Наиболее любимыми объектами природы являются вихри Бенара, которые даже являются элементарными вихрями для вихря Тейлора. Широко встречаются в природе и самостоятельные вихри Бенара, о чём правда не догадывается современная физика. И одним из этих проявлений является вихрь над нагретым солнцем склоном холма. Нагрело солнце склон холма, а природный порядок требует его охлаждения. И со всех сторон на тёплый склон устремляется холодный воздух. Движение воздуха согласно закона Бернулли
тянет влагу из земли. Холодный же, но влажный воздух легче тёплого, но сухого воздуха. Поэтому он поднимается вверх, подчиняясь силе Кориолиса, приобретает вращение, что охлаждает его. Охлаждение воздуха конденсирует влагу, которая остаётся в кучевом облачке, приклеенном к нагретому склону, а осушенный воздух опускается вниз, при движении по склону вновь насыщается влагой и вновь поднимается, создавая в итоге над склоном вихрь Бенара.
Но возникший над склоном холма полноценным вихрем Бенара не является. Кинетическая энергия движения хобота вихря мала. Ведь влаги на склоне очень мало. И воздух, пройдя по склону, мало насыщается влагой. Разница в плотности сухого и влажного воздуха незначительная и не может обеспечить большой скорости подъёма хобота вихря. Точно также осушенный в хоботе воздух охлаждается незначительно и не может обеспечить большой скорости опускания периферии вихря. Следовательно хобот вихря с его периферией функционально не связаны и каждый из потоков двигается самостоятельно со своими параметрами, не зависящими от параметров соседа.
Но существуют и более обширные аналоги подобных вихрей, к которым относятся циклоны и антициклоны средних широт. Как известно на высоте в атмосфере постоянно двигаются большие массы влаги. Вода является диамагнетиком, поэтому высотные запасы влаги двигаются против направления вращения магнитного поля земли. Самостоятельно пролиться на землю они не в состоянии. Сконденсировать влагу в дождинки может только холод. Существует и механизм (описанный в работе [1]), поставляющий холод на высоте далеко на юг в средние широты, высотные струйные течения волн Россби.
Рисунок 1
Волны Россби возникают на 60 широте.
Рисунок 2
А на этой широте в океанах встречаются потоки воздуха противоположного направления, которые поднимаются вверх. А т. к. они двигаются в противоположных направлениях, то сила Кориолиса закручивает их также в противоположных направлениях. И потокам, поднимающимся вверх, только и остаётся сформировать последовательность полноценных вихрей Бенара. А т. к. вверх поднимаются потоки насыщенные влагой, то вихри Бенара волн Россби обязаны двигаться против направления вращения магнитного поля земли.
В принципе число работ по волнам Россби необозримо, о чем можно судить по литературе работы [2]. Если математическая часть работы вообще никакого интереса не представляет (она описывается всё что угодно, но только не вихревое движение), то экспериментальная часть хотя внешне и интересна, но к волнам Россби также не имеет абсолютно никакого отношения. Во вращающемся параболоиде
Рисунок 3
создаётся тонкий слой «мелкой воды». А мы уже знаем, что вращающиеся слои жидкости как в хоботе вихря или в стакане, так и во вращающемся параболоиде имеют постоянную величину угловой скорости на любом радиусе (на любом расстоянии от центра параболоида), т. е. вращаются подобно твёрдому телу. Это свойство вихревого движения и позволяет формировать в параболоиде «мелкую воду».
Постоянство же угловой скорости достигается непостоянством угловой скорости вращения элементарных вихрей, величина которой зависит от расстояния от центра параболоида. Впрыск порции среды на каком-то расстоянии от центра увеличивает энергию локального элементарного вихря, расположенного в месте впрыска. Появляется локальный вихрь Тейлора, который автором почему-то назван солитоном Россби. Солитон на мелкой воде распространяется с очень малыми потерями энергии. Мнимый солитон жил порядка 20 секунд (и был уничтожен трением скольжения), что никак нельзя сравнивать с реальными солитонами, полученными Джоном Скоттом Расселом на Эдинбургском канале (у Рассела он исчез не через секунды, а через несколько миль погони за ним). Столь же информативна и экспериментальная часть с кольцами,
Рисунок 4
вращающимися в противоположных направлениях. Короче ни математическая часть работы, ни её экспериментальная часть природных волн Россби не описывают.
Природные волны Россби возникают на стыке ячейки Ферреля и полярной ячейки, что более наглядно видно на рисунке у южного полюса,
Рисунок 5
и носят название высотных струйных течений. Причём атмосфера двигается в одном направлении, а волны Россби, подчиняясь магнитному полю земли, двигаются в противоположном направлении. Встречный поток воздуха согласно правила прецессии отклоняет волны Россби к югу в северном полушарии и к северу в южном полушарии, в связи с чем высотные струйные течения достигают средних широт. Запасы же влаги в атмосфере существуют на постоянной основе. Но для их конденсации необходима низкая температура, которую волны Россби могут принести только весной и осенью. По этой причине погода в эти сезоны года чрезвычайно переменчива.
Волны Россби являются дискретной последовательностью одиночных вихрей Бенара.
Рисунок 6.
Перемещаются они в направлении движения хобота. В вершине вихря среда из хобота переходит на периферию, а в основании из периферии переходит в хобот. Т.к. вихри Бенара волн Россби являются отдельными вихревыми объектами, то их движение является реальным движением среды. Но мы знаем, что величина центростремительной силы больше величины центробежной силы. А для стабильного существования вихря это требует поступления в вихрь дополнительной энергии, которую поставляет конденсация влаги. Иными словами, в основании вихрь затягивает в хобот какую-то дополнительную часть влажной среды из атмосферы, расставаясь с ней в вершине. Т.е. в основании вихри волн Россби затягивают влажную среду из атмосферы и, осушив её в хоботе, расстаются уже с осушенным воздухом в вершине.
Таким образом с каждым одиночным вихрем Бенара волн Россби связан зародыш циклона в его основании и зародыш антициклона в вершине. Ведь затягивая влажную среду в основании, вихрь создаёт за собой пониженное атмосферное давление на поверхности земли, что характерно для циклона. Осушенный же воздух, выходящий из вершины вихря, тяжелее своего окружения и опускается вниз, повышая атмосферное давление на поверхности земли, что характерно для антициклона. Сконденсированная же хоботом влага так на высоте и остаётся (скорее всего формируя высотные перистые облака, которые рассасываются в последующем). Таким образом, вихри Бенара волн Россби, утилизируя влагу на высоте, не только обеспечивают себя энергией, но и способствуют перемешиванию влаги в атмосфере.
Т.к. влажность на высоте повышена, то конденсация влаги до каких-то пределов обеспечивает вихри волн Россби энергией, позволяя им перемещаться на большие расстояния, за счёт вращения хобота сохраняя в своих пределах низкую температуру. Вихри волн Россби двигаться могут вплоть до возникновения непреодолимого для них препятствия. Таким препятствием может служить только какое-то локальное повышение влажности атмосферы.
Вихрь Бенара волн Россби попал в условия повышенной влажности. Попавшая в хобот влага конденсируется, выделяя энергию. А на примере торнадо мы выяснили, что большая часть этой энергии достанется хоботу, что естественно приведёт к увеличению его кинетической энергии и, как следствие, к росту величины центростремительной силы. Увеличение разности центростремительной и центробежной сил требует большей поступления в него энергии. Вихрь волн Россби увеличит поступление в него массы воздуха из окружающей атмосферы. Вращение воздуха понизит его температуру и приведёт к конденсации влаги. За хвостом вихря волн Россби появится облачность и понизится атмосферное давление. Появится молодой циклон.
Вихрь волн Россби пропускает через себя большую массу воздуха. Следовательно перед вихрем его вершина будет расставаться с существенно большей массой осушенного воздуха, который будет опускаться вниз к поверхности земли, повышая атмосферное давление. Следовательно за вихрем Бенара волны Россби сформируется молодой циклон, а перед вихрем сформируется антициклон. При этом закон сохранения момента количества движения и в том, и в другом случае требует создания внешнего потока с противоположным направлением вращения.
Отметим, что в циклоне вращение поднимающегося вверх воздуха совпадает с направлением вращения хобота вихря волны Россби, а направление опускающегося вниз воздуха противоположное. В антициклоне направление вращения опускающегося вниз потока совпадает с направлением вращения периферии, а направление вращения поднимающегося вверх потока воздуха противоположно и совпадает с направлением вращения хобота вихря волны Россби. Как говорится, мавр сделал дело, мавр должен уходить. Но правило прецессии диктует, что уходящий вихрь волны Россби при взаимодействии с циклоном и антициклоном обязан сменить своё направление и направится к северу в северном полушарии, что и создаёт форму волны Россби. Этот же маневр совершат и все вихри, следующие за данным вихрем Россби.
Но если вихрь над нагретым солнцем склоном холма имеет только внешний вид вихря Бенара, не формируя функциональные зависимости между своими потоками, то циклоны и антициклоны являются уже полноценными вихрями Бенара, создающими как центробежную, так и центростремительную силу. Но в циклонах и в антициклонах силы возникают по сравнению с торнадо с точностью до наоборот. В торнадо центростремительная сила создаётся вращением вокруг цилиндра, разделяющего потоки. В циклонах и в антициклонах вращение вокруг цилиндра, разделяющего потоки, создаёт центробежную силу. В торнадо вращение вокруг центральной оси создаёт центробежную силу, в циклонах и в антициклонах это вращение создаёт центростремительную силу. В торнадо центростремительная сила больше центробежной силы. В циклонах и в антициклонах напротив центробежная сила больше центростремительной силы. В торнадо центростремительная сила сжимает хобот до состояния, в котором величина центробежной силы равна величине центростремительной силы. В антициклонах и в циклонах напротив центробежная сила расширяет хобот до состояния, в котором величина центростремительной силы равна величине центробежной силы.
Ведь и циклон, и антициклон являются устойчивыми образованиями только потому, что как в вихря Бенара в них возникают центростремительные и центробежные силы, равенство которых и делает их стабильными образованиями. Но в связи с циклопическими размерами хобота и аксиальная скорость движения и угловая скорость вращения в хоботе практически незаметны. И вращение, и движение мы можем наблюдать как в циклонах, так и в антициклонах только на их перифериях. Причём циклон это вихрь Бенара, стоящий на основании, а в антициклоне вихрь стоит на вершине.
Литература.
1. Букреев В.С. Механизм формирования торнадо. Академия тринитаризма.
2. М.В, Незлин Солитоны Россби УФН. 1986, т 130, вып 1
