БашГПУ им.М.Акмуллы

                                                Смерчи.

                           Их причины и  последствия.

 
 
 
 

                                                                                                                                                    Выполнил:

                                                                                                                                                   Студент ФФК-БЖФК

                                                                                                                                                   Группы 52-51

                                                                                                                                                   Усманов Денис Д.

 
 

                                                                                                                                                    Проверил:

                                                                                                                                                    к.т.н. Гумеров Ф.Р.

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Смерч – одно из жестоких, разрушительных явлений природы. По мнениюВ.В. Кушина, смерч - это не ветер, а скрученный в тонкостенную трубу«хобот» дождя, который вращается вокруг оси со скоростью 300-500 км/ч. За счет центробежных сил внутри трубы создается разряжение, и давление падает до 0,3 атм. Если стенка «хобота» воронки рвется, наткнувшись  на препятствие, то внутрь воронки врывается  наружный воздух. Перепад давлений0,5 атм. разгоняет вторичный воздушный  поток до скоростей 330 м/с (1200 км/ч) и  более, т.е. до сверхзвуковых скоростей. Смерчи образуются при неустойчивом состоянии атмосферы, когда воздух в верхних слоях очень холодный, а в нижних тёплый. Происходит интенсивный  воздухообмен, сопровождаемый образованием вихря огромной силы.

Возникают такие  вихри в мощных грозовых облаках  и часто сопровождаются грозой, дождём, градом. Очевидно, нельзя сказать, что  смерчи возникают в каждом грозовом облаке. Как правело, это происходит на гране фронтов – в переходной зоне между тёплой и холодной воздушными массами. Прогнозировать смерчи пока не удаётся, и поэтому их появление  бывает неожиданным.

Смерч живёт недолго, так как довольно скоро холодная и тёплая воздушные массы перемешиваются, и таким образом поддерживающая его причина исчезает. Однако даже за непродолжительный период своей  жизни смерч может произвести огромные разрушения.

Физическая природа  смерча очень разнообразна. С точки  зрения физика- метеоролога - это скрученный дождь, неизвестная ранее форма  существования осадков. Для физика-механика - это необычная форма вихря, а  именно: двухслойный вихрь с воздушно-водяными стенками и резким различием скоростей  и плотностей обоих слоев. Для  физика-теплотехника смерч - это гигантская гравитационно-тепловая машина огромной мощности; в ней мощные воздушные  потоки создаются и поддерживаются за счет теплоты фазового перехода вода- лед, которая выделяется водой, захваченной смерчем из любого естественного  водоема, когда она попадает в  верхние слои тропосферы.

До сих пор смерч  не спешит раскрывать и другие свои тайны. Так, нет ответов на многие вопросы. Что представляет собой  воронка смерча? Что придает ее стенкам сильное вращение и огромную разрушительную силу? Почему смерч  устойчив?

Исследовать смерч  не просто трудно, но и опасно - при  непосредственном контакте он уничтожает не только измерительную аппаратуру, но и наблюдателя.

Сопоставляя описания смерчей (торнадо) прошлого и нынешнего  столетий вРоссии и других странах, можно видеть, что они развиваются  и живут по одинаковым законам, но эти законы до конца не выяснены и поведение смерча кажется непредсказуемым.

Во время прохождения  смерчей естественно все прячутся, бегут, и людям не до наблюдений, а тем более измерений параметров смерчей. То немногое о внутреннем строении воронки, что удалось узнать, связано  с тем, что смерч, отрываясь от земли, проходил над головами людей, и тогда можно было видеть, что  смерч представляет собой огромный пустотелый цилиндр, ярко освещенный внутри блеском молний. Изнутри раздается  оглушительный рев и жужжание.

Считается, что скорость ветра в стенках смерча доходит  до звуковой.

Немногочисленные  статистические данные, которые известны о смерчах, сведены в таблице.

Ориентировочные параметры  смерчей

-Измеряемая величина |Минимальное |Максимальное |

- |значение |значение |

-Высота видимой  части смерча |10-100 м |1,5-2 км|

-Диаметр у земли  |1-10 м |1,5-2 км|

-Диаметр у облака |1 км |1,5-2 км|

-Линейная скорость  стенок |20-30 м/с-100-300 м/с|

-Толщина стенок |3 м|

-Пиковая мощность  за 100 с |30 ГВт |

-Длительность существования  |1-10 мин-5 час.|

-Путь |10-100 м-500 км|

-Площадь разрушения |10-100 м2-400 км2|

-Максимальная масса  поднятых предметов|300 т|

-Скорость перемещения  |150 км/ч|

-Давление внутри  смерча |< 0,4-0,5 атм|

 

Теория смерча была разработана на основании достоверного утверждения, что воронка смерча всегда приходит на землю сверху, а  «ослабев», вновь поднимается наверх. Значит вес воронки должен быть больше веса вытесненного ею воздуха, т.е. по закону Архимеда она будет «падать». Тяжелее  воздуха в атмосфере может  быть только воздух, насыщенный водой  и/или льдом. Поэтому правдоподобным будет предположение, что воронка  смерча представляет собой вращающийся  поток дождя и града, свернутый  в спираль в виде относительно тонкой стенки. Содержание воды в стенках  воронки должно по массе во много  раз превосходить содержание там  воздуха. Если плотность сухого воздуха  составляет 1,3-1,4 кг/м3, то плотность  воздуха, содержащего воду и лед  внутри стенок смерча, может составлять 50 и более кг/м3.

Если воронка смерча обладает массивными стенками, то их вращение должно приводить к расширению воронки  и понижению давления воздуха  внутри нее из-за действия центробежных сил. Расширение воронки происходит до тех пор, пока перепад давления снаружи и внутри не уравновесит  действия центробежных сил. Если выделить из стенки площадку S, то снаружи на нее будет действовать сила (p(S. Равновесие с центробежными силами наступит при условии: (p(S=mv2/R, где m - масса, приходящаяся на единицу площади  стенки; v - скорость стенки; R - радиус воронки.

Приведенное, почти  очевидное, условие равновесия стенки воронки приводит к ряду прямых следствий, которые естественно объясняют  многие свойства смерчей.

Смерч может всосать  и поднять ввысь большую порцию снега, песка и др.

Как только скорость снежинок или песчинок достигает  критического значения, они будут  выброшены через стенку наружу и  могут образовать вокруг смерча своеобразный футляр или чехол. Характерной особенностью этого футляра-чехла является то, что расстояние от него до стенки смерча по всей высоте примерно одинаково: оно  определяется скоростью, которая у  всех частиц с одинаковой плотностью оказывается одинаковой. Важный частный  случай, когда плотность тела, попавшего  в смерч, близка к плотности стенки воронки. В этом случае равновесная  скорость для тела совпадает со скоростью  стенки.

Если тело попадает на внутреннюю поверхность стенки, то на него действует воздушный вихрь, вращающийся внутри воронки, скорость тела возрастает и станет больше равновесной. Тело сместится к внешней поверхности  стенки.Здесь под действием трения о внешний воздух тело затормозится, скорость станет меньше равновесной, и  тело вновь сместится к внутренней поверхности стенки. Поэтому тела с плотностью стенки оказываются  устойчивыми внутри стенок. Таким  образом внешний и внутренний поверхностные слои оказываются  в совершенно необычных условиях, при которых на них непрерывно действуют силы, стремящиеся убрать их с поверхности и «заглубить»  внутрь стенки, т.е. силы, которые по своим свойствам напоминают силы поверхностного натяжения.Эти силы придают стенкам смерча повышенную устойчивость к возмущениям, делают их однородными по плотности, гладкими, четко ограниченными.

Рассмотрим в первом приближении процессы, возникающие  в грозовых облаках. Обильная влага, попадающая в облако из нижних слоев, выделяет много тепла, и облако становится неустойчивым. В нем возникают  стремительные восходящие потоки теплого  воздуха, которые выносят массы  влаги на высоту 12-15 км, и столь  же стремительные холодные нисходящие потоки, которые обрушиваются вниз под тяжестью образовавшихся масс дождя  и града, сильно охлажденных в  верхних слоях тропосферы. Мощность этих потоков особенно велика из-за того, что одновременно возникают  два потока: восходящий и нисходящий. С одной стороны, они не испытывают сопротивления окружающей среды, т.к. объем воздуха, идущего вверх, равен  объему воздуха, уходящего вниз. С  другой стороны, затраты энергии  потоком на подъем воды вверх полностью  восполняется при падении ее вниз. Поэтому потоки имеют возможность  разгонять себя до огромных скоростей (100 м/с и более).

В последние годы была выявлена еще одна возможность  подъема больших масс воды в верхние  слои тропосферы. Часто при столкновении воздушных масс происходит образование  вихрей, которые за свои относительно небольшие размеры получили название мезоциклонов. Мезоциклон захватывает  слой воздуха на высоте от 1-2 км до 8-10 км, имеет диаметр 8-10 км и вращается  вокруг вертикальной оси со скоростью 40-50 м/с. Существование мезоциклонов установлено достоверно, структура  их исследована достаточно подробно.

Обнаружено, что в  мезоциклонах на оси возникает мощная тяга, которая выбрасывает воздух на высоты до 8-10 км и выше. Наблюдателями  было обнаружено, что именно в мезоциклоне  иногда зарождается смерч.

Наиболее благоприятная  обстановка для зарождения воронки  выполняется при выполнении трех условий. Во-первых, мезоциклон должен быть образован из холодных сухих  масс воздуха. В этом случае по его  высоте возникает особенно большой  температурный градиент, близкий  к адиабатическому значению. Во- вторых, мезоциклон должен выйти в  район, где в приземном слое толщиной 1-2 км скопилось много влаги при  высокой температуре воздуха 25-35оС, т.е. создано состояние неустойчивости приземного слоя, готового к образованию  ячеек с восходящими и нисходящими  потоками. Проходя над этими районами, за короткое время мезоциклон засасывает в себя влагу с больших пространств и забрасывает ее на высоту 10-15 км. Температура внутри мезоциклона по всей высоте скачком повышается за счет принесенного влагой тепла, накопленного не только насыщенным паром, но и водяными каплями. Третье условие - это выбрасывание масс дождя и града. Выполнение этого условия приводит к уменьшению диаметра потока от первоначального значения 5-10 км до 1-2 км и увеличению скорости от 30-40 м/с в верхней части мезоциклона до 100-120 м/с- в нижней части.

Для того, чтобы иметь  представление о последствиях смерчей, кратко дадим описание московского  смерча 1904 г. и ивановского - 1984 г.

Над восточной частью Москвы 29 июня 1904 г. пронесся сильнейший вихрь. Его путь лежал неподалеку от трех московских обсерваторий:

Университетской - в  западной части города, Межевого института - в восточной и Сельскохозяйственной академии - в северо-западной, поэтому  ценный материал зафиксировали самописцы  этих обсерваторий. По карте погоды в 7 ч утра этого дня на востоке  и западе Европы располагались области  повышенного давления (более 765 мм рт.ст.). Между ними, преимущественно на юге  Европейской части России, находился  циклон с центром между Новозыбковым (Брянская обл.) и Киевом (751 мм рт.ст.). В 13 ч он углубился до 747 мм рт.ст. и сместился к Новозыбкову, а  в 21 ч - к Смоленску (давление в центре упало до 746 мм рт.ст.). Таким образом  циклон двигался с ЮЮВ на ССЗ. Около 17 ч, во время прохождения смерча через Москву, город находился  на северо- восточном фланге циклона. В последующие дни циклон ушел в Финский залив, где вызвал бури на Балтике. Если остановиться только на этом синоптическом описании, то причина смерча явственно не проступает.

Картина несколько  проясняется, если произвести анализ распределения  температур и воздушных масс. Теплый фронт шел от центра циклона на Калугу,Заметчино и Пензу, а холодный фронт - от центра циклона на Курск, Харьков,Днепропетровск и далее  к югу. Таким образом циклон имел хорошо выраженный теплый сектор с  массами теплого влажного воздуха  при дневных температурах 28-32оС. Перед теплым фронтом располагался сухой холодный воздух с температурой 15-16оС. В самой фронтальной зоне температура несколько выше.