Циклоны и антициклоны. Вихри, которые делают погоду

ГРОЗОВОЕ ОБЛАКО

В типичном грозовом облаке вершина заряжена положительно, а  основание несёт отрицательный заряд. То есть в воздухе поддерживаемый восходящими потоками парит гигантский электрический конденсатор многокилометровых размеров. Наличие такого конденсатора приводит к тому, что на поверхности земли или воды, над которыми находится облако, появляется его электрический след — наведённый электрический заряд, имеющий знак, противоположный знаку заряда основания облака, то есть земная поверхность будет заряжена положительно.

Возле основания развитого  грозового облака существует мощный восходящий поток воздуха, насыщенного влагой. Кроме дипольных молекул воды, которые в магнитном поле Земли начинают вращаться, передавая импульс нейтральным молекулам воздуха, вовлекая их во вращение, в восходящем потоке имеются положительные ионы и свободные электроны. Они могут образовываться в результате воздействия на молекулы солнечного излучения, естественного радиоактивного фона местности и, в случае грозового облака, за счёт энергии электрического поля между основанием грозового облака и землёй (вспомним о наведённом электрическом заряде!). Кстати, за счёт наведённого положительного заряда на поверхности земли число положительных ионов в потоке восходящего воздуха значительно превышает число ионов отрицательных. Все эти заряженные частицы под действием восходящего потока воздуха устремляются к основанию грозового облака. Иными словами, между земной поверхностью и основанием облака возникнет электрический ток, хотя правильней было бы говорить об огромном количестве элементарных токов, соединяющих земную поверхность с основанием облака. Все эти токи параллельны и текут в одном направлении.

Из-за взаимного притяжения электрических токов заряженные частицы устремляются к центру грозового облака, по дороге взаимодействуя с электрически нейтральными молекулами и также перемещая их к центру грозового облака. Площадь поперечного сечения восходящего потока уменьшится в насколько раз, а поскольку поток вращается, то по закону сохранения момента количества движения его угловая скорость возрастёт. С восходящим потоком произойдёт то же самое, что с фигуристкой, которая, вращаясь на льду с расставленными руками, прижимает их к телу, отчего скорость её вращения резко увеличивается (хрестоматийный пример из учебников физики, который мы можем наблюдать по телевизору!). Такое резкое увеличение скорости вращения воздуха в смерче с одновременным уменьшением его диаметра приведёт соответственно к увеличению линейной скорости ветра, которая, как упоминалось выше, может даже превысить скорость звука.

Именно наличие грозового  облака, электрическое поле которого разделяет заряженные частицы по знаку, приводит к тому, что скорости воздушных потоков в смерче превосходят скорости воздушных потоков в тайфуне. Образно говоря, грозовое облако служит своего рода «электрической линзой», в фокусе которой концентрируется энергия восходящего потока влажного воздуха, что и приводит к возникновению смерча.

ТАЙФУНЫ

Тайфун (английский typhoon, от кит. тай фын — большой ветер) — разновидность тропического циклона, которая типична для северо-западной части Тихого океана (до 170° восточной долготы). Перемещаясь к западу и северо-западу со скоростью 10—20 км/ч, тайфуны достигают берегов Индокитая, Китая, Кореи. При последующем изменении направления тайфунов на северное или северо-восточное их скорость часто возрастает до 30—50 км/ч (отдельные порывы свыше 100 км/ч). Некоторые тайфуны достигают при этом южной части Японии, а в отдельных случаях могут проникать в районы Приморья, на Курильские острова и даже на Камчатку, трансформируясь во внетропические циклоны. Повторяемость тайфунов больше, чем тропических циклонов в любом др. районе земного шара. В среднем в год бывает около 30 тайфунов, большая часть которых развивается до стадии урагана (скорость ветра свыше 30 м/сек), остальные достигают стадии тропического шторма. Около 70% тайфунов образуется в период с июля по октябрь. Их диаметры относительно невелики (до несколько сотен км), в своих центрах они сопровождаются резкими понижениями давления воздуха — до рекордно низких значений. Тайфуны вызывают сильное волнение на море, им сопутствует выпадение огромного (до несколько сотен мм, в отдельных случаях свыше 1000 мм) количества осадков. В прибрежных районах Восточной Азии тайфуны часто приводят к разрушениям, наводнениям, нагонам морских волн и др. катастрофическим последствиям. Особенно разрушительным был сезон тайфунов 1991 года, когда у побережья Японии буйствовало несколько тайфунов.

Как же образуются тайфуны? Для возникновения тайфуна поднимающийся воздушный поток должен иметь высокую влажность, которую могут обеспечить только обширные водные пространства с хорошо прогретой поверхностью (по данным некоторых авторов, не менее 27 градусов Цельсия). И тайфуны действительно образуются вблизи от экваториальной зоны (10—25° широты), над океаном, поверхностные воды которого хорошо прогреты, а восходящий поток имеет практически стопроцентную влажность. Как следствие этого, появление тайфунов носит ярко выраженный сезонный характер, что отражено данными, приведёнными в таблице.

Таблица. Повторяемость тропических  циклонов в северной части тропической зоны атлантического океана за 1886—1964 годы.

За 79-летний период, отражённый в таблице, тайфуны в северной части тропической зоны Атлантического океана возникали 636 раз, то есть практически по 8 тайфунов в год. Из них 504 тайфуна, или почти 80%, приходятся на август, сентябрь и октябрь — период, когда поверхностные воды Атлантики прогрелись, но зато в январе, когда они остыли, за 79 лет не было ни одного тайфуна.

В целом картина возникновения  тайфуна такова. Хорошо прогретая  поверхность океана обеспечивает мощный восходящий поток влажного воздуха, насыщенного молекулами воды, которые, поднимаясь, начинают вращаться вследствие взаимодействия с магнитным полем Земли. В процессе образования тайфуна каждая молекула воды играет роль миниатюрного вентилятора, так как она совершает вращательное движение в результате пересечения ею силовых линий магнитного поля Земли. И посредством многочисленных соударений каждая молекула воды передаёт собственный момент количества движения другим молекулам, не имеющим дипольного момента. Постепенно во вращательное движение вовлекается всё больше молекул влажного воздуха. Такая “спиновая поляризация” воздушного пространства со временем приводит к суммированию моментов количества движения отдельных молекул, что и служит основой образования вихря гигантских размеров.

Рассмотрим соотношение  масс молекул воды и воздуха, содержащего  эти молекулы воды. При температуре  океана 27 градусов Цельсия температура воздуха над океаном будет около 35 градусов. При такой температуре и стопроцентной влажности масса паров воды в одном кубическом метре воздуха составит порядка 40 г, тогда как масса сухого воздуха того же объёма — 1260 г. Таким образом, видно, что масса молекул воды составляет примерно три процента от общей массы влажного воздуха. Отсюда понятно, что для образования тайфуна необходим длительный, порядка нескольких дней, “инкубационный период”. В течение этого времени происходит постепенное образование моментов количества движения у молекул воды в результате их взаимодействия с магнитным полем Земли, передача их посредством соударений нейтральным молекулам и аккумуляция моментов количества движения всех молекул в виде вихря. Тайфун возникнет, если процесс накопления момента количества движения идёт по нарастающей. Для этого достаточно, чтобы температура поверхностных вод океана не опускалась ниже 27 градусов Цельсия, а в дневное время уровень солнечной радиации способствовал испарению воды и созданию мощных восходящих потоков влажного воздуха. К счастью, все эти условия соблюдаются не всегда, поэтому тайфуны не такие уж частые гости в тропических широтах.

Как указывают многие исследователи, тайфун — своего рода тепловая машина, которая превращает тепловую энергию  Солнца в энергию восходящего потока влажного воздуха, а она с помощью магнитного поля Земли преобразуется в энергию гигантского воздушного вихря.

Что же происходит с молекулами воды, которые восходящим потоком  воздуха перемещаются с поверхности  океана, природного нагревателя, в верхние  слои атмосферы, служащие холодильником  этой своеобразной тепловой машины? Они конденсируются, образуя облака, которые через некоторое время проливаются тропическим ливнем. Получается, что если при движении вверх молекулы воды вращаются в одну сторону, закручивая воздух в тайфуне, то при движении вниз они должны вращаться в противоположную сторону, тормозя вращение тайфуна. А поскольку количество молекул воды, движущихся в обоих направлениях, одинаково, то в принципе, казалось бы, тайфун должен быстро угаснуть. Однако этого не происходит.

Между молекулами воды, движущимися  вверх и вниз, есть большая разница: они совершают свои путешествия  в различных агрегатных состояниях. Вверх молекулы воды добираются поодиночке, в парообразном состоянии, а вниз — в виде капель жидкости. Одиночная молекула воды имеет большую свободу движения и может более эффективно играть роль своеобразного вентилятора, тогда как молекулы воды в жидкости, находясь в более тесном взаимодействии, такой свободой не обладают. Отсюда можно сделать вывод, что вероятность образования вихря напрямую зависит от агрегатного состояния дипольных молекул.

Анализируя таблицу повторяемости  тропических циклонов в северной части тропической зоны Атлантического океана, можно заметить, что максимальное число тайфунов возникает именно в сентябре, когда после жаркого лета поверхностные воды океана достаточно прогрелись. Много тайфунов образуется также в августе — температура океана уже высокая, и в октябре — температура ещё высокая, тогда как в июне и июле их число составляет всего лишь 20 процентов от сентябрьской нормы — океан ещё не успел прогреться после зимы.

Распределение ураганов по годам неравномерно. Современные  исследователи связывают это со многими факторами, в том числе и с активностью Солнца.

МАЛЫЕ ВИХРИ

Существуют также и  вихри, механизм образования которых  никак не связан с вращением диполь-ной молекулы воды в магнитном поле. Наиболее распространённые среди них — пыльные вихри. Они образуются в пустынных, степных и горных местностях. По своим размерам они уступают классическим смерчам, их высота составляет порядка 100—150 метров, а диаметр — несколько метров. Для образования пыльных вихрей необходимым условием является пустынная, хорошо нагретая равнина. Образовавшись, такой вихрь существует довольно недолго, 10—20 минут, всё это время перемещаясь под действием ветра. Несмотря на то что воздух пустынь практически не содержит влаги, вращательное движение его обеспечивается взаимодействием элементарных зарядов с магнитным полем Земли. Над равниной, сильно прогретой солнцем, возникает мощный восходящий поток воздуха, часть молекул которого под воздействием солнечного излучения и особенно его ультрафиолетовой части, ионизируется. Направление вращения пыльного вихря определяется направлением вращения положительных ионов. Такой вращающийся столб сухого воздуха при своём движении поднимает с поверхности пустыни пыль, песок и мелкие камешки, которые сами по себе не играют никакой роли в механизме формирования пыльного вихря, но служат своеобразным индикатором вращения воздуха.

В литературе описаны ещё  и воздушные вихри, довольно редкое природное явление. Они возникают в жаркое время дня на берегах рек или озёр. Время жизни таких вихрей невелико, они появляются неожиданно и так же внезапно исчезают. По-видимому, вклад в их создание вносят как молекулы воды, так и ионы, образующиеся в тёплом и влажном воздухе за счёт солнечного излучения.

Гораздо опаснее водяные  вихри, механизм образования которых  аналогичен. Сохранилось описание: «В июле 1949 года в штате Вашингтон в тёплый солнечный день при безоблачном небе на поверхности озера возник высокий столб из водяных брызг. Он существовал всего несколько минут, но обладал значительной подъёмной силой. Надвинувшись на берег реки, он поднял довольно тяжёлый моторный бот длиной около четырёх метров, перенёс его на несколько десятков метров и, ударив о землю, разбил на куски. Водяные вихри наиболее распространены там, где поверхность воды сильно нагревается солнцем, — в тропических и субтропических зонах».

Закручивание потоков  воздуха может происходить и  при больших пожарах. Существуют вихри, возникающие в процессе извержения вулканов, их, например, наблюдали над Везувием. В литературе они получили название пепловых вихрей — в вихревом движении участвуют облака пепла, извергаемые вулканом.

Заключение

В последние десятилетия  крупные вихри исследовались  со специальных самолетов метеослужбы. Радиолокаторы и метеоспутники позволили получить "изображения" глобальных ветровых систем. Особенно четкими получаются фотографии циклонов, поскольку они сопровождаются сильной облачностью и осадками. Как показывают фотографии, осадки в циклонах концентрируются в четко выделяющиеся спиральные полосы. Антициклон прозрачен, осадки в нем редки, а если они и выпадают, то обычно на периферии в виде мороси. Поэтому антициклоны значительно труднее различить на спутниковых фотографиях.

И все-таки, несмотря на обилие фактического материала, последовательной теории вихрей еще нет. Связано это, прежде всего, с тем, что в каждом конкретном случае зарождения вихря его развитие определяется огромным множеством внешних факторов. Неясно, какое именно сочетание известных условий вызовет первоначальное развитие вихря. В самом деле, до стадий урагана развиваются менее 10% образовавшихся в тропиках областей пониженного давления, остальные бесследно исчезают. Пока нельзя предсказать развитие урагана или смерча в данной конкретной ситуации.

Особенно плохо разработана  теория смерчей. И дело здесь не только в том, что возникают они неожиданно и при более разнообразных  условиях, чем ураганы (так, смерчи иногда образуются в глубине материка). Огромная скорость ветра в смерчах  мешает их экспериментальному изучению. Это же обстоятельство не позволяет  сколько-нибудь последовательно изучить  это явление математически.