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 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.
свидетельствует, что вращающийся поток уменьшает температуру среды. А уменьшение температуры провоцирует конденсацию влаги. Капельки влаги собираются в кучевом облачке, застрявшим 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. 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 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.
Для поднятия вверх должна быть получена большая влажность. Поэтому в начальные моменты формирования вихря он занимает небольшую площадь в центре холодного пятна. Но сама площадь холодного пятна увеличивается за счёт окружающей поверхности воды, с которой двигается на него воздух. Правда, температура её меньше температуры холодного пятна. Но с течением времени окружение пятна увеличивает свою площадь и уменьшает температуру поверхности воды примерно следующим образом.
Естественно что температура воды понижается не только на поверхности, но и в глубину.
Как только будет достигнута ситуация, изображенная справа, холодное пятно уже не может служить для торнадо якорем, удерживающим его на месте. Природа ведь всё так же желает выровнять температуру. Но холодное пятно уже неразрывно связано с вихрем торнадо существующим над ним. Хобот же торнадо уже занял всю поверхность холодного пятна. А в нём горизонтальное направление потока воздуха сменилось на вертикальное. Поэтому испарение влаги с поверхности воды практически отсутствует. И природе остаётся только понижать температуру наклонного участка кривой на рис 2. Само же торнадо заняло всю площадь правой части рисунка. Хобот торнадо расположен на горизонтальном участке, а его периферия занимает наклонную часть. И как только достигается ситуация правой части рис 2 параметры периферии торнадо начинают соответствовать параметрам хобота. Т.е. если до этого момента вихрь был более мощной копией вихря над нагретым склоном холма, то с этого момента вихрь преобразуется в полноценное торнадо.
Т.к. холодное пятно формируется в пределах глобальных океанских течений, которые в районе экватора двигаются с востока на запад, то в этом направлении двигается и холодное пятно, и формирующийся над ним вихрь. Поэтому и сформировавшееся торнадо двигается в этом же направлении. И по природной традиции сила Кориолиса отклоняет вихрь в северном полушарии вправо, а в южном полушарии влево. Поэтому в северном полушарии торнадо и формирующийся из него ураган двигаются на северо запад.
Если в стационарном состоянии над холодным пятном зародыш торнадо увеличивал свои внешние размеры, не изменяя площади холодного пятна, то оторвавшись от холодного пятна, ставшее уже полноценным торнадо, напротив не может менять своих внешних размеров.
Ведь поступающий во внешний поток воздух двигается не по радиусу, а по отрезку спирали, что увеличивает длину его траектории до попадания в хобот торнадо. Соответственно больше испаряется и влаги, которая конденсируясь в хоботе увеличивает его энергию. Соответственно увеличивается и осевая скорость движения среды в основании вихря (мы должны помнить, что скорость осевого движения в периферийном основании соответствует скорости осевого движения в хоботе торнадо). Это ведёт к большему испарению влаги с поверхности воды и к уменьшению её температуры. И на рис 2 увеличивается величина угла и растёт размер плато.
2.2
Холодные пятна, возникающие у экватора в районе глобальных океанских течений, создают над собой вихри Бенара, являющиеся зародышами торнадо. С момента своего зарождения хобот вихря Бенара находится в окрестности центра холодного пятна. Воздух во внутренний поток вихря поступает с площади круга большей площади холодного пятна. И движется он при этом по радиусу. Энергия, выделяющаяся при конденсации влаги в воздухе, поднимающемся вверх и закручивающимся силой Кориолиса, увеличивает как кинетическую, как и тепловую энергию вихря.
Как и любой объект природы вихрь Бенара обязан обладать кинетической и тепловой энергией. С кинетической энергией проблем не возникает: вихрь двигается в осевом направлении, поэтому за кинетическую энергию отвечает осевая скорость движения. Но в вихре Бенара не существует других видов движения кроме осевого и тангенциального вращения. Поэтому естественная логика диктует, что за тепловую энергию вихря отвечает скорость его тангенциального вращения. Подтверждает это положение и трубка Ранка. Ведь скорость вращения внутреннего потока существенно больше скорости вращения внешнего потока. Поэтому и температура внутреннего потока (выходящего в трубке Ранка в обратном направлении) уменьшается сильнее, чем температура внешнего потока (выходящего в прямом направлении).
Воздух, поднимающийся в центре холодного пятна, охлаждается вращением. Выделяющаяся при этом энергия увеличивает и скорость осевого движения, и скорость вращения поднимающегося потока. Осушенный воздух до величины меньшей влажности воздуха над окружением холодного пятна становится тяжелее и имеет возможность опуститься на поверхность пятна, формируя этим вихрь Бенара. Не дремлет и тёплый воздух в окружении холодного пятна, со всех сторон устремляясь в пятно. И попадает он при этом в периферию вихря Бенара, приобретая вращение (т. е. увеличивая свой путь до подъёма вверх). Влажность поднимающегося воздуха увеличивается. Следовательно, при конденсации влаги выделяется больше энергии, идущей на увеличение как осевой, так и тангенциальной скорости. Вихрь Бенара как растёт в высоту, так и увеличивает свой радиус. Ведь увеличение высоты вихря сопровождается увеличением числа элементарных вихрей, что увеличивает число элементарных вихрей внешнего потока, а следовательно и радиус вихря.
А как мы уже знаем, параметры внешнего потока в основании вихря характеризуют параметры внутреннего его потока. Т.е. воздух, поступающий с окружения пятна, описывает в основании вихря больший путь. Да к тому же и вихрь увеличил свой размер. Поэтому снабжение вихря тёплым воздухом с окружения вихря должно идти с большей площади. И воздух, поступающий во внутренний поток, с течением времени проходит всё больший и больший путь, всё больше и больше насыщаясь влагой. С течением времени размеры вихря увеличиваются и его диаметр в основании не только достигнет диаметра холодного пятна, но и превысит его. Соответственно после этого момента периферия вихря в его основании продолжит свой рост за счёт уменьшения площади окружения вихря, поставляющего в него воздух. Т.е. сама площадь этого окружения будет продолжать расти. Но поступление воздуха в вихрь идёт по радиусу, а в основании вихря его движение идёт по спирали, что и ведёт к тому, что площадь основания растёт за счёт своего окружения.
Таким образом, зародыш торнадо над холодным пятном растёт, набираясь сил. А т. к. испарение влаги сопровождается понижением температуры поверхности, то с течением времени изменение температуры поверхности приобретает вид.
К моменту, изображенному на правой кривой, внутренний поток занимает всю площадь холодного пятна. А воздух, поступающий в хобот вихря, поступает только с его периферии. Т.е. вихрь избавился от довеска, из которого воздух поступал по радиусу, и стал самодостаточным объектом, не зависящим от внешнего окружения. Поэтому он и отправляется в самостоятельное плавание по поверхности воды.
имеет относительную свободу. Не изменяя своего внешнего диаметра, он может увеличивать диаметр внутреннего потока до каких-то пределов. Примером может служить трубка Ранка, рабочий диапазон которой равен 5-9 атм. Точно так же и торнадо, сошедшее с холодного пятна, увеличивает диаметр внутреннего потока при неизменном диаметре периферии. При этом в основании периферии (характеризующем параметры хобота) увеличивается и скорость осевого движения и скорость вращения элементарных вихрей. Т.к. внешний диаметр торнадо не изменяется, то скорость вращения элементарных вихрей периферии не изменяется. Таким образом, разность между скоростями вращения элементарных вихрей в основании и в самой периферии стремится к нулю. А это сопровождается уменьшением разности между центростремительной и центробежной силами.
И как только они сравняются, торнадо теряет право на существование. Но хобот торнадо примитивом не является. Ведь его элементарные вихри вращаются в одном направлении. И мы можем применить к хоботу логику вихря Тейлора.
2.3
Торнадо является вихрем Бенара. Но не всякий вихрь Бенара можно назвать подобным торнадо. Вихрь Бенара над нагретым склоном холма ранга торнадо не может быть удостоен. В том числе и зародыш торнадо над холодным пятном в океане является вихрем Бенара, но он родной брат вихря над нагретым склоном холма или пока ещё пародия на торнадо. В торнадо он превращается после достижения того момента, когда его хобот занимает всю площадь холодного пятна. И только в этом случае движением воздуха в своей периферии он способен самостоятельно обеспечивать свои потребности во влаге, которые не только позволяют ему существовать, но и развиваться далее.
После схода с места своего рождения торнадо не мечется беспорядочно по поверхности океана. Холодное пятно возникает в приэкваториальной зоне в районе глобальных океанских течений, которые двигаются с востока на запад. Поэтому торнадо, сохраняя момент количества движения, придерживается этого же направления движения. Но как на двигающийся объект на него действует сила Кориолиса, правого направления в северном полушарии и левого в южном. Это и определяет траектории движения всех ураганов.
Но нашему торнадо до ранга урагана надо ещё дорасти.
А вот здесь уже существенную роль играет температура поверхности океана. Если температура поверхности океана больше 26,50 С,то торнадо ожидает судьба урагана той или иной мощности. Если же температура поверхности океана меньше 26,50 С, то сколько не пыжилось бы торнадо его ожидает только судьба бури. Ведь температура холодного пятна практически постоянна, т. к. в холодное пятно вода подаётся с океанских глубин (да к тому же она непрерывно обновляется вплоть до схода с него торнадо). Поэтому на правой стороне рисунка
в зависимости от температуры окружающей пятно воды наклонная кривая будет иметь разный вид. Поэтому при меньшей температуре сформированное на пятне торнадо будет иметь меньший диаметр основания, а при большей температуре будет иметь больший его диаметр. А размер торнадо имеет существенное значение.
Образно говоря, периферия торнадо играет роль твёрдой стенки, скажем, типа твёрдой стенки трубки Ранка. Ведь в заданных размерах вихрь Бенара способен изменяться, увеличивая диаметр внутреннего потока (и соответственно его высоту) за счёт изменения площади, занимаемой внешним потоком. Соответственно уменьшается и площадь основания внешнего потока, что сопровождается увеличением в нём и скорости осевого движения, и скорости вращения элементарных вихрей. Этим самым уменьшается величина разности центростремительной и центробежной сил, которая в итоге окажется равной нулю. Торнадо по идее должно самоликвидироваться.
Механизм же самоликвидации предоставляет хобот торнадо. Ведь элементарные вихри, переходящие из хобота на периферию, переносят с собой и скорость вращения, превышающую существующую скорость на периферии. Мы же знаем, что скорость тангенциального вращения элементарных вихрей в хоботе повышается за счёт осевого направления движения. А выделившаяся при конденсации влаги энергия увеличила как скорость осевого движения, так и скорость тангенциального вращения элементарных вихрей. И это превышение скорости вращения перешло в наружный поток, что увеличило центробежную силу при неизменности центростремительной силы. Поэтому центробежная сила раздвинула торнадо, начиная с его центра, пытаясь сформировать глаз урагана.
А вот здесь уже возможны и варианты, связанные с температурой в родильном доме торнадо. Но предварительно рассмотрим задачу стакана с чаем. Почему чаинки собираются не в центре и не на периферии стакана, а на какой-то окружности вокруг центра? Ведь вода в стакане является вращающимся объектом, к которому применимо правило прецессии. Применяя же его мы выясним, что скорость вращения элементарных вихрей увеличивается в направлении центра. Но масса чаинок больше массы элементарных вихрей воды. Поэтому начинает работать логика центробежных механизмов. И чаинки располагаются на таком радиусе, на котором величина центробежной силы (определяемая их массой) не сравняется с величиной центростремительной силы, создаваемой вращением воды.
После создания глаза урагана мы имеем два объекта: кольцевой «хобот» и кольцевую же периферию бывшего торнадо. Нас интересует периферия торнадо, к которой применима логика стакана с чаем. При стремлению к кольцевому «хоботу» элементарные вихри увеличивают скорость своего вращения. Элементарные вихри имеют соответствующую массу, которая создаёт центробежную силу превышающую величину центростремительной силы. Но для элементарных вихрей отсутствует свобода действий и они не могут покинуть спираль, по которой они двигаются в направлении «хобота». В правильном торнадо наступление этого момента (равенства центростремительной и центробежной силы для элементарных вихрей) по правилу прецессии формирует противодействующую силу, заставляющую элементарные вихри переходить с основания периферии в его хобот. В кольцевом торнадо наступление этого момента создаёт дополнительный кольцевой хобот.
2.4
Интересным вопросом является описание поведения элементарных вихрей в основании периферийного потока вихря Бенара. Ведь без причины и чирей не выскочит. Иными словами какая сила заставляет элементарные вихри, двигающиеся горизонтально, изменять направление своего движения на вертикальное? И почему при этом резко увеличивается осевая скорость движения?
Как и любой вихрь вихрь Бенара состоит из элементарных вихрей, которые в свою очередь являются вихрями Бенара. Ведь они обязаны двигаться и в направлении оси своего вращения, что может делать только вихрь Бенара (вихрь Тейлора без потерь энергии может двигаться только в направлении вращения, т. е. только в тангенциальном направлении). В вертикальном направлении (как в хоботе вихря Бенара, так и в его периферии) элементарные вихри двигаются по спиралям не изменяющих своих параметров. Образно их траектории можно представить в форме цилиндрических пружин. В основании же периферии вихря элементарные вихри двигаются по траекториям, являющимся скорее всего не спиралями Архимеда, а логарифмическими спиралями. А двигаясь по спиралям элементарные вихри увеличивают как осевую скорость своего движения, так и скорость вращения.
Т.е. ситуация в основании периферийного потока вихря Бенара подобна ситуации в вихре Тейлора. Элементарные вихри, двигаясь по сходящейся логарифмической спирали, как бы переходят с одной внешней окружности вихря Тейлора на другую внутреннюю его окружность, закономерно увеличивая свою скорость движения по окружности. А элементарные вихри имеют массу, которая при движении по окружности формирует центробежную силу. И чем меньше радиус окружности и больше скорость движения, тем больше величина центробежной силы. Переход с внешней на внутреннюю окружность формирует в вихре Тейлора центростремительную силу. Точно так же движение элементарного вихря по сходящейся логарифмической спирали формирует центробежную силу. Т.е. элементарный вихрь, двигающийся по сходящейся логарифмической спирали, создаёт как центростремительную, так и центробежную силу, которая растёт быстрее роста центростремительной силы. А как только значения этих сил сравняются, так тут же при росте разности появляется противодействующая сила, по правилу прецессии действующая в перпендикулярном направлении. И элементарные вихри горизонтальное направление движения изменяют на вертикальное, переходя во внутренний поток торнадо, изменяя параметры своего периферийного движения на параметры движения внутреннего потока.
Конечная точка траектории движения элементарного вихря и может служить маркером для параметров и осевого, и тангенциального движения элементарных вихрей хобота торнадо. Ведь до этого момента элементарные вихри ещё относятся к множеству вихрей внешнего потока и могут описываться методами, действующими в нём. Но в этот момент они уже приобретают также и свойства внутреннего потока.
Но нас интересует поведение периферии вихря после преобразования цилиндрического вихря Бенара в кольцевой вихрь Бенара. А здесь уже возникают два варианта. Элементарные вихри ВЛАЖНОГО воздуха (набравшего влаги при движении по поверхности воды), в силу влажности более лёгкие, могут при движении по спиралям основания периферии как достигнуть равенства центробежной и центростремительной сил, так и не достигнуть этого равенства. В первом случае превышение центробежной силы над центростремительной силой сформирует в области периферии внешний кольцевой «хобот», в котором среда будет подниматься вверх. А между двумя кольцевыми хоботами среда будет опускаться вниз, формируя силу трения скольжения. Применяя правило прецессии, мы увидим, что внешний «хобот» часть своей энергии передаёт зажатой между хоботами периферии, которая в свою очередь часть своей энергии передаёт внутреннему хоботу. Природная конструкция приобретает стабильность, формируя зародыш урагана, который при движении по океану набирает силу. Во втором случае внешний «хобот» сформироваться не может. Периферия кольцевого «хобота» не может делиться с ним своей энергией. «Хобот» прекращает своё существование. И распавшееся торнадо формирует бурю.
Современная метеорология нашла и условия, при которых торнадо формирует ураган.
Ураган формируется только в том случае, когда температура воды в окружении холодного пятна выше 26,5 градусов. В этом случае в момент схода торнадо с холодного пятна площадь основания периферии торнадо больше её площади при меньшей температуре окружающей воды. Торнадо набирает силу за счёт увеличения площади сечения хобота за счёт уменьшения площади сечения периферии. И если в родильном доме торнадо температура окружающей воды выше 26,5 градусов, то при преобразовании цилиндрического торнадо в кольцевое торнадо оставшаяся площадь периферии позволяет сформировать внешний «хобот» торнадо. И торнадо приобретает вид вложенных друг в друга кольцевых торнадо, которое и носит название урагана (тайфуна, тропического циклона).
2.5
Торнадо имеют не только водную, но и земную прописку. В северной Америке существует даже аллея торнадо.
И ограничений на свой рост земные торнадо, в отличие от водных, не имеют. И всё отличие между ними заключается в том, что водное торнадо влагу получает с поверхности океана, а земное торнадо получает влагу из тучи, из которой оно и возникло. Водное торнадо ограничено пределами своих размеров в момент схода с холодного пятна. Земное же торнадо сосёт влагу не своим основанием, а периферией. Поэтому у земного торнадо не существует ограничения в размерах. Если водное торнадо ограничено диаметром периферии в момент схода с холодного пятна (изменяя только размеры хобота), то земное торнадо одновременно может увеличивать как площадь хобота, так и площадь периферии. Ограничение на рост торнадо накладывают только запасы влаги в туче, с которой связан торнадо. Запасы исчезли, исчезло и торнадо.
Что же порождает торнадо? Но прежде рассмотрим пару природных явлений, бриз
При формировании бриза температура конечно же играет свою роль. Но при этом метеорологи забывают о известном факте, что при одной и той же температуре влажный воздух легче сухого. Днём суша нагревается быстрее чем водная поверхность. Воздух же нагревается не солнцем, а поверхностью под ним. Поэтому морской воздух холоднее воздуха над сушей и природа стремится охладить сушу, формируя морской бриз. При движении над сушей влажный морской воздух нагревается. А т. к. он легче сухого воздуха над сушей, то он поднимается вверх, закручиваясь силой Кориолиса. Ночью же напротив воздух над сушей охлаждается сильнее, чем воздух над водной поверхностью. К тому же сухой воздух с более низкой температурой над сушей легче влажного морского воздуха. Поэтому воздух с суши ночью выдавливает морской воздух, формируя береговой бриз.
При формировании пассатов температура тоже оказывается при делах. Температура водной поверхности имеет вид.
На 30 широте температура поверхности океана ниже её температуры в окрестности экватора. Даже ёж понимает, что влажность воздуха более низкой температуры обязана быть меньше влажности воздуха, имеющего более высокую температуру (испарение батеньки). Поэтому на 30 широте воздух более сухой по сравнению с приэкваториальным воздухом. И также как и в бризе тяжелый воздух вытесняет лёгкий воздух, формируя пассатное движение воздуха. Как и положено движение воздуха над поверхностью воды испаряет влагу. И пассатному воздуху уже до лампочки какая температура наблюдается в приэкваториальной области в зоне затишья. Он за свой путь наберёт столько влаги, что станет существенно легче приэкваториального воздуха. И ему ничего не остаётся как подняться вверх сформируя ячейку Хедли.
Поднимаясь вверх влажный воздух охлаждается, избавляясь от влаги её конденсацией.
Вновь вернёмся к рассмотрению бриза. Воздух, как в береговом, так и в морском бризе, поднявшись вверх, повышает атмосферное давление на высоте подъёма. В то же время на этой же высоте в месте ушедшего воздуха давление понижается. И поднятый вверх воздух двигается в обратном направлении и опускается вниз. Вниз опускается осушенный на высоте воздух, а следовательно и более тяжёлый, т. е. более плотный. Большая плотность создаёт и большую величину атмосферного давления, что формирует обратный поток воздуза в приземном бризе.
Точно такая же ситуация возникает и в ячейке Хедли. Осушенный воздух на высоте в приэкваториальной области повышает в ней атмосферное давление по сравнению с давлением на этой высоте на 30 широте. Сухой воздух от экватора устремляется к 30 широте и опускается вниз. А сухой воздух значит более плотный по сравнению с воздухом на поверхности, что повышает атмосферное давление на 30 широте. А повышенное давление создаёт потоки как в южном, так и в северном направлении. Таким образом, кроме ячейки Хедли формируется ещё и ячейка Ферреля.
Но почему всё же страдают США, на территории которой и находится аллея торнадо. Для этого вновь рассмотрим рисунок пассатов.
Из этого рисунка видно, что на пути пассатов оказывается Флорида, для которой пассаты являются морским бризом. На пути от 30 широты пассаты успели набрать влагу, которую при встрече с сушей переводят в тучи. Сила Кориолиса поворачивает их вправо на территорию США. А там уже какому штату «повезёт».
В туче формируется одна или несколько ячеек Бенара, для формирования которой необходим градиент температуры. Солнце не может нагреть низа тучи, она нагревается от поверхности земли. Не может солнце нагреть или охладить верха тучи. А для достаточной величины градиента температура верха тучи должна быть низкой. А это в основном бывает весной и в начале лета. Поэтому в этот период и попадает сезон торнадо. В остальные сезоны года торнадо редки. И они могут происходить тогда, когда с севера приходит холодный фронт, охлаждающий воздух на высоте.
2.6
Вихри (ячейки) Бенара возникают в любой грозовой туче. Но не каждая ячейка способна переродиться в смерч (торнадо). Скажем в средних широтах смерчи редки. В аллее же торнадо за год гуляют до 1000 торнадо. Что же нужно безобидной ячейке грозовой тучи, чтобы она смогла переродиться в грозное торнадо?
А для этого вспомним пару фактов. Трубка Ранка работает в диапазоне 5-9 атм. Водное торнадо до своего преобразования в ураган увеличивает площадь внутреннего потока при неизменной величине диаметра наружного потока. Следовательно, энергия вихря Бенара, имеющего фиксированный диаметр, находится в каком-то диапазоне. Достигнута нижняя граница диапазона, вихрь теряет возможность к самопроизводству и становится подобным вихрю над нагретым склоном холма. Перешел вихрь через верхний диапазон, скажем, для водного торнадо, он либо распадается в бурю, либо начинает жить как ураган. Находится энергия ячейки грозовой тучи близко к нижней границе диапазона, никогда ячейка не сможет породить торнадо. Находится энергия грозовой тучи близко к верхней границе диапазона, почти что в 100% случаев ячейка переродится в торнадо. И чем ближе энергия ячейки находится к верхней границе диапазона, тем более грозное торнадо она породит. А это определяется градиентом температуры между низом и верхом ячейки. Чем больше градиент, тем грознее будет сформировавшееся торнадо.
Но неужели природа ограничилась только этими примерами вихря Бенара? Чем же тогда являются циклоны и антициклоны? Нет у природы другого механизма кроме вихря Бенара для поднятия среды вверх или для опускания её вниз. Вспомним, что вихрь Бенара самостоятельно формирует как центростремительную, так и центробежную силу. Причём величина центростремительной силы ВСЕГДА выше величины центробежной силы. Разница между ними равномерно со всех сторон по радиусу давит на внутренний поток. По правилу прецессии силе, действующей по радиусу, противодействует перпендикулярно направленная сила, смещённая в направлении вращения. А как мы знаем, в осевом направлении вращение идёт вокруг цилиндра, разделяющего потоки. И в нашем случае вращение внутреннего потока идёт в направлении его осевого движения. Поэтому и разница этих сил действует в том же направлении движения внутреннего потока.
Но внешний поток не может принять всю массу среды, которую ему предлагает внутренний поток (как раз соответствующую разности величин центростремительной и центробежной силы). Поэтому, скажем, то же торнадо повышает атмосферное давление на своей вершине, понижая его в основании. Образно говоря, торнадо живой организм, проходящий стадии роста и стадии угасания. Соответственно изменяется давление в его основании и в его вершине. Вихрь над нагретым склоном холма своих размеров не изменяет, создавая постоянное пониженное давление в своём основании и постоянное повышенное давление на вершине. Поэтому вихрь над склоном холма мы можем считать стационарным (конечно до тех пор пока солнце его нагревает), а торнадо является неустранимо нестационарным вихрем увеличивающим свою энергию вначале, и уменьшающим её в последующем.
Нас интересуют стационарные вихри природы. Ведь мы рассматриваем вихри Бенара атмосферы в форме циклонов и антициклонов. А их можно считать квазистационарными вихрями. В циклонах внутренний поток поднимается вверх (с правым направлением вращения в северном полушарии и с левым направлением вращения в южном полушарии). Периферия вихря циклона опускается вниз с тем же самым направлением вращения в каждом из полушарий земли. В антициклонах внутренний поток напротив опускается вниз (с левым направлением вращения в северном полушарии и с правым направлением вращения в южном полушарии). Периферия вихря антициклона опускается вниз с тем же самым направлением вращения в каждом из полушарий земли.
И даже ежу понятно, что размер циклона средних широт несколько отличается от размера вихря над нагретым склоном холма. Обширную область занимает «хобот» циклона с тонкой «ниточкой» его периферии. Поэтому и осевая скорость движения, и скорость вращения в «хоботе» циклона средних широт имеет малые значения. А эти же значения в «ниточке» периферии циклона принимают большие значения. «Хобот» вихря над нагретым склоном холма ещё способен поднимать парапланеристов. «Хобот» же циклона средних широт в связи со своими размерами слабосилен. Вихрь Бенара над нагретым склоном холма мы мысленно можем поставить на попа. В этом случае повышенное давление окажется на уровне земли, а пониженное давление (по сравнению с окружением) окажется на высоте. А ведь эту ситуацию мы и наблюдаем в антициклоне. И точно так же как и в циклоне, в антициклоне в «хоботе» вихря наблюдается и малая скорость осевого движения, и малая скорость вращения. И более того, в обширном антициклоне, застрявшем на одном месте, не наблюдается даже дуновения ветерка.
2.7
Не все вихри Бенара друг другу равноценны. Вихрь над нагретым склоном холма
(в интернете удалось найти только этот рисунок, демонстрирующий кучевое облачко над нагретым склоном холма).
без всякого сомнения является вихрем Бенара. Ведь как и положено для вихря Бенара у него существуют два направления вращения. Воздух, поднимающийся вверх, охлаждается Но вихрь над склоном и в подмётки не годится для торнадо. В торнадо хобот имеет как большую осевую скорость движения, так и большую скорость вращения. Вихрь над склоном имеет существенно меньшие величины этих параметров. Торнадо создаёт превышение центростремительной силы над силой центробежной. В вихре над склоном холма величина центробежной силы напротив больше величины центростремительной силы. И вихрь над склоном существует благодаря благодеянию тёплого пятна на склоне. Исчезло тёплое пятно и центробежная сила разрушила вихрь. Точно так же и в трубке Ранка вихрь Бенара является полноценным вихрем Бенара (мини торнадо) в диапазоне 5-9 атм. Вне этого диапазона можно создать вихрь Бенара, но это всего лишь пародия на полноценное мини торнадо, в которой величина центробежной силы больше величины центростремительной силы.
Но гипотетический вихрь Бенара над склоном холма под действием центробежной силы расширяться может только до тех пор, пока величина центростремительной силы не сравняется с величиной центробежной силы. Т.е. если в полноценных мини торнадо величина центростремительной силы больше величины центробежной силы, а в вихре над склоном величина центробежной силы больше величины центростремительной силы, то в циклонах и антициклонах средних широт величина центростремительной силы равна величине центробежной силы.
Таким образом, вихрь Бенара имеет 3 состояния. Условимся называть первое состояние торнадо или мини торнадо; второе состояние назовём состоянием вихря над склоном холма; третье состояние назовём состоянием циклона. При этом в первом состоянии величина центростремительной силы ВСЕГДА больше величины центробежной силы. Во втором состоянии величина центробежной силы ВСЕГДА больше величины центростремительной силы. В третьем состоянии величина центростремительной силы ВСЕГДА равна величине центробежной силы.
Естественно, что в связи с размерами «хобота» циклона средних широт и осевая скорость движения, и скорость вращения в «хоботе» практически незаметны. А тем не менее, в связи с величиной «хобота» велико суммарное количество движения в нём. А т. к. величина центробежной силы в циклоне равна величине центростремительной силы, то на периферии циклона велики и скорость осевого движения, и скорость вращения. Т.к. тропические циклоны возникают на глобальных океанских течениях, текущих с востока на запад, то на начальном участке своей траектории движения тропические циклоны также двигаются с востока на запад. Сила же Кориолиса поворачивает их в северном полушарии вправо, что и определяет траекторию их движения. Циклоны же средних широт от глобальных океанских течений никак не зависят. Поэтому и двигаются они с запада на восток, под действием силы Кориолиса поворачиваясь вправо.
Таким образом, циклон является растянутым по горизонтали вихрем Бенара с массивным «хоботом» и тонкой периферией, формируемым на границе между тёплым и холодным фронтами. Облачность в начальной стадии формирования молодого циклона приобретает спиралевидный вид с вращающимися облаками (рисунок с комментариями взят из «Атлас облаков» / Федер. служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет), Гл. геофиз. Обсерватория им. А.И. Воейкова ; [Д. П. Беспалов и др. ; ред.: Л. К. Сурыгина]. Санкт-Петербург : Д’АРТ, 2011. – 248 с.)
«Облачный вихрь молодого циклона состоит из двух спиралевидных облачных полос теплого и холодного фронтов, разделенных безоблачной прослойкой. На юго-восточной периферии циклона прослеживается облачный вихрь вторичного (частного) циклона, облачные спирали которого состоят из массива кучево-дождевых облаков.» Из этого же источника взята и следующая цитата. «Наблюдения за облачностью свидетельствуют, что принесенное в антициклон облако под влиянием нисходящих движений начинает медленно опускаться и рассеиваться.» А она свидетельствует о том, что антициклон является перевёрнутым вихрем Бенара, т.е. поставленным на попа.
Условиям вихря над склоном удовлетворяет движение среды по трубопроводам. Поэтому в трубопроводах возможно формирование последовательности вихрей Бенара второго состояния (т. е. подобным вихрям на склоне). Но при выходе из трубопровода вихри Бенара второго состояния разрушаются, практически не имея значимого преимущества по дальности по сравнению с ламинарным течением. Вихри же мини торнадо при выходе из трубопровода свою форму сохраняют на значительном расстоянии, что увеличивает дальность полёта струи по сравнению с ламинарным течением в трубопроводе.
2.8
Отдельным природным явлением являются грозы. Грозовые тучи в своём составе порождают одну, редко две или три ячейки (вихри) Бенара. Вихри Бенара грозовой тучи относятся к вихрям второго состояния. Но в отличие от вихря над склоном вихри грозовой тучи не испытывают недостатка влаги. И влагу из тучи они поглощают всей своей внешней поверхностью, а не только основанием. Поэтому вихри грозовой тучи не имеют пространственных ограничений. Ограничение на вихрь накладывает количество влаги, содержащейся в туче. И вихрь грозовой тучи увеличивает как свой диаметр, так и свою высоту. Вспомним о том, что вихрь Бенара в любом состоянии в любом сечении любого потока должен содержать одну и ту же величины массы среды.
Рассмотрим случай, в котором туча содержит очень большие запасы влаги, что соответствует аллее торнадо в США. Конденсация влаги поставляет вихрю энергию, за счёт которой вихрь увеличивает размеры. Т.е. каждый горизонтальный слой по всей высоте вихря содержит большую массу среды. Эта дополнительная масса обязана откуда-то появиться. Появляется же она за счёт того, что основание вихря сосёт массу из окружающей его атмосферы. А грозовые тучи всё же находятся на какой-то высоте, на которой атмосферное давление ниже, чем на поверхности земли. Основание вихря, высасывая воздух из окружающей атмосферы, переводит её в состояние, соответствующее большей высоте. Чтобы привести состояние атмосферы в равновесное состояние, природа должна опустить основание вихря ниже, приближая его к поверхности земли. И вихрь, обеспечивая возможность для дальнейшего роста, устремляется к земле.
В интернете полно рисунков торнадо. Но на этом рисунке видно, что площадь хобота существенно меньше площади периферии (о чём свидетельствует пыль, поднятая воздухом, двигающимся в основании от периферии к центру). Если же для формирования торнадо влаги недостаточно, то грозовая туча только погрозит пальчиками молний и успокоится.
Но откуда же в атмосфере появляется влага? На побережье морей и океанов влагу суше поставляют бризы и муссоны. Но есть ещё и такое явление как пассаты и ячейки Хедли (Гадлея) и Ферреля.
Формируемые океанами пассаты своё влияние распространяют и на материки. И если в приповерхностном слое движение воздуха идёт в одном направлении (как в ячейках Хедли, так и в ячейках Ферреля), то на высоте движение идёт в противоположном направлении (как это и показано на рисунке). Конечно же идеальная картина ячеек нарушается наличием циклонов и антициклонов. Тем не менее, морская и океанская влага движением воздуха в ячейках выносится на сушу. К тому же воздух, двигающийся в ячейках на высоте, для морей и океанов является сухим. Попадая же на сушу сухой океанский воздух становится для неё влажным. Приповерхностное движение воздуха доставляет влагу суше непосредственно, формируя облачность, поставляющая осадки. Кстати, если облака заблудились и из циклона попадают в антициклон, то влага из облаков опускается вниз, повышая влажность в антициклоне. Высотное движение в ячейках повышает поверхностную влагу в антициклонах.
Интересной проблемой является наличие на земле пары кухонь погоды. Одной из кухонь является Ла Ниньо и Эль Ниньо у берегов Южной Америки (время от времени исчезающее Перуанское течение). Вторая кухня расположена у берегов Исландии.
С северной кухней погоды более или менее ясно. «Атлас облаков» свидетельствует. «Свыше 70–90 % всех циклонов в северном полушарии зимой образуется вблизи восточных побережий Канады и Гренландии и дальневосточного побережья России, а также в северной части Средиземного моря и в западных частях Черного и Каспийского морей. После зарождения циклоны перемещаются с восточной составляющей над океаном и затем выходят на территорию Европы и Западной Сибири.»
Холодное Лабрадорское течение летом холоднее тёплого воздуха, поступающего с Канады. Как и на холодном пятне на экваториальных океанских течениях тёплый воздух насыщается при этом влаги. А т. к. влажный воздух легче сухого, то он поднимается вверх, формируя вихри Бенара. Но т. к. температура воды 26,50 С в холодном течении не достигает, то возникающие вихри имеют статус вихря над склоном холма. Поэтому они и расплываются в пространстве создавая циклоны. В холодное время года напротив холодное течение является для воздуха тёплым, создавая аналог вихря Бенара над нагретым склоном холма. И по той же причине, что и летом, течение вновь формирует циклоны.
С Ла Ниньо и Эль Ниньо не всё так однозначно. Ведь Перуанское течение то существует и течёт вдоль Южной Америки (формируя Ла Ниньо), то разворачивается и идёт параллельно Антарктическому Циркумполярному течению (формируя Эль Ниньо). И пассаты, дующие с материка, то упираются на холодную воду Перуанского течения (охлаждённого у Антарктиды), то текут по тёплой воде. Иными словами, пассаты, двигающиеся с материка, в сезоны Ла Ниньо имеют меньшую температуру т. к. они охладились на Перуанском течении. В сезоны же Эль Ниньо Перуанское течение отсутствует. И пассаты имеют большую температуру. Но какое отношение это явление имеет отношение к погоде на земном шарике? Ведь между пассатами южного полушария и пассатами северного полушария существует полоса безветрия и пассаты непосредственно не общаются. И тем не менее, полоса безветрия смещается от зимы к лету. А если меняется температура южных пассатов, то неужели это явление не влияет на положение полосы безветрия? Таким образом, кухня погоды Ла Ниньо и Эль Ниньо имеет всемирный характер, определяя погоду на всём шарике. В северном же полушарии аналога Ла Ниньо и Эль Ниньо не существует. Поэтому кухня погоды у Исландии и в районе Берингового пролива имеет только локальный характер, формируя , скажем, циклоны, двигающиеся в восточном направлении.
2.9
Кроме гидро и аэродинамики природа предусмотрела ещё и электродинамику. И если в гидродинамике или в аэродинамике наблюдается симметрия,
В электродинамике же также возникают вихри, но направления их движения равноценными быть не могут. Создали мы в трубопроводе давление и на поверхности твёрдого тела в пограничном слое с завидной периодичностью формируются системы вихрей Тейлора рис 1 только для того, чтобы разрушиться и тут же появиться вновь. В электродинамике направления движения вихрей будут разными для диамагнетиков и для парамагнетиков. Ведь при приложении к диамагнетику магнитного поля в нём формируется слабое магнитное поле противоположное приложенному полю. При приложении же магнитного поля к парамагнетику в нём формируется слабое магнитное поле параллельное приложенному. Поэтому и направления движения вихрей (а также вращения) будут в них разными. И вместо красивой ёлочки рисунка 2 в них появится однобокая на неё пародия того или иного направления.
Современная физика полагает, что электрический ток это движение электронов. Но экспериментальная физика множит на ноль утверждения теоретиков. Ведь при подаче импульсов на первичную обмотку катушки Румкорфа
на её вторичной обмотке появляются токи разного направления движения. На восходящей ветви импульса на первичной обмотке на вторичной обмотке возникает ток обратного направления движения. На нисходящей же ветви импульса на первичной обмотке на вторичной обмотке возникает ток прямого направления движения. Если бы электрический ток был бы движением электронов, то электроны обратного тока следующего импульса перемешались бы с электронами прямого тока предыдущего импульса и тока бы как токового не существовало бы (правда величина прямого тока больше величины обратного тока и ток существовал бы, но меньшей величины).
Токи же разного направления движения путешествуют по вторичной обмотке жестко «привязанными» друг к другу. Используя иллюстрацию рис 2 Сировича с соавторами, движение обратного и прямого тока мы можем представить следующим образом.
Непоседы электроны сидеть на месте не могут. Но они не могут двигаться и хаотически по предоставленному им пространству. Гидродинамика же подсказывает, что их траектории являются детерминированными. В 19 веке братья Вёбер экспериментально доказали, что частички воды под волной двигаются не вверх вниз, как это считал Ньютон, а по окружностям. Электроны внутренних оболочек атомов двигаются по детерминированным траекториям. Неприкаянными являются электроны из внешних оболочек атомов, которые и формируют детерминированные замкнутые траектории вокруг соседних атомов. В отсутствие напряжения эти траектории (скажем окружности, хотя это не обязательно) расположены хаотически. Когда же мы получаем обратный и прямой токи, то это состояние перемещается по вторичной обмотке катушки Румкорфа, что в виде схемы и показано на рис 4. Таким образом, электрический ток это не движение электронов по проводнику, а движение состояния двигающихся по своим траекториям электронов.
На рис 4 показано движение состояния в прямом и в обратном направлении. А как это видно на рис 1 и на рис 2, частички среды не только двигаются в противоположных направлениях, но они и вращаются в противоположных направлениях. Заряды дают асимметрию. Поэтому электроны могут двигаться в одном направлении, но вращаться они могут и в противоположных направлениях. Это свойство зарядов должно находить своё применение и в электрическом токе.
По кольцу электроны двигаются в одном и том же направлении. Вращаются же они в противоположных направлениях, что характеризует нам переменный ток. Но ведь электроны могут двигаться в том же направлении, но постоянно вращаться в каком-либо направлении из приведённых на рис 5. И в том и в другом случае мы будем иметь постоянный ток. Но в одном случае постоянный ток течёт по диамагнетику, а во втором случае ток течёт по парамагнетику. Поэтому движение по кольцу рис 5 в постоянном токе будет в одном и том же направлении, но вращение самих электронов в диамагнетике будет идти в одном направлении, а в парамагнетике вращение будет в другом направлении.
Но что же такое прямой и обратный ток в катушке Румкорфа с позиции положительного и отрицательного заряда?
В выяснении этого вопроса поможет электростатический генератор Вимшурста рис 6. На противоположных сторонах диска вращение идёт в противоположных направлениях. Щётки 5, соединяющие противоположные стороны диска, создают на пластинах заряды разного знака, которые снимаются проводниками 6 и передаются на лейденские банки. На одной из лейденских банок собирается +, на второй банке собирается-. Т.к. щётки 5 соединены между собой то физическая классика диктует, что заряды должны компенсировать друг друга. А они не компенсируются, а проводниками 6 передаются на лейденские банки. Непорядок в физическом королевстве.
на одной лейденской банке проводниками 6 собирает положительные заряды, а на второй лейденской банке противоположными проводниками 6 собирает отрицательные заряды. Ситуация полностью идентична ситуации в катушке Румкорфа, в которой на вторичной обмотке рука об руку путешествуют токи противоположных направлений движения.
Разница наблюдается только в одном: в катушке токи следуют друг за другом, не перемешиваясь, в генераторе токи создаются на противоположных сторонах диска, но они соединены друг с другом, что по классике должно было бы перемешать их друг с другом.
В твёрдых телах, которыми несомненно являются как диски, так и пластины генератора, протоны с нейтронами перемещаться конечно же не могут. Единственными претендентами на подвижность являются электроны. Т.е. на противоположных пластинах дисков бегать по окружностям
могут только электроны. Но на рис 3 движение электронов идёт в одном направлении (что формирует переменный ток). На противоположных же сторонах генератора Вимшурста движение электронов обязано формироваться в противоположных направлениях. Т.е. на разные лейденские банки поступают электроны как разного направления движения, так и разного направления вращения. Таким образом, и положительный, и отрицательный заряды на лейденских банках формируются только и только электронами, которые имеют разные направления движения и разные направления вращения. И следовательно позитрон отличается от электрона только направлением движения и направлением вращения.
Но у нас кроме положительно заряженных позитронов наблюдаются и положительно заряженные протоны, что свидетельствует о том, что и электроны, и позитроны являются самостоятельными частицами, только в разных условиях проявляющие свойства то положительного, то отрицательного заряда. Но природа дама весьма экономная и не позволяет себе создавать ничего лишнего. Естественная логика диктует, что создав массивную положительно заряженную частицу протон, она должна была бы создать и массивную отрицательно заряженную частицу. А такой частицы не существует. Т.е. протон может быть только составной частицей, построенной из позитронов.
И современная физика даёт этому подтверждение. С 1960 годов считалось, что радиус протона равен 0,8768 фемтометра или менее одной триллионной миллиметра. Группа физиков под руководством Рандольфа Поля заменили электрон в атоме водорода на мюон ( http://www.vesti.ru/doc.html?id=1015225&cid=2161). В 2010 году Поль и его коллеги впервые опубликовали уточнённый размер протона, равный 0,8418 фемтометра. Если элементарная частица является элементарной частицей, то она не имеет права изменять своего радиуса. Но у природы свои права, которые заставили протон изменить свой размер, что и свидетельствует о том, что протон является составной частицей. А на звание протона претендовать может только вихрь Бенара, построенный из позитронов. Ведь только вихрь Бенара способен как двигаться в направлении движения своего внутреннего потока, так и катиться лёжа на боку.
Кстати, внутренний поток протона состоит из позитронов и двигающихся, и вращающихся в направлении противоположном направлениям этих же параметров наружного потока. Поэтому позитроны внутреннего потока проявляют свойства электронов. А как мы знаем, токи одного знака и одного направления движения притягиваются друг другу. Следовательно токи разного знака притягиваться друг к другу могут только двигаясь в противоположных направлениях. А это и наблюдается в структуре протона, что и цементирует их. Если же положительные и отрицательные заряды мирно сосуществуют в структуре протона, то не может же природа быть дурой, часть электронов в составе нейтронов сохранив в составе ядра атома, безалаберно выкинув другую их часть в электронную оболочку. На звание гения не очень лестного, но известного заведения претендует современная физика. Деление атома на ядро и на электронную оболочку возможно было только до открытия нейтрона, который в свободном состоянии распадается на протон и электрон в среднем за 12 мин. И вновь современная нелепица: отрицательный электрон мирно сосуществует с положительным протоном в нейтроне.
Структура любого атома представляет собой концентрические кольца из протонов и нейтронов, вокруг каждого из колец вращается свой набор электронов. Т.к. электроны должны двигаться против направления движения позитронов в протоне, то двигаясь по протону снизу вверх, электроны должны опускаться вниз. Т.е. рядом расположенный протон должен находиться в перевёрнутом состоянии. В этом же случае позитроны соседних протонов будут двигаться в противоположных направлениях, создавая силу отталкивания. Следовательно один из протонов должен приобрести собственный электрон, вращающийся вокруг него и создающий силу притяжения между соседними неперевёрнутыми протонами. Поэтому в любом замкнутом кольце атома любого химического элемента протоны обязаны чередоваться с нейтронами. В незамкнутых кольцах электроны вынуждены возвращаться обратно.
2.11
Структуру атома современная физика представляет в виде ядра, содержащего протоны с нейтронами, и электронной оболочки вокруг него. Но этим представлениям противоречит следующий экспериментальный факт (http://ria.ru/science/20120703/691076462.html). Облучая лазером одиночный атом иттербия, австралийские физики смогли получить его тень.
Хаоса в распределении протонов и нейтронов в так называемом ядре атома нет и в помине. К тому же электроны входят в ядро атома в составе нейтронов, которые в свободном состоянии распадаются на протон и электрон в среднем за 12 мин. Рисунок же 1 демонстрирует, что протоны и нейтроны в структуре атома расположены кольцами. Ведь электроны чрезвычайно подвижны, а для получения фото требуется какое-то время экспозиции, которое электроны предоставить не могут. Протоны же с нейтронами практически неподвижны, что и наблюдается на рисунке.
В качестве примера представления атома в виде кольцевых структур можно привести структуру нескольких атомов. Схема атома гелия имеет вид.