Вихри Бенара в природе (СИ)

Букреев Василий Семёнович

Вихри Бенара в природе

2.1

Простейшим, но не единственным вихрем Бенара в природе является вихрь над нагретым солнцем склоном холма. На фоне окружающей холодной поверхности на склоне появляется тёплое пятно, которое природе страсть как охота остудить. И со всех сторон на холодное пятно устремляется холодный воздух. Конечно же за краткие мгновения нахождения на склоне холодный воздух нагреться не успевает. Но уравнение Бернулли позволяет всестороннему потоку испарить влагу с поверхности склона. А как известно, влажный воздух легче сухого. Поэтому над нагретым склоном появляется поток вверх. Не дремлет и сила Кориолиса, тут же закручивая двигающийся вверх поток.

Трубка же Ранка

[img]http://i9.pixs.ru/storage/6/1/3/trubkaRank_6811905_14635613.jpg[/img]

Рисунок 1

свидетельствует, что вращающийся поток уменьшает температуру среды. А уменьшение температуры провоцирует конденсацию влаги. Капельки влаги собираются в кучевом облачке, застрявшим над склоном холма. Время от времени облачко отрывается от склона. А над склоном начинает формироваться новое кучевое облачко. Осушенный же воздух переходит в наружный поток вихря, опускается вниз для того, чтобы вновь набрать влаги на склоне и подняться вверх. Перестало солнце греть склон и вихрь исчез.

В работе А . Л . Бондаренко «Крупномасштабные течения и долгопериодные волны Мирового океана» приводятся сведения, что смерчи (русское название торнадо) в Чёрном море возникают тогда, когда на поверхности воды появляется холодное пятно. Но холодные пятна в окружении тёплой поверхности возникают и у экватора в районе глобальных океанских течений. И вновь природа стремится выровнять температуру, пуская со всех сторон воздух на холодное пятно. Нагреть пятно ему не удаётся. Но двигающийся воздух испаряет с поверхности воды влагу в существенно большем количестве. Влажность воздуха увеличивается по сравнению с окружением. И вновь влажный воздух легче «сухого» воздуха, что формирует поток воздуха вверх. Сила Кориолиса закручивает поток, охлаждая его точно также как и над склоном холма. Влага конденсируется, формируя облачность над холодным пятном. Осушенный же воздух опускается на холодное пятно, создавая вихрь Бенара.

Для поднятия вверх должна быть получена большая влажность. Поэтому в начальные моменты формирования вихря он занимает небольшую площадь в центре холодного пятна. Но сама площадь холодного пятна увеличивается за счёт окружающей поверхности воды, с которой двигается на него воздух. Правда, температура её меньше температуры холодного пятна. Но с течением времени окружение пятна увеличивает свою площадь и уменьшает температуру поверхности воды примерно следующим образом.

[img]http://i12.pixs.ru/storage/0/3/5/temperatur_2874694_24647035.jpg[/img]

Рисунок 2

Естественно что температура воды понижается не только на поверхности, но и в глубину.

Как только будет достигнута ситуация, изображенная справа, холодное пятно уже не может служить для торнадо якорем, удерживающим его на месте. Природа ведь всё так же желает выровнять температуру. Но холодное пятно уже неразрывно связано с вихрем торнадо существующим над ним. Хобот же торнадо уже занял всю поверхность холодного пятна. А в нём горизонтальное направление потока воздуха сменилось на вертикальное. Поэтому испарение влаги с поверхности воды практически отсутствует. И природе остаётся только понижать температуру наклонного участка кривой на рис 2. Само же торнадо заняло всю площадь правой части рисунка. Хобот торнадо расположен на горизонтальном участке, а его периферия занимает наклонную часть. И как только достигается ситуация правой части рис 2 параметры периферии торнадо начинают соответствовать параметрам хобота. Т.е. если до этого момента вихрь был более мощной копией вихря над нагретым склоном холма, то с этого момента вихрь преобразуется в полноценное торнадо.

Т.к. холодное пятно формируется в пределах глобальных океанских течений, которые в районе экватора двигаются с востока на запад, то в этом направлении двигается и холодное пятно, и формирующийся над ним вихрь. Поэтому и сформировавшееся торнадо двигается в этом же направлении. И по природной традиции сила Кориолиса отклоняет вихрь в северном полушарии вправо, а в южном полушарии влево. Поэтому в северном полушарии торнадо и формирующийся из него ураган двигаются на северо запад.

[img]http://i12.pixs.ru/storage/9/8/7/Marshrutiu_5699679_23947987.jpg[/img]

Рисунок 3

Если в стационарном состоянии над холодным пятном зародыш торнадо увеличивал свои внешние размеры, не изменяя площади холодного пятна, то оторвавшись от холодного пятна, ставшее уже полноценным торнадо, напротив не может менять своих внешних размеров.

Ведь поступающий во внешний поток воздух двигается не по радиусу, а по отрезку спирали, что увеличивает длину его траектории до попадания в хобот торнадо. Соответственно больше испаряется и влаги, которая конденсируясь в хоботе увеличивает его энергию. Соответственно увеличивается и осевая скорость движения среды в основании вихря (мы должны помнить, что скорость осевого движения в периферийном основании соответствует скорости осевого движения в хоботе торнадо). Это ведёт к большему испарению влаги с поверхности воды и к уменьшению её температуры. И на рис 2 увеличивается величина угла и растёт размер плато.

2.2

Холодные пятна, возникающие у экватора в районе глобальных океанских течений, создают над собой вихри Бенара, являющиеся зародышами торнадо. С момента своего зарождения хобот вихря Бенара находится в окрестности центра холодного пятна. Воздух во внутренний поток вихря поступает с площади круга большей площади холодного пятна. И движется он при этом по радиусу. Энергия, выделяющаяся при конденсации влаги в воздухе, поднимающемся вверх и закручивающимся силой Кориолиса, увеличивает как кинетическую, как и тепловую энергию вихря.

Как и любой объект природы вихрь Бенара обязан обладать кинетической и тепловой энергией. С кинетической энергией проблем не возникает: вихрь двигается в осевом направлении, поэтому за кинетическую энергию отвечает осевая скорость движения. Но в вихре Бенара не существует других видов движения кроме осевого и тангенциального вращения. Поэтому естественная логика диктует, что за тепловую энергию вихря отвечает скорость его тангенциального вращения. Подтверждает это положение и трубка Ранка. Ведь скорость вращения внутреннего потока существенно больше скорости вращения внешнего потока. Поэтому и температура внутреннего потока (выходящего в трубке Ранка в обратном направлении) уменьшается сильнее, чем температура внешнего потока (выходящего в прямом направлении).

Воздух, поднимающийся в центре холодного пятна, охлаждается вращением. Выделяющаяся при этом энергия увеличивает и скорость осевого движения, и скорость вращения поднимающегося потока. Осушенный воздух до величины меньшей влажности воздуха над окружением холодного пятна становится тяжелее и имеет возможность опуститься на поверхность пятна, формируя этим вихрь Бенара. Не дремлет и тёплый воздух в окружении холодного пятна, со всех сторон устремляясь в пятно. И попадает он при этом в периферию вихря Бенара, приобретая вращение (т. е. увеличивая свой путь до подъёма вверх). Влажность поднимающегося воздуха увеличивается. Следовательно, при конденсации влаги выделяется больше энергии, идущей на увеличение как осевой, так и тангенциальной скорости. Вихрь Бенара как растёт в высоту, так и увеличивает свой радиус. Ведь увеличение высоты вихря сопровождается увеличением числа элементарных вихрей, что увеличивает число элементарных вихрей внешнего потока, а следовательно и радиус вихря.