Физика тропических циклонов и ураганов
Иллюзорность сил Кориолиса.
В ортодоксальной физике до сих пор отсутствует ясное понимание как механизмов рождения циклонов и торнадо, так и присущих им свойств, например, «глаза» тропического циклона или «подъёмной силы» торнадо.
Традиционный подход к атмосферным вихрям основан на том факте, что в северном полушарии циклон закручивается против часовой стрелки, а в южном – по часовой стрелке. Делается вывод, что важную роль при образовании атмосферных вихрей играет глобальное вращение атмосферы вместе с Землёй. Глобальное вращение, как считается, влияет на динамику локальных процессов через силы Кориолиса. Поэтому сила Кориолиса непременно учитывается в балансе сил, действующих на элементы движущихся воздушных масс. Отсюда, на наш взгляд, и проистекают главные затруднения в теориях атмосферных вихрей.
Сила Кориолиса будучи разновидностью сил инерции, является не более чем математической формальностью, поскольку кориолисово ускорение обусловлено не силовым воздействием, а ускорением, которое имеет система отсчёта. Несиловой характер кориолисова ускорения особенно нагляден при рассмотрении движения ИСЗ. Как известно, плоскость орбиты спутника, имеющая ненулевое наклонение, вращается относительно поверхности Земли. Ясно, что это вращение вызывается отнюдь не действием силы: слишком очевидно — особенно с оглядкой на «неподвижные звёзды» – что вращается не плоскость орбиты спутника, а сама Земля. Казалось бы, всё происходит совершенно аналогично и при полёте баллистической ракеты, и при колебаниях маятника Фуко. Но здесь, как утверждают математики, уже не обойтись без силы Кориолиса.
С математиками нам дискутировать бесполезно; им безразлично, камень ли падает на Землю, или, наоборот, Земля падает на камень, влекомая «силой инерции». Математике это всё равно, физике – нет. Физик обнаруживает, что при столкновении камня с Землёй выделяется энергия, равная половине квадрата скорости столкновения, умноженной на массу камня, а не на массу Земли. Физику становится ясно, что падал именно камень: противоположное мнение абсурдно в свете закона сохранения и превращения энергии. Но математиков это не убеждает, и они пытаются отыскать доказательства реальности сил инерции.
В случае с силой Кориолиса эти доказательства основаны на догмате: «Объекты, горизонтально движущиеся в северном полушарии, отклоняются вправо». Однако, если это отклонение вправо является результатом силового действия, то боковая сила должна действовать не только на летящие объекты, но и на объекты, движущиеся в контакте с поверхностью Земли. Примеры, якобы подтверждающие этот вывод, приводятся почти в каждом современном учебнике по механике: это – для северного полушария – преимущественное размывание правых речных берегов, а также ускоренный износ правых рельсов железных дорог. Но заглянем в энциклопедический словарь: «Под влиянием течения, в водополье довольно сильного, русло Оби ежегодно меняется, причём в пределах южной части Томского округа уклоняется на запад, подмывая нагорный левый берег и занося правый илом и песком». Этот пример с Обью, губительный для математического подхода, прекрасно согласуется с подходом физическим: у рек в обоих полушариях преимущественно размывается западный берег, на который вода набегает сильнее из-за вращения земной поверхности на восток. Аналогично, интенсивнее изнашиваются не правые рельсы, а западные. Таким образом, допущение о реальности сил Кориолиса приводит, в доброй половине случаев, к неверным выводам.
Ещё раз мы убедились в том, что кориолисово ускорение наблюдается тогда, когда объект движется, фактически, свободно, и это ускорение является результатом всего лишь математического сложения свободного движения объекта с вращательным движением системы отсчёта. Судя по различным историческим свидетельствам, так считал и сам Кориолис. Он говорил только о формальном ускорении, а отнюдь не о силе.
Итак, «сила Кориолиса» – иллюзорна. Покажем, насколько упрощается физика атмосферных вихрей, если эту иллюзорную силу не принимать во внимание.
РОЖДЕНИЕ И НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ЦИКЛОНОВ
Нас интересует не рождение завихрений в результате столкновений тёплых и холодных атмосферных фронтов, а рождение настоящего циклона – в крупномасштабной области со слабым понижением давления от периферии к центру (выкладки приведём для северного полушария). В рамках традиционного подхода, баланс сил, включающий силу Кориолиса, выглядит правдоподобно лишь для стадии уже развившегося циклона, рождение же его остаётся загадкой.
На наш взгляд, рождение циклона происходит, в общих чертах, следующим образом. Рассмотрим вначале идеализированную ситуацию, при которой глобальное вращение тропосферы имеет полностью ламинарный характер. При этом, в геоцентрической невращающейся системе отсчёта, поле скоростей воздушных масс совпадает с полем линейных скоростей вращения точек подстилающей поверхности. Так, относительно точки на широте, скажем, 45°, на более низких широтах происходит движение воздуха на восток, а на более высоких – на запад. Пусть теперь эта точка оказалась центром области круглой «барической долины». Рассмотрим, что будет происходить в одном из концентрических колец, на которые можно разбить эту круглую область. В любой точке кольца сила барического градиента направлена к центру. По отношению к этому центру, исходное движение воздуха в южной части кольца направлено на восток, в северной части оно направлено на запад, а в западной и восточной частях кольца оно отсутствует. Можно видеть, что действие центральных сил барических градиентов на воздушные массы кольца, имеющие такое распределение скоростей, приводит к закручиванию этих воздушных масс против часовой стрелки. При этом главным поставщиком энергии рождающегося вихря является турбулентный энергообмен, который увеличивает энергию упорядоченного вихревого движения за счёт уменьшения энергии хаотического теплового движения молекул, т. е. за счёт уменьшения температуры воздуха. Линейную скорость вращения v, которая приобретается таким образом, можно оценить с помощью выражения
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7