Торнадо является вихрем Бенара, в котором среда поднимается по хоботу с одним направлением вращения, а опускается по периферии с противоположным направлением вращения. Но вихри Бенара встречаются в природе не только в форме торнадо. Вихрем Бенара является и вихрь над нагретым склоном холма, также имеющий и периферию, и хобот. Вихрями Бенара являются и циклоны с антициклонами средних широт, также имеющие и хобот, и периферию. Правда антициклон является перевёрнутым вихрем Бенара, в котором среда опускается по хоботу, создавая высокое атмосферное давление, а поднимается по периферии.
Даже в простейшем случае вихря над нагретым солнцем склоном холма присутствуют качели между влажностью и температурой. Воздух, двигающийся с холодного окружения по склону, насыщается влагой. И как более лёгкий влажный воздух поднимается вверх, закручиваясь силой Кориолиса. Перераспределение энергии между кинетической энергией воздуха и его энергией вращения понижает температуру, конденсируя в хоботе влагу. При этом температура осушенного воздуха может уменьшаться только до температуры поверхности, окружающей нагретый склон, что диктует и высоту кучевого облачка, в котором собирается сконденсированная влага. И хотя возникает вихрь Бенара, но параметры хобота и периферии вихревым движением функционально не связаны. Они определяются температурой склона, его влажностью и температурой окружения склона. Т.е. параметры вихря определяются параметрами поверхности, на которой он возник, а не собственными параметрами вихря.
Циклоны средних широт возникают за счёт высотных струйных течений волн Россби (на рисунке неправильно показано направление вращения магнитного поля земли).
Рисунок 1.
Кстати, рисунок 1 (хоть и недостоверный) достоверно демонстрирует взаимодействие диамагнетика, которым является влага, с магнитным полем земли. А это свойство воды в свою очередь определяет и направление движения рек в океанах (глобальных течений).
Рисунок 2
Реки в океанах текут против направления вращения магнитного поля земли, что и демонстрирует рисунок 2. Двигаясь параллельно экватору, они двигаются против направления вращения магнитного поля, в дальнейшем же движении они подчиняются уже силе Кориолиса, отклоняясь вправо в северном полушарии. При этом рисунок, приведённый в работе [1],
Рисунок 3
свидетельствует о том, что реки в океане являются последовательностью вихрей Бенара. Да по другому и быть не может. Ведь в водной среде не может существовать ламинарный поток из водной же среды. В то же время только последовательность вихрей Бенара способна не только пройти от Африки до Америки,, но и добраться в последующем до Кольского полуострова.
Но каким же образом возникают высотные струйные течения волн Россби? Для этого вновь вернёмся к рассмотрению пассатов, формирующих воздушные ячейки.
Рисунок 4
На широте 30 градусов воздушные потоки по водной поверхности двигаются в противоположных направлениях и никаких казусов не возникает. На широте же 60 градусов встречаются воздушные потоки, двигающиеся по водной поверхности навстречу друг другу. Поднимаясь вверх, они силой Кориолиса закручиваются в противоположных направлениях, создавая вихри Бенара. А т. к. северный поток имеет меньшую температуру, то он попадает в центр (хобот вихря) Бенара, а южный поток формирует периферию. А как известно, вихрь Бенара двигается в направлении движения хобота. К тому же как диамагнетик пары воды в вихре Бенара заставляют его двигаться в направлении, обратном направлению вращения магнитного поля земли. Этим самым формируются высотные струйные течения волн Россби.
Следовательно волны Россби это последовательность вихрей Бенара, двигающихся по высоте. Вихри же Бенара обладают основанием и вершиной. В основании среда переходит с периферии в хобот, изменяя направление вращения периферии на направление вращения хобота. В вершине же среда переходит из хобота на периферию, изменяя направление вращения хобота на направление вращения периферии.
Язык волны Россби проник далеко на юг. Внизу жара, а в хоботе вихря Бенара северный холод, который в его вершине идёт на периферию. Т.к. внизу жара, то ничто не сдерживает среду хобота от движения вниз. Сила Кориолиса закручивает двигающуюся вниз среду. Достигнув поверхности земли, среда немного прогревается, а т. к. она обладает влагой, полученной при движении с севера, то как влажный воздух он поднимается вверх. В итоге вершина высотного вихря Бенара, из которых и состоит струйное течение, формирует уже привязанный к земной поверхности вихрь, внешне похожий на вихрь Бенара, которому струйное течение передало часть своей влаги. Но функциональная связь между хоботом и периферией отсутствует. Поэтому хобот для вихря играет роль балласта, типа чаинок в стакане с чаем. Чаинки располагаются на том радиусе, на котором центробежная сила, создаваемая их массой, равна центростремительной силе. Подобная же логика действует и в рассматриваемом случае. Поэтому хобот увеличивается в размерах до тех пор пока его масса, создающая центробежную силу, не уравновесит центростремительную силу, создаваемую периферией. В результате на земной поверхности появляется антициклон с повышенным атмосферным давлением.
В волне Россби вихрь Бенара обладает и основанием. В основании же среда с периферии переходит в хобот. Но уже среда с поверхности земли поступает в хобот вихря. Сила Кориолиса закручивает воздух, этим самым понижая его температуру. А т. к. в атмосфере всегда присутствуют запасы влаги, то понижение температуры влагу конденсирует. Таким образом не волны Россби несут влагу на земную поверхность, а они только провоцируют возникновение механизма конденсации местной влаги. И в зависимости от запасов влаги над той или иной местностью формируются облачность той или иной мощности. В аллее торнадо в США влага поступает от пассатов Атлантики. Поэтому запасы влаги в атмосфере настолько велики, что облачность частенько порождает торнадо. В средних же широтах, описанный выше механизм формирования антициклона, создаёт циклон, атмосферное давление в котором понижено.
Но в волнах Россби игра не идёт в одни ворота. Вершины и основания вихрей Бенара постоянно взаимодействуют с земной погодой, набирая осушенную массу и энергию в земных циклонах и теряя влажную массу и энергию в антициклонах. Поэтому волны Россби и имеют форму не окружности, а волны. И в зависимости от сезона года волны Россби то более гладки, то формируют языки, проникающие далеко на юг.
Таким образом, сама встреча холодного и тёплого фронтов не создаёт ни циклонов, ни антициклонов. Хотя современная метеорология и не может этого объяснить (принимая как природную данность), но встреча фронтов действительно формирует и антициклон, и циклон. Но отвечает за это явление не холодный, ни тем более тёплый фронт, а высотное струйное течение волн Россби, которое сформировано из вихрей Бенара. И циклон с антициклоном создают вершина с основанием вихря Бенара, попавшего на вершину языка волн Россби. Т.к. вершина отдаёт часть массы формируемому антициклону, то вихрь частично теряет энергию и вершина языка волны Россби идёт на уменьшение. Стоит ещё раз отметить, что в антициклонах волны Россби отдают атмосфере влагу, в циклонах же в волны поступает осушенный воздух. Восстанавливает же влагу в волнах Россби полярный фронт над океанами, в котором влажный воздух поступает в волны.
Но тем не менее, язык волны Россби свою провокаторскую роль играет а аллее торнадо: влага пассатов, поступившая на США из Атлантического океана, формирует мощную облачность. Конечно же полноценный антициклон при этом сформироваться вместе с циклоном просто не успел. В облаках же при этом не сразу формируется вихрь Бенара. Ведь для формирования вихря требуется градиент температуры в облаке. Мы уже знаем, что при конденсации влаги выделившаяся тепловая энергия вместе с влагой остаётся в облаках. Следовательно температура в облаках несколько выше температуры в волне Россби, но ниже температуры земной поверхности. Земная поверхность нагревает низ тучи, что при определённом градиенте температуры и создаёт вихрь Бенара.
В вихре Бенара величина центростремительной силы больше величины центробежной силы. Поэтому периферия постоянно передаёт энергию хоботу. Переданная же хоботу энергия обратно на периферию не возвращается. Ведь
кинетическая энергия хобота переходит в энергию вращения периферии, а кинетическая энергия периферии переходит в энергию вращения хобота. Но эти соотношения описывают взаимодействие двух направлений вращения по разным осям. Но потоки вихря взаимодействуют и по одному направлению вращения.
Причём определяющим всё же является направление вращения вокруг центральной оси. Ведь в этом направлении вращения оба потока ведут себя подобно твёрдому телу, на любом радиусе вращаясь с одной угловой скоростью. Рассмотрим для этого, скажем, хобот вихря, взяв в нём две произвольные соседние окружности с элементарными вихрями.
Рисунок 5
Т.к. внутренняя окружность вращается относительно внешней, то появляется касательная сила трения скольжения. По правилу прецессии противодействующая сила перпендикулярна действующей и смещена в направлении вращения, т. е. имеет центростремительный характер.
Следовательно со стороны внешней окружности на внутреннюю окружность действует всесторонняя сила, т. е. действует она непосредственно на каждый вихрь внутренней окружности. Элементарные вихри являются вихрями Бенара. Сила на элементарные вихри действует по радиусу, т. е. противодействующая сила имеет касательный характер, увеличивая скорость вращения элементарных вихрей. Элементарные же вихри имеют как кинетическую энергию, так и энергию вращения. И увеличение энергии вращения может идти только за счёт уменьшения кинетической энергии вихрей. Следовательно элементарные вихри внутренней окружности двигаются с меньшей скоростью, что и создаёт равенство угловой скорости вращения на любом радиусе. Повторив эти же рассуждения для периферии, мы убедимся, что и периферия вращается как твёрдое тело.
Этим самым мы нашли способ описания центростремительной силы. Ведь на каждой из окружностей все элементарные вихри под действием центростремительной силы имеют одну и ту же угловую скорость вращения. Кроме различия в величине угловой скорости вращения соседние окружности имеют и разную величину массы элементарных вихрей. Поэтому мы можем записать.
Вращающиеся же как твёрдые тела хобот с периферией должны подчиняться закону сохранения момента количества движения, который можно записать в виде.
Т.к. масса периферии больше массы хобота, то взаимодействие твёрдых тел хобота и периферии увеличивает энергию вращения хобота, соответственно уменьшая энергию вращения периферии.
В вершине вихря кинетическая энергия хобота вихря переходит в энергию вращения его периферии. В основании же вихря энергия вращения периферии переходит в кинетическую энергию хобота. А мы только что выяснили, что за счёт взаимодействия твёрдых тел хобота и периферии уменьшается энергия вращения периферии. Соответственно в основании периферия передаёт хоботу меньшую энергию по сравнению с энергией, полученной в вершине вихря. Поэтому любой вихрь Бенара, в том числе и вихрь грозовой тучи (который может перейти в торнадо) да и само торнадо стабильно существовать могут только поступления в него энергии, компенсирующий его потери.
Свою энергию вихрь грозовой тучи черпать может только из влаги, содержащейся в туче. Периферия вихря согласно закону Бернулли засасывает влагу из тучи, передавая её в хобот. А как мы выяснили, в хоботе вихря кроме вращения подобному вращению твёрдого тела присутствует ещё и вращение самих элементарных вихрей, угловая скорость которых увеличивается к центру. Вращение же понижает температуру, что конденсирует влагу. Энергия, выделившаяся при конденсации влаги, восстанавливает потери кинетической энергии хобота только до прежнего уровня, излишки оставляя в распоряжении энергии вращения хобота.
Вихрь же Бенара является асимметричным объектом. Кинетическую энергию хобота вихрь переводит в энергию вращения периферии. Законом сохранения момента количества движения он связывает угловые скорости периферии и хобота, после чего энергию вращения периферии переводит в кинетическую энергию хобота. А это свидетельствует о том, что энергия вращения хобота не может быть переведена в кинетическую энергию периферии. Ведь кинетическая энергия периферии уже изменена законом сохранения момента количества движения хобота и периферии.
Следовательно полученная при конденсации влаги избыточная энергия должна остаться в пределах хобота, увеличивая его массу либо добавлением следующего внешнего для него кольца, либо увеличением его высоты, либо их совместным увеличением. Увеличение высоты вихря Бенара может быть произведено только через его основание. Но в пределах грозовой тучи основание вихря является подвижным, что не позволяет осуществить изменение высоты. Поэтому излишки энергии, полученной от конденсации влаги, вихрь Бенара пускает на увеличение радиуса хобота, что немного растягивает периферию без изменения числа её колец.
Но не может же хобот расти в лиаметре до бесконечности. Ограничением же является условие превышение центростремительной силы над силой центробежной. Т.е. нам надо определить выражения для обоих сил. Подсказку нам даёт описанный выше способ определения центростремительной силы в пределах хобота. Т.е. мы можем определить угловую скорость вращения относительно периферии в осевом направлении следующим образом.
Аналогичным образом определяется и центробежная сила.
Вихрь Бенара грозовой тучи утилизируя энергию, выделившуюся при конденсации влаги, компенсирует энергию переданную периферии хоботу, излишком увеличивая число колец с элементарными вихрями до тех пор пока величина центробежной силы не сравняется с величиной центростремительной силы. После этого момента энергия, выделившаяся при конденсации влаги, идёт на увеличение числа колец периферии при неизменном числе колец хобота, стремясь к тому же увеличить и высоту вихря. Вихрь Бенара своим основанием высовывается вниз из пределов тучи.
Рисунок 6
Но это не позволяет достигнуть поверхности земли, для того, чтобы окончательно сформировать торнадо. Поэтому восстанавливается высота вихря, что сопровождается увеличением числа колец периферии. И каждая демонстрация роста вихря вниз увеличивает число колец на периферии при неизменном числе колец хобота. В итоге пляска вихря кончается тем, что вихрь достигает поверхности земли, создавая торнадо. И торнадо начинает самостоятельную жизнь до тех пор пока он не высосет всю влагу из материнской тучи и не прекратит своё существование.
Но предложенное описание механизма функционирования торнадо требует экспериментальной проверки. Т.к. США постоянно терроризируют торнадо, то американские учёные безуспешно стремятся получить торнадо в эксперименте. В интернете встречал информацию, что ими была построена башня высотой порядка 12 или 15 м, в основании которой мощными вентиляторами создавалось вихревое движение. Вихри Бенара им явно удалось получить, но только в виде последовательности вихрей. Для исследования же параметров модели торнадо надо иметь одиночный вихрь. Для этого же надо учесть, что вихрь Бенара за тысячелетия своего появления в аллее торнадо так и не удосужился научиться проходить через кольцевые отверстия. Т.е. для получения одиночного вихря Бенара экспериментаторам надо было просто поставить на выходе из башни центральное тело по типу трубки Ранка, что позволило бы получить одиночный вихрь. И свойства мини торнадо в этом случае можно было бы изучать до посинения. Методов же изучения вихревого движения в современной физике разработано достаточно много.
Литература.
1. А.Л. Бондаренко Крупномасштабные течения и долгопериодные волны Мирового океана. (книга скачана из интернета).
