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 движением 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
свидетельствует, что вращающийся поток уменьшает температуру среды. А уменьшение температуры провоцирует конденсацию влаги. Капельки влаги собираются в кучевом облачке, застрявшем 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. Природе без разницы охлаждать тёплое пятно на склоне или нагревать холодное пятно на поверхности воды. И в том, и в другом случае в качестве инструмента для выравнивания температуры выступает воздух, который устремляется на тёплое или на холодное пятно со всех сторон, что и позволяет формировать вихрь Бенара в форме смерча. 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 над пятном 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, который в начальной стадии нисколько не страшнее вихря над нагретым склоном холма.
Всё та же трубка Ранка свидетельствует, что изменение температуры связано с тангенциальным направлением вращения. Ведь увеличение осевой скорости обратного потока (который является хоботом разделённого вихря Бенара в трубке) может идти только за счёт уменьшения энергии его тангенциального вращения. А т.к. температура обратного потока в трубке Ранка уменьшается, то это уменьшение и связано с уменьшением тангенциальной скорости вращения обратного потока. Но в трубке Ранка не изменяется суммарная величина энергии среды. И изменение кинетической энергии может идти только за счёт изменения тепловой энергии. В вихре же Бенара, возникшем над холодным пятном в океане, ситуация совершенно иная: нет дефицита влаги. Испарившаяся с поверхности океана влага конденсруется в хоботе вихря, выделяя тепловую энергию. При этом идёт процесс обратный процессу в трубке Ранка. В трубке Ранка кинетическая энергия растёт за счёт уменьшения тепловой энергии. В хоботе же вихря выделившаяся при конденсации влаги тепловая энергия идёт на увеличение его кинетической энергии. Вихрь Бенара над холодным пятном в океане растёт в высоту, этим самым увеличивая и число элементов в хоботе. Вынужденно при этом растёт и площадь периферийного потока вихря.
В начальный период формирования вихря на холодном пятне его хобот расположен практически в центре пятна, а воздух с тёплого окружения поступает с небольшой площади снаружи холодного пятна. Вихрь растёт в высоту, увеличивается как площадь хобота, так и в несколько большей степени увеличивается и площадь тёплого окружения, с которого воздух поступает в хобот вихря. Количество испаряемой влаги увеличивается, хобот всё больше влаги конденсирует, этим самым увеличивая свою кинетическую энергию. При этом существенную роль играет разница температуры холодного пятна и температуры тёплого окружения. Ведь температура воздуха над поверхностью воды определяется температурой поверхности воды. И чем больше разница между температурой холодного пятна и температурой окружения, тем с большей скоростью двигается воздух на холодное пятно и тем больше влаги испарит двигающийся воздух. Соответственно с большей скоростью будет расти вихрь. А т.к. площадь периферии при этом растёт быстрее площади хобота, то у растущего вихря Бенара при определённых условиях может появиться запас энергии.
В порядочном вихре Бенара величина центростремительной силы должна быть либо равной, либо большей величины центробежной силы. При равенстве этих величин вихрь Бенара приобретает стабильный облик. Т.е. тепловая энергия, выделившаяся при конденсации влаги, компенсирует потери энергии периферийного потока на увеличение энергии хобота. Мы же знаем, что тангенциальная скорость вращения хобота эффективно увеличивается за счёт осевой скорости его движения. Соответственно тангенциальная скорость вращения периферии при формировании центробежной силы уменьшается на эффективную прибавку скорости вращения хобота. А эту эффективную прибавку (т.е. уменьшение за счёт её величины центробежной силы) и должно скомпенсировать выделение энергии при конденсации влаги в хоботе.
Но почему-то природа не позаботилась об автоматизации своих процессов. И не захотела природа оптимизировать приращение тепловой энергии в хоботе. Поэтому в реальных процессах формирования вихрей Бенара на холодных пятнах в океане приращение тепловой энергии в хоботе либо меньше (за счёт динамики равенство проскакивается) оптимальной величины, либо её превышает. Всё хорошее для вихря рано или поздно кончается. В своём росте хобот вихря Бенара не может превзойти размеров холодного пятна. Ведь воздух, двигаясь по периферии к хоботу, охлаждает поверхность воды. И на границе хобота температура поверхности воды не может быть ниже исходной температуры холодного пятна. Поэтому для своего дальнейшего безбедного существования сформировавшийся вихрь Бенара должен сойти с холодного пятна. А вот здесь уже начинают играть размеры хобота и размеры периферии вихря Бенара. Кстати, при сходе с холодного пятна вихрь Бенара уже является полноценным торнадо.
Иными словами, существует оптимальная величина получения вихрем тепловой энергии от конденсации влаги, при которой торнадо приобретает стационарный вид. Но эти условия никогда в природе не соблюдаются. В сухопутном торнадо облако должно выдавать периферии торнадо строго определённую порцию влаги. Но т.к. природа этот процесс не автоматизировала, то выросло торнадо, увеличилась осевая скорость движения его периферии в облаке. И периферия высасывает из облака больше влаги. Запасы влаги в облаке уменьшаются. И облако уже не может утолить аппетиты периферии торнадр. Торнадо вплоть до нуля уменьшает свои размеры. В океанской акватории ситуация иная: запасы влаги не ограничены. Здесь уже играют роль размеры потоков вихря (хобота и периферии), которые торнадо приобретает при сходе с холодного пятна.
Если сухопутное торнадо всегда имеет оптмальные размеры хобота и периферии, то торнадо в океанской акватории при сходе с холодного пятна всегда имеет площадь периферии больше оптимальной величины хобота. Поэтому вихрь Бенара, двигаясь по тёплой океанской поверхности, какое-то время увеличивает площадь хобота при неизменной величине периферии. Если же площадь периферии не изменяется, то в хобот поступает одно и то же количество влаги и выделяется одно и то же количество тепловой энергии. При этом существуют максимально возможные размеры хобота и периферии, при которых торнадо ещё может существовать в своём классическом виде.
Не забываем, что существует такое понятие как влажность воздуха, которая даже в пустыне Сахара составляет 30-50% (см википедию). Поэтому осушенный хоботом торнадо воздух вряд ли приближается к влажности Сахары. И чем более мощным является торнадо, тем больше он высушивает воздух перед опусканием вниз. Но если уже для Сахары существует нижняя граница влажности, то тем более подобная граница обязана существовать и для торнадо. Не может торнадо перейти эту границу, что и обеспечивает существование максимальной мощности торнадо, которой соответствуют максимальные площади хобота и периферии.
При сходе с холодного пятна площади хобота и периферии неоптимальны. И свои размеры хобот торнадо увеличивает вплоть до размеров периферии, постоянно увеличивая величину центробежной силы. И в этот момент центробежная сила сравнивается с центростремительной силой. Для дальнейшего развития торнадо требуется увеличение площади периферии. Если мы вспомним о стакане с чаем, то убедимся, что чаинки собираются на каком-то радиусе, на котором величина центробежной силы совпадает с величиной центростремительной силы. В случае торнадо этому моменту обязан соответствовать какой-то радиус, на котором силы совпадают. При достижении равенства сил торнадо формирует глаз в своём центре, вокруг которого бывший хобот торнадо формирует стену, вокруг которой располагается периферия. И в начальный момент площадь стены обязана совпадать с площадью бывшего хобота, а площадь новой периферии обязана совпадать с бывшей площадью периферии.
А вот здесь мы и должны вспомнить о существовании максимально возможных площадях хобота и периферии торнадо. Если в момент формирования глаза бывшего торнадо полученная площадь периферии меньше максимально возможной её величины,, то испаряемой с этой площади влаги будет недостаточно для существования сформированной стены. Стена не успев окончательно сформироваться распадётся и сформируется буря. Пример же сухопутного торнадо подсказывает, что его энергия велика. Поэтому и распавшееся в океанской акватории торнадо сформируют достаточно мощную бурю (кстати, не существует иных механзмов для формирования бурь). Если же при формировании глаза площадь бывшей периферии больше её максимально возможной величины, то испаряемой с этой площади влаги будет достаточно для поддержания существования стены. В глазе властвует центробежная сила, уничтожающая вращение. Поступление же тепловой энергии при конденсации влаги будет увеличивать энергию стены до определённого момента. Появится очередное равенство центробежной и центростемительной сил (на более высоком уровне с учётом их значений на стенах). При этом стакан с чаем советует, что новому оптимуму в равенстве центробежной и центростемительной сил соответствует новая площадь глаза. И начинает формироваться новая стена для нового увеличенного диаметра глаза. Бывшее классическое торнадо приобретает классическую форму ещё молодого урагана.
Величина же площади периферии торнадо при сходе с холодного пятна определяется температурой окружения пятна. Результаты наблюдений за ураганами подсказывают, что ураганы формируются при температуре поверхности воды большей 26,5 градусах. При этом мы должны учесть, что торнадо формируются на реках в океане. Преобразование же торнадо в ураганы не обязано идти строго на реках в океане. Поэтому траектории торнадо имеют вид.
При этом ураган имеет классическое предстваление вихря Бенара, в котором среда поднимается по хоботу (стенам урагана), а опускается по периферии.
На рисунке красные стрелки показывают, что среда поднимается по хоботу (стене) урагана, а опускается по периферии (промежуткам между стенами). В основаниях концентрческих торнадо среда как показано на рисунке из каждой периферии против часовой стрелки двигается к своей стене (к своему хоботу). В вершине движение облаков в свою очередь свидетельствует, что среда двигается от хобота к периферии, приобретая направление движения по чсовой стрелке. Т.е. как и положено в вихре Бенара направления осевого движения и направления вращения в хоботе и на периферии противоположны друг другу. В вершине и в основании и направления движения, и направления вращения также противоположны. Т.е. ураган ( имеющий также название тайфун, тропический циклон) является множеством торнадо, концентрически вложенным друг в друга.
Рисунок 2
Рисунок 1
Рисунок 3
Рисунок 4
Рисунок 5