулу одержують із (6.5) при використанні умов:
В.Е.Фінько створює стенд, описаний у , на якому поряд з вимірюванням температур гальмування потоків здійснювалися вимірювання витрат газу Овх, Ох, Ог. В результаті було твердо встановлено, що вираз (6.5) неприйнятний для розрахунку енергетичного балансу ВТ, оскільки відмінність питомих ентальпій вхідного і вихідних потоків в експериментах становило 9-24% і зростало зі збільшенням вхідного тиску або зниженням температури вхідного газу. Фінько зазначає, що деяка невідповідність співвідношення (6.5) результатам випробувань спостерігалося і раніше в роботах інших дослідників, наприклад, де величина несхожості становила 10-12%, але пояснювалася авторами цих робіт неточністю виміру витрат.
Далі В. Є. Фінько зазначає, що жоден з механізмів теплообміну, що раніше пропонувалися, в ВТ, у тому числі й механізм протиточного турбулентного теплообміну, не пояснює ті високі швидкості тепловідведення з газу, які призводять до зареєстрованих їм значних перепадів температур (~70°К і більше) у його вихровому охолоджувачі. Він пропонує своє пояснення охолодження газу в ВТ "роботою вихрового розширення газу", що здійснюється всередині труби над порціями газу, що раніше надійшли туди, а також над зовнішньою атмосферою, куди виходить газ.
Тут слід зазначити, що у випадку енергетичний баланс ВТ має вигляд :

(6.7)

де Wохл - кількість тепла, що відводиться в одиницю часу від корпусу ВТ за рахунок його природного чи штучного охолодження. При розрахунках адіабатних труб останнім доданком в (6.7) нехтують через його невелику кількість, оскільки ВТ мають зазвичай невеликі розмірита теплообмін їх з навколишнім повітрям за допомогою конвекції незначний порівняно з теплообміном між потоками газу всередині ВТ. А при роботі штучно охолоджуваних ВТ останній доданок (6.7) забезпечує збільшення частки холодного потоку газу, що виходить з ВТ. У вихровому охолоджувачі Фінька штучне охолодження не було, а природний конвекційний теплообмін із навколишнім атмосферним повітрям був незначним.
Наступний експеримент Фінько, описаний у , здавалося б, не мав прямого відношення до питань теплообміну у ВТ. Але саме він змушує найбільш сильно засумніватися не тільки в правильності уявлень, що існували до того, про механізм теплообміну між потоками газу в ВТ, а й взагалі в правильності всієї загальновизнаної картини роботи ВТ. Фінько вводить по осі своєї ВТ тонкий стрижень, інший кінець якого закріплений у підшипнику. При роботі ВТ стрижень починає обертатися зі швидкістю до 3000 об/хв, що приводиться в рух центральним потоком газу, що обертається, в ВТ. Але тільки напрямок обертання стрижня виявився протилежним напряму обертання основного (периферійного) вихрового потоку газу в ВТ!
З цього експерименту можна зробити висновок, що обертання центрального потоку газу спрямоване протилежно до обертання периферійного (основного) потоку. Але це суперечить уявленню, що склалося, про "квазітверде" обертання газу в ВТ.
Крім того, В. Є. Фінько зареєстрував на виході холодного потоку газу зі своєї ВТ інфрачервоне випромінювання смугового спектру в діапазоні довжин хвиль 5-12 мкм, інтенсивність якого підвищувалася з підвищенням тиску газу на вході в ВТ. Іноді візуально спостерігалося ще й "випромінювання блакитного кольору", що виходить з ядра потоку. Однак дослідник не надав випромінювання особливого значення, відзначивши наявність випромінювання як цікавий супутній ефект і навіть не привів до величин його інтенсивностей. Це свідчить, що Фінько не пов'язував наявність цього випромінювання з механізмом теплообміну в ВТ.
Ось тут ми повинні знову згадати про механізм, що пропонувався в розділах 4.4 і 4.5 скидання "зайвої" маси-енергії з приводної в обертання системи тіл для виникнення необхідної негативної енергії зв'язку системи. Ми писали, що найлегше енергію скидати електрично зарядженим тілам. Вони при обертанні можуть випромінювати енергію у вигляді електромагнітних хвиль або фотонів. У потоці будь-якого газу завжди є деяка кількість іонів, рух яких по колу або дузі у вихровому потоці повинен призводити до випромінювання електромагнітних хвиль.
Правда, при технічних частотах обертання вихору інтенсивність випромінювання радіохвиль іоном, що рухається, розрахована за відомою формулою для циклотронного випромінювання на основній частоті, виявляється надзвичайно малою. Але циклотронне випромінювання - не єдиний і далеко не найголовніший з можливих механізмів випромінювання фотонів з газу, що обертається. Існує ряд інших можливих механізмів, наприклад, за допомогою збудження молекул газу іонно - звуковими коливаннями з подальшим висвічуванням збуджених молекул. Ми тут говоримо про циклотронне випромінювання лише тому, що його механізм найбільш зрозумілий інженеру - читачеві цієї книги. Повторимо ще раз, що коли природі потрібно випромінювати з системи тіл, що рухаються, енергію, у неї знайдеться тисяча способів це зробити. Тим більше з такої системи, як газовий вихор, у якому так багато зрозумілих навіть за сьогоднішнього розвитку науки можливостей для випромінювання.
В. Є. Фінько зареєстрував смуговий спектр електромагнітного випромінювання з
довжинами хвиль = 10 мкм. Смужний спектр характерний для теплового випромінювання молекул газу. Тверді ж тіла дають безперервний спектр випромінювання. З цього можна зробити висновок, що в дослідах Фінько зареєстровано саме випромінювання робочого газу, а не металевого корпусу ВТ.
На теплове випромінювання газу, що обертається, може витрачатися не маса спокою випромінюючих молекул або іонів, а теплова енергія газу як найбільш мобільна частина його внутрішньої енергії. Теплові зіткнення між молекулами газу як збуджують молекули, а й підживлюють іони кінетичної енергією, яку ті випромінюють вже як електромагнітної. І схоже, що обертання газу якось (можливо за допомогою торсійного поля) стимулює цей процес випромінювання. Внаслідок випромінювання фотонів газ охолоджується до нижчих температур, ніж це випливає з відомих теорій теплообміну між центральним і периферійним вихровими потоками ВТ.
У роботі Фінька не вказана, на жаль, інтенсивність випромінювання, що спостерігалося, а тому поки нічого не можна сказати про величину потужності, яку він забирає. Але їм відзначалося нагрівання внутрішньої поверхні стінок ВТ не менше ніж на 5°К, що могло бути обумовлено нагріванням саме цим випромінюванням.
У зв'язку з цим напрошується наступна гіпотеза про процес відведення від центрального потоку до периферійного вихрового потоку газу в ВТ. Газ як центрального, і периферійного потоків за її обертанні випромінює фотони. Здавалося б, що периферійний повинен випромінювати інтенсивніше, оскільки він має більшу тангенційну швидкість. Але центральний потік знаходиться в інтенсивному торсіонному осьовому полі, яке стимулює випромінювання фотонів збудженими молекулами і іонами. (Це в дослідах Фінько доводить наявність блакитного свічення саме з "ядра" потоку.) При цьому газ потоку охолоджується за рахунок відходу з нього випромінювання, що забирає енергію, а випромінювання поглинається стінками труби, які нагріваються цим випромінюванням. Але периферійний потік газу, що контактує зі стінками труби, знімає це тепло та нагрівається. В результаті центральний вихровий потік виявляється холодним, а периферійний – нагрітим.
Таким чином, корпус ВТ грає роль проміжного тіла, що забезпечує передачу тепла від вихрового центрального потоку до периферійного.
Зрозуміло, що коли корпус ВТ роблять охолоджуваним, передача тепла від нього периферійному потоку газу зменшується через зменшення перепаду температур між корпусом труби і газом в ній, і холодопродуктивність ВТ підвищується.
Ця гіпотеза пояснює і виявлене Фінько порушення теплового балансу, про який ми говорили вище. Дійсно, якщо частина випромінювання залишає межі ВТ через її випускні отвори (а ця частина може становити ~10%, судячи з геометрії пристрою, що використовувався Фінько), то енергія, що відноситься цією частиною випромінювання, вже не реєструється приладами, що вимірюють температуру гальмування газу у виходів труб. Частка випромінювання, що йде з труби, особливо зростає, якщо випромінювання народжується переважно біля отвору діафрагми 3 труби (див. рис. 6.5), де швидкості обертання газу максимальні.
Про нагрів периферійного потоку газу в ВТ треба сказати ще кілька слів. Коли В.Є. Фінько встановив у "гарячому" кінці своєї ВТ "спрямовувач" потоку газу (решітчасте "гальмо"), "гаряча" частина вихідного потоку газу після "спрямовувача" вже мала температуру, на 30-60°К більшу, ніж Товх. При цьому частка холодного потоку збільшувалася через зменшення площі прохідного перерізу для відведення гарячої частини потоку, а температура холодної частини потоку вже не була настільки низька, як при роботі без випрямляча.
Після встановлення "спрямовувача" Фінько відзначає дуже інтенсивний шум при роботі його ВТ. І він пояснює нагрівання газу при розміщенні в трубі "спрямовувача" (який, як показали його оцінки, не міг нагріватися так сильно тільки за рахунок тертя потоку газу про "спрямовувач") виникненням звукових коливань у газі, резонатором яких виступає труба. Цей процес Фінько назвав "механізмом хвильового розширення та стиснення газу", що веде до його нагрівання.
Зрозуміло, що гальмування обертання потоку газу мало призводити до перетворення частини кінетичної енергії потоку в тепло. Але механізм цього перетворення був виявлений лише в роботі Фінько.
Викладене показує, що вихрова труба таїть у собі ще багато загадок і що уявлення про її роботу, що існували протягом десятиліть, вимагають корінного перегляду.

6.4. Гіпотеза протитечії у вихорах

Вихровий рух містить у собі стільки невивченого, що роботи вистачить ще не одному поколінню теоретиків та експериментаторів. І водночас вихровий рух є, мабуть, найпоширенішим у природі видом руху. Дійсно, всі ті тіла (планети, зірки, електрони в атомі та ін.), Про які ми в розділі 4.1 писали, що вони здійснюють круговий рух, зазвичай ще й рухаються поступально. А при складанні їх обертального та поступального рухів виходить рух по спіралі.
Існують два основні види спіралей: циліндричні гвинтові, про які ми говорили в розділі 4.3, та спіраль Архімеда, радіус витків якої зростає з числом витків. Такий вигляд мають спіральні галактики – найбільші вихори у природі.
А суперпозиція обертального руху по спіралі Архімеда та поступального руху вздовж її осі дає ще й третій вид спіралі – конічну. По такій спіралі рухається вода, що витікає з ванни в трубу в її днище, і повітря в смерчі. Такою ж конічною спіралі рухається газ у технічних циклонах. Там із кожним оборотом радіус траєкторії частинок зменшується.

Мал. 6.6. Профіль швидкостей вільних затоплених струменів різного ступеня крутки:
а - прямоточний струмінь; б - слабо закручений струмінь; в - помірно закручений струмінь; г - сильно закручений зімкнутий струмінь; д - сильно закручений розімкнутий струмінь; а – стінка; b - отвір у стінці; с- межі струменя; d – профіль швидкості на різних відстанях від стінки; е - вісь струменя; [У-аксіальна швидкість.

А ось у вихровому охолоджувачі Фінько, що має конічну вихрову трубу, периферійний потік газу рухається по конічній спіралі, що розширюється, а зустрічний осьовий потік - по звужується. Таку конфігурацію потоків у ВТ та технічному циклоні визначає геометрія стінок апаратів.
При розгляді у розділі 6.2 вихрової труби ми писали, що зворотний осьовий потік у ній виникає, коли вихід газу через дальній (гарячий) кінець труби частково перекритий, і в ній створюється надлишковий тиск, що змушує газ шукати другий вихід із труби. Таке пояснення виникнення зустрічного осьового потоку в ВТ на сьогоднішній день є загальноприйнятим.
А ось фахівці із закручених струменів, що широко використовуються, наприклад, для створення факелів у пальниках теплоенергетичних установок, відзначають, що протитік по осі закрученого струменя виникає і за відсутності стінок апарату. Дослідження профілів швидкостей вільних затоплених струменів (див. рис. 6.6) показує, що зворотний осьовий перебіг зростає зі збільшенням ступеня крутки струменя .
Фізична причина виникнення протитечії так і не з'ясована. Більшість фахівців вважають, що він з'являється тому, що зі збільшенням ступеня крутки струменя відцентрові сили відкидають частинки її газу до периферії, в результаті його у осі струменя створюється зона розрідження, куди спрямовується атмосферне повітря,
що знаходиться попереду по осі струменя.
Але ось у роботах показано, що зворотний потік пов'язаний не стільки з градієнтом статичного тиску в струмені, скільки із співвідношенням тангенціальної та аксіальної (осьової) складових її швидкості. Наприклад, струмені, сформовані завихрювачем з тангенціальним лопатковим апаратом, при вугіллі нахилу лопаток 40-45° мають у приосевій області велике розрідження, але не мають зворотних потоків. Чому їх немає – залишається загадкою для фахівців.
Спробуємо розгадати її, вірніше, по-іншому пояснити причину появи осьових протиструмів у закручених струменях.
Як ми вже неодноразово зазначали, скидання із системи, що приводиться в обертання, "зайвої" маси-енергії найлегше здійснювати випромінюванням фотонів. Але це не єдиний із можливих каналів. Можна запропонувати ще таку гіпотезу, яка деяким механікам спочатку здасться неймовірною.
Шлях до цієї гіпотези був довгий і пробивався не одним поколінням фізиків. Ще Віктор Шаубергер - геніальний австрійський самородок, лісник, який на дозвіллі займався фізикою, який багато часу присвятив у 20-ті роки осмисленню вихрового руху, зауважив, що при мимовільному розкручуванні води, що витікає у трубу з ванни, час спорожнення ванни зменшується. А це означає, що у вихорі зростає не лише тангенційна, а й осьова швидкість потоку. До речі, цей ефект давно відзначили і любителі пива. На своїх змаганнях, прагнучи якнайшвидше відправити вміст пляшки в рот, вони спочатку зазвичай сильно розкручують пиво в пляшці, перш ніж її закинути.
Ми не знаємо, чи любив Шаубергер пиво (який австрієць його не любить!), але цей парадоксальний факт він намагався пояснити тим, що у вихорі на кінетичну енергію осьового руху струменя перетворюється енергія теплового руху молекул у ній. Він вказував, що хоча така думка суперечить другому початку термодинаміки, але іншого пояснення не знайти, а зниження температури води у вирі -експериментальний факт.
Виходячи із законів збереження енергії та імпульсу, зазвичай вважають, що при закручуванні струменя в поздовжній вихор частина кінетичної енергії поступального руху струменя перетворюється на енергію її обертання, і думають, що в результаті аксіальна швидкість струменя повинна зменшуватися. Це, як стверджують, наприклад, в , повинно вести до зменшення далекобійності вільних затоплених струменів за їх закручування.
Більше того, в гідротехніці зазвичай всіляко борються із завихреннями рідини в пристроях для її переливу і прагнуть забезпечити безвихрову ламінарну течію. Обумовлюють це тим, як розповідається, наприклад, в тому, що поява вихрового шнура в потоці рідини спричиняє утворення воронки на поверхні рідини над входом у зливну трубу. Вирва починає енергійно засмоктувати повітря, потрапляння якого в трубу небажане. Крім того, помилково вважають, що поява воронки з повітрям, що зменшує частку перерізу вхідного отвору, зайняту рідиною, зменшує витрати рідини через цей отвір.
Досвід любителів пива показує, що помиляються ті, хто так думає: незважаючи на зменшення частки перерізу отвору, зайнятої потоком рідини, остання при обертанні потоку витікає через отвір швидше ніж без обертання.
Якщо Л. Гербранд, про який ми писали в розділі 3.4, прагнув досягти збільшення потужності гідроелектростанцій тільки шляхом спрямування потоку води до турбіни та поступового звуження водоводу, щоб вода придбала якомога більшу швидкість поступального руху, то Шаубергер забезпечив звужується водовід ще й гвинтовими напрямними, що закручують потік води в поздовжній вихор, а в кінці водоводу він поміщає осьову турбіну принципово нової конструкції. (Патент Австрії №117749 від 10.05.1930 р.)
Особливістю цієї турбіни (див. рис. 6.7) є те, що вона не має лопатей, які у звичайних турбінах перетинають потік води і, розриваючи його, витрачають при цьому багато енергії марно на подолання сил поверхневого натягута зчеплення молекул води. Це веде не лише до втрат енергії, а й до появи кавітаційних явищ, що зумовлюють ерозію металу турбіни.
Турбіна Шаубергера має конічну форму зі спіралеутвореними лезами у вигляді штопора, що загвинчується в закручений потік води. Вона не рве потік і створює кавітацію. Невідомо, чи така турбіна була де-небудь реалізована на практиці, але в її схемі, безумовно, закладено дуже перспективні ідеї.
Однак нас цікавить тут не так турбіна Шаубергера, як його твердження про те, що енергія теплового руху молекул води у вихровому потоці може трансформуватися в кінетичну енергію потоку води. У цьому плані найцікавіші результати дослідів, поставлених 1952 р. У. Шаубергером разом із професором Францем Попелем у Технічному коледжі Штутгарта, про які розповідає Йозеф Гассльбергер з Риму.
Досліджуючи вплив форми каналу водоводу та матеріалу його стінок на гідродинамічний опір закрученому потоку води в ньому, експериментатори виявили, що найкращі результати досягаються при мідних стінках. Але найдивовижніше, що з конфігурації каналу, нагадує ріг антилопи, тертя у каналі зі збільшенням швидкості води зменшується, і після перевищення деякої критичної швидкості вода тече з негативним опором, тобто засмоктується в канал і прискорюється у ньому .

Мал. 6.7. Турбіна Шауберга

Гассльбергер згоден із Шаубергером, що тут вихор трансформує тепло води на кінетичну енергію її потоку. Але зазначає, що "термодинаміка, як навчають у школах та університетах, не дозволяє такого перетворення теплоти за низьких різниць температур". Однак, зазначає Гассльбергер, сучасна термодинаміка не здатна пояснити і багато інших природні явища.
І ось тут теорія руху може допомогти зрозуміти, чому вихровий рух забезпечує, здавалося б, всупереч уявленням термодинаміки, що склалися, перетворення тепла закручується потоку речовини в енергію його аксіального руху відповідно до формули (6.4). Закручування потоку у вихорі змушує частину тепла, що є частиною внутрішньої енергії системи, перетворюватися на кінетичну енергію поступального руху потоку вздовж осі вихору. Чому саме вздовж осі? Та тому, що тоді вектор швидкості поступального руху, що набуває, виявляється перпендикулярним до вектора миттєвої тангенціальної швидкості обертального руху частинок в потоці і не змінює величини останньої. При цьому дотримується закону збереження моменту кількості руху потоку.
Крім того, прискорення частинок у напрямку, перпендикулярному до напрямку їхнього основного (кругового) руху у вихорі, веде до релятивістського зростання їх поперечної, а не поздовжньої маси. Про необхідність роздільного врахування поперечної та поздовжньої мас елементарних частинок* (Це нагадує роздільне обчислення поздовжнього та поперечного ефекту Доплера.)багато писали в початковому етапістановлення СТО (див., наприклад, .) саме поздовжня маса (відповідна у разі тангенціальної швидкості руху частинок у вихорі) визначає величину відцентрових сил за круговому русі. При перетворенні частини внутрішньої енергії системи на кінетичну енергію аксіального (осьового) руху тіл у ній відцентрові сили не зростають. Тому енергія аксіального руху, що виникає, як би пішла з завдання про круговий рух, що математично рівнозначно відходу її з системи, що обертається без будь-якого випромінювання фотонів.
Але закон збереження імпульсу системи вимагає, щоб у разі придбання вихровим потоком аксіального імпульсу якесь інше тіло (наприклад корпус вихрового апарату) одночасно набувало такого ж абсолютної величини імпульс у протилежному напрямку. У замкнутих вихрових апаратах, наприклад, вихрових трубах, а також коли контакт вихрового потоку зі стінками апарату відсутній (як у деяких випадках вільних закручених струменів) зворотний імпульс змушена набувати осьова частина потоку, що має меншу тангенціальну швидкість, ніж периферійна частина. Втім, імпульс віддачі може нестись і аксіальним (осьовим) потоком фотонів або нейтрино, що народжуються при обертальному русі, про що йтиметься в одинадцятому розділі.
Така в загальних рисах справжня, на наш погляд, причина появи протитечії як у вихрових трубах, так і в закручених струменях.

Висновки до глави

1 Для атмосферних вихорів характерний переважно правовинтовий рух повітря в них і наявність "очей бурі" - центральної зони повільних рухів або штилю.
2. Смерчі досі мають ряд загадок: надвисокі швидкості повітря та захоплених предметів у них, незвичайна підйомна сила, що перевищує силу тиску потоку повітря, наявність свічень та ін.
3. В енергію руху в атмосферних вихорах перетворюється теплова енергія мас вологого повітря. У цьому відбувається концентрація енергії, що здавалося б суперечить принципам термодинаміки.
4. Суперечність з термодинамікою знімається, якщо припустити, що атмосферні вихори відповідно до вимог теорії руху генерують теплове (інфрачервоне та мікрохвильове) випромінювання.
5. Відкриття в 30-і роки Ж. ранку ефекту поділу газу в вихровій трубі на гарячий пристінковий і холодний осьовий вихрові потоки започаткувало ряд нових напрямків у техніці, але досі не має достатньо повного і несуперечливого теоретичного пояснення.
6. Роботи В.Є. Фінько у 80-ті роки змушують засумніватися у правильності деяких загальноприйнятих уявлень про процеси у вихровій трубі: енергетичному балансів ній, механізм протиточного турбулентного теплообміну та ін.
7. В.Є. Фінько виявив, що холодний осьовий протитік у вихровій трубі має напрямок обертання, протилежний напрямку обертання основного (периферійного) потоку газу, і що газова вихрова труба генерує інфрачервоне випромінювання смугового спектру, а іноді ще випромінювання блакитного кольору, що виходить з осьової зони.
8. Розміщення в гарячому кінці вихрової труби гальма - випрямляча потоку газу наводить,
як виявив В.Є. Фінько, до виникнення інтенсивних звукових коливань у газі, резонатором яких є труба, та до сильного нагрівання ними потоку газу.
9. Пропонується механізм тепловідведення від осьового протитечії газу в вихровій трубі до периферійного потоку за рахунок стимульованого прискоренням обертання газу випромінювання осьовим потоком фотонів, які нагрівають стінки вихрової труби, а вже від них тепло віддається периферійному потоку газу, що їх омиває.
10. Осьовий протитік виникає у вихрових трубах, а й у вільних закручених струменях, де немає стінок апаратів, причина чого досі остаточно не з'ясована.
11. В. Шаубергер у 30-ті роки вказував, що у вихорі в кінетичну енергію осьового руху струменя води трансформується частина енергії теплового руху молекул у ній, і пропонував використовувати це.
12. Теорія руху пояснює ефект Шаубергера тим, що закручування потоку води змушує частину теплової енергії молекул, що є внутрішньою енергією потоку, не йти з потоку, що закручується у вигляді випромінювань, а трансформуватися в кінетичну енергію руху потоку в напрямку, перпендикулярному тангенціальної швидкості осі вихрового потоку Останнього вимагає закон збереження моменту кількості руху потоку. А закон збереження імпульсу вздовж його осі обертання вимагає, щоб при
цьому або з'явився протитечію, або народилося осьове випромінювання фотонів або нейтрино, що компенсує зміну поздовжнього імпульсу потоку.