О роли электромагнитных взаимодействий в динамике мощных атмосферных вихрей
Проблема зарождения, усиления и устойчивого существования мощных атмосферных вихрей типа тропических циклонов, ураганов и торнадо имеет как большое теоретическое, так и практическое значение. В настоящей работе сделана попытка с единых позиций взглянуть на эти кризисные явления с учетом важной роли...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2003 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2003
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110985 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | О роли электромагнитных взаимодействий в динамике мощных атмосферных вихрей / С.Н. Артеха, Е. Гольбрайх, Н.С. Ерохин// Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 4. — С. 94-99. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860134032533094400 |
|---|---|
| author | Артеха, С.Н. Гольбрайх, Е. Ерохин, Н.С. |
| author_facet | Артеха, С.Н. Гольбрайх, Е. Ерохин, Н.С. |
| citation_txt | О роли электромагнитных взаимодействий в динамике мощных атмосферных вихрей / С.Н. Артеха, Е. Гольбрайх, Н.С. Ерохин// Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 4. — С. 94-99. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Проблема зарождения, усиления и устойчивого существования мощных атмосферных вихрей типа тропических циклонов, ураганов и торнадо имеет как большое теоретическое, так и практическое значение. В настоящей работе сделана попытка с единых позиций взглянуть на эти кризисные явления с учетом важной роли электромагнитных сил. Рассмотрена электромагнитная модель тропических циклонов (ТЦ), включающая плазмоподобные подсистемы. Обращено внимание на целый ряд общеизвестных важных наблюдательных данных и дополнительных косвенных фактов, которые не объясняются общепринятыми чисто термодинамическими и гидродинамическими теориями ТЦ.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:46:57Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 533.9
О РОЛИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
В ДИНАМИКЕ МОЩНЫХ АТМОСФЕРНЫХ ВИХРЕЙ
С.Н.Артеха1, Е.Гольбрайх2, Н.С.Ерохин1
1)Институт космических исследований РАН, Москва, ул.Профсоюзная 84/32,
117997, Россия ; 2)Центр МГД-исследований Бен-Гурион университета, Бер-Шева, Из-
раиль sergey.arteha@mtu-net.ru
Проблема зарождения, усиления и устойчивого существования мощных атмосферных вихрей типа тро-
пических циклонов, ураганов и торнадо имеет как большое теоретическое, так и практическое значение. В
настоящей работе сделана попытка с единых позиций взглянуть на эти кризисные явления с учетом важной
роли электромагнитных сил. Рассмотрена электромагнитная модель тропических циклонов (ТЦ), включаю-
щая плазмоподобные подсистемы. Обращено внимание на целый ряд общеизвестных важных наблюдатель-
ных данных и дополнительных косвенных фактов, которые не объясняются общепринятыми чисто термоди-
намическими и гидродинамическими теориями ТЦ.
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследования природы интенсивных атмосфер-
ных вихрей разрушительного характера типа тропи-
ческих циклонов, ураганов, тайфунов, "пыльных
дьяволов" и торнадо (смерчей) проводятся уже бо-
лее 160 лет [1,2]. Это обусловлено большим теоре-
тическим интересом к данным явлениям и практиче-
ской важностью рассматриваемой проблемы (много-
численные человеческие жертвы и экономический
ущерб: в среднем от одного тайфуна убытки оцени-
ваются сотнями миллионов долларов). К настояще-
му времени достигнут значительный прогресс, в
частности, определен ряд характерных внешних
проявлений указанных кризисных процессов, выде-
лен ряд факторов, без которых невозможна интенси-
фикация ТЦ (необходимые условия). Например, в
энергетическом балансе ТЦ важную роль играет
скрытая теплота испарения; при этом температура
океана в области зарождения ТЦ должна быть не
меньше 26°C. C торнадо ситуация менее ясна, хотя
имеются свидетельства некоторой корреляции тор-
надогенеза на территории США с изменением тем-
пературы поверхности Тихого океана.
Как правило, в исследованиях ТЦ основное вни-
мание уделяется термодинамическому и гидродина-
мическому подходам. Однако, несмотря на много-
численные экспериментальные исследования ТЦ,
накопленную базу экспериментальных данных, не-
смотря на наличие развитых теоретических моделей
и компьютерных программ, проблема еще далека от
своего окончательного разрешения. В идеале хоте-
лось бы иметь теоретическую модель, которая объ-
ясняет и описывает основные черты изучаемых кри-
зисных процессов, дает исчерпывающий ответ, в
частности, на следующие вопросы: как зарождают-
ся мощные атмосферные вихри и за счет каких ме-
ханизмов поддерживается длительная квазистацио-
нарная фаза ТЦ; как и почему они исчезают; почему
в одних случаях формируется тропическое возму-
щение, а в других, близких по состоянию, ничего не
возникает; почему не все возмущения усиливаются
до стадии ТЦ; в чем причина географической, вре-
менной и частотной асимметрии этих явлений; ка-
ковы их предвестники; как построить алгоритм дол-
госрочного прогноза траектории ТЦ.
К развитым на настоящий момент теориям (в
различных модификациях) можно отнести представ-
ления, основанные на динамической (плюс термиче-
ской) гипотезе, и концепцию самоорганизации. Ди-
намическая гипотеза об образовании ТЦ при взаи-
модействии атмосферных фронтов холодных и теп-
лых потоков опирается на термическую гипотезу,
считающую основной энергетической причиной ви-
хревого атмосферного движения высвобождение
теплоты при конденсации водяного пара [3,4]. Ре-
альные расчеты, однако, опираются на несколько
внешне задаваемых (часто несамосогласованных)
условий, включая использование внешнего поддер-
живаемого источника тепла (и конвекции), наличие
крупномасштабной начальной флуктуации, гипотезу
о взаимном усилении вихря и конвекции за счет тре-
ния о поверхность. Сложность этих теорий и на-
личие большого числа внешне задаваемых (фактиче-
ски подгоночных) параметров затрудняет использо-
вание указанных моделей для прогнозов [5].
Альтернативная теория основана на концепции
самоорганизации, а физическим механизмом, кото-
рый обеспечивает изменение режима конвекции и
возникновение мощных вихревых структур из мел-
комасштабной спиральной турбулентности, являет-
ся крупномасштабное вихревое динамо (обратный
каскад турбулентности) [6].
Помимо указанных выше, в ТЦ наблюдается це-
лый комплекс электромагнитных явлений, которым
пока не уделяется должного внимания специали-
стов. Например, были зарегистрированы исключи-
тельно сильные электростатические поля (105 –
106) В/м [7].
На важную роль электромагнитных полей об-
ращалось внимание давно [1], было накоплено
много экспериментальных данных [8,9], делались
попытки учесть электромагнитные взаимодействия
(ЭВ) и построить предварительные модели, напри-
мер, EMHD [10]. Роль этих взаимодействий в дина-
мике мощных вихревых структур исследована еще
недостаточно. В данной работе ЭВ рассматриваются
применительно к ТЦ в следующих целях : 1) обра-
тить внимание на совокупность экспериментальных
данных, не включенных в общепринятые развитые
модели; 2) показать роль магнитного поля в фор-
мировании мощных вихрей, в поддержании их ква-
зистационарной фазы и в закономерностях траекто-
рий движения. Это позволит в последующем по-
строить модели вихрей с учетом электромагнитных
процессов, как в макро-, так и в микромасштабах, а
также разработать предложения по эксперименталь-
ной проверке моделей и создать предпосылки для
анализа возможностей воздействия на формирова-
ние и динамику мощных вихревых структур в атмо-
сфере.
2. ФАКТЫ И НАБЛЮДЕНИЯ
Попробуем наряду с теми данными, которые хо-
рошо укладываются в известные теории (без учета
электромагнитных взаимодействий в вихревых
структурах), рассмотреть "странные" или кажущие-
ся случайными факты, а также факты, составляю-
щие "исключение из правил". Возможно, для приве-
денного ниже набора экспериментальных данных
тоже можно найти свою систему выводов, но, по на-
шему мнению, наиболее логично это реализовать на
основе модели вихря с учетом ЭВ. Начнем со стати-
стических характеристик тайфуногенеза [5]. Дли-
тельные наблюдения и учет количества ТЦ в аквато-
риях разных океанов приводит к следующим приме-
чательным результатам.
1) В Северном полушарии зарождается и разви-
вается в среднем в два раза больше ТЦ (от 4 раз в
1966 году до 1,5 раза в 1972 году), чем в Южном по-
лушарии. Если считать, что основную роль в фор-
мировании крупномасштабных вихрей играет сила
Кориолиса, то для осесимметричной Земли этот
факт выглядит несколько странным. Ссылаться на
распределение температуры океана непоследова-
тельно, поскольку в системе Земля – Солнце для
осесимметричной Земли, казалось бы, среднегодо-
вые вариации температуры в Северном и Южном
полушариях должны быть близкими друг другу.
Следовательно, как некоторая асимметрия распреде-
ления температуры океана, так и асимметрия в ста-
тистическом распределении ТЦ должны быть след-
ствием определенного единого фактора, нарушаю-
щего осесимметричность системы, связанной с Зем-
лей.
2) Совсем непонятной с точки зрения существу-
ющих теорий оказывается асимметрия Западного и
Восточного полушарий: в Восточном полушарии
число возникающих ТЦ в два раза больше, чем в
Западном полушарии (коррекции, связанные с раз-
ницей площадей океана и суши, не меняют положе-
ние дел). Снова следует вывод о существования
фактора, нарушающего симметрию теперь уже Вос-
точного и Западного полушарий Земли.
3) Привязка к температурным условиям на по-
верхности океана не может полностью определять
физику этих вихревых процессов. Так, на севере ТЦ
наблюдаются и выше 35° северной широты, а на юге
– нет. Поскольку среднее время существования ви-
хря около недели, а в течение даже намного больше-
го периода времени во многих частях океанов суще-
ствуют нужные температурные условия (отток энер-
гии должен начаться с поверхности), то странно, что
на юге ТЦ не возникают вовсе (сохранение высокой
температуры означает недостаточность одного этого
условия). Совершенно непонятным (в рамках тради-
ционных представлений) кажется полное отсутствие
ТЦ в нужной приэкваториальной зоне океана вблизи
Южной Америки и вблизи Африки со стороны Ат-
лантики. По регионам средние размеры ТЦ также
отличаются: тихоокеанские являются наиболее
крупными, а атлантические вихри несколько мень-
ших размеров, но с большей скоростью вращения
(встречаются также микротайфуны). И уж совсем
непонятно наличие полярных тайфунов в районе
Гренландии (правда, пока нет единого мнения,
тайфуны это или нет). В качестве начального им-
пульса для ТЦ не могут выступать и температурные
контрасты в зоне конвергенции, так как многие ТЦ
возникают в самой середине зоны пассатов с доста-
точно однородной воздушной массой.
4) Представление о том, что единственным ис-
точником энергии ТЦ является теплота конденсации
водяного пара, а механизм трансформации движе-
ний в вихревые, закрученные потоки обусловлен
трением о подстилающую поверхность океана, тоже
нельзя считать безусловно обоснованным. Часто ТЦ
даже при выходе на сушу существуют длительное
время, не говоря уже о том, что значительная часть
ТЦ "гибнет" над океаном. Не вполне понятно также,
каким образом "возникающее от поверхности" вра-
щательное движение в одном направлении может
перейти в часто наблюдаемое на большей высоте
вращение противоположного направления (антицик-
лон над тайфуном). Предположим, что эти явления
разные, с разными энергоисточниками и механизма-
ми генерации вращения. Тогда приходим к принци-
пиальному выводу о том, что и без прямого участия
океана (как термодинамически неравновесной сре-
ды) возможно зарождение, развитие и поддержание
крупных зон вращательного движения.
5) Если бы единственным энергетическим меха-
низмом поддержания вихря было прямое механиче-
ское потребление тепловой энергии от океана, то
должно происходить падение температуры по ходу
движения ТЦ от его переднего фронта к заднему.
Между тем наблюдаемое распределение температу-
ры (давления и ряда других параметров) в ТЦ ока-
зывается близким к осесимметричному. Следова-
тельно, должен существовать ранее не исследован-
ный "осесимметричный" механизм, перераспределя-
ющий энергию и поддерживающий тенденцию для
всех параметров вихря к установлению осесиммет-
ричного распределения. Здесь уместно отметить
следующее. Вполне естественно предположить, что
все устойчивые "вращательные" атмосферные вихри
(циклоны, антициклоны, тайфуны, смерчи) имеют
единую природу, т.е. порождаются одинаковыми
причинами. Действительно, они схожим образом
возникают и развиваются, относительно долгое вре-
мя существуют в квазистационарной фазе и переме-
щаются как единое целое, пересекая местности с
весьма разнообразным рельефом. Далее, не только
ТЦ могут переходить в обычный циклон, но возмо-
жен и обратный переход, когда субтропический цик-
лон переходит в ТЦ. Можно полагать, что эти вихри
управляются единым (негидродинамическим и не-
термодинамическим) механизмом, поскольку одной
силы Кориолиса (обусловленной вращением Земли
или наличием спиральности движения) совершенно
недостаточно для обьяснения структуры вихря. Су-
ществуют не только циклоны, но и антициклоны.
Смерчи (торнадо) иногда имеют антициклоническое
вращение и наблюдаются в разных частях Земли.
Опускание "хобота" смерча сверху вниз указывает
на то, что для генерации и усиления вихревого дви-
жения совершенно необязателен контакт аэродина-
мического течения с подстилающей поверхностью.
От критики существующих моделей ТЦ и их
неувязок с приведенными выше фактами перейдем
теперь к наблюдениям и предложениям, которые
свидетельствуют о существенной роли электромаг-
нитных процессов в динамике интенсивных атмо-
сферных вихрей.
1) Если посмотреть на карты магнитного поля
Земли В и сопоставить их с картой зарождения и су-
ществования ТЦ, то обнаружится удивительное сов-
падение: ТЦ отсутствуют в тех областях, где верти-
кальная составляющая Hz < 10-5 Тл (или дополни-
тельное условие отсутствия ТЦ: напряженность нор-
мального геомагнитного поля Hn < 3,2 – 10-5 Тл). Что
это, случайное совпадение или тот самый фактор,
нарушающий осесимметричность системы Земля в
атмосферных явлениях? Вспомним, что магнитная
ось не совпадает с осью вращения Земли, а наклоне-
на к ней на 11,5° и смещена от центра Земли на
1140 км в сторону Тихого океана (по-видимому, "ре-
вущие сороковые" на юге тоже связаны с указанным
обстоятельством, поскольку здесь магнитное поле
В достигает тех же величин, что и в областях тайфу-
ногенеза).
2) Наибольшая тангенциальная скорость ветра в
ТЦ наблюдается не вблизи поверхности Земли, а на
некоторой высоте. По-видимому, именно здесь, а не
у поверхности, действует основной механизм, вызы-
вающий генерацию циклонического вращения. За-
тем, начиная с некоторой высоты, включается дру-
гой механизм, приводящий к антициклоническому
вращению. При этом оказывается, что области дей-
ствия указанных механизмов близки к областям ло-
кализации зарядов противоположных знаков. Воз-
можно, этот неслучайное совпадение.
3) Странными, не осесимметричными являются
струи оттоков вверху ТЦ. Кроме того, их направле-
ние не является случайной функцией. Можно пред-
положить, что большое влияние на данные струи
оказывают заряженные частицы, стремящиеся дрей-
фовать к полюсам. В случае тихоокеанских тайфу-
нов образуются две симметричные струи: повиди-
мому, электрические заряды здесь "чувствуют" и
Северный и Южный магнитные полюса. В то же
время в атлантических ураганах, как правило, обра-
зуется только одна струя. Наверное, эта особенность
обусловлена относительной близостью Северного
магнитного полюса. К сожалению, пока нет данных
о преимущественных зарядах этих струй оттоков,
которые должны иметь избыточные заряды.
Таким образом видим, что учет электромагнит-
ных явлений в ТЦ и в других кризисных атмосфер-
ных процессах может прояснить все вышеизложен-
ные наблюдения. При этом на циклоническое вра-
щение вихря наибольшее влияние оказывает низко
лежащая (4 – 8) км отрицательно заряженная об-
ласть, а антициклоническое движение определяется
высоко лежащей (10 – 16) км положительно заря-
женной областью. Если возникающие заряженные
области действительно играют большую роль в фор-
мировании, поддержании и движении вращающихся
атмосферных образований, то более понятным ста-
новится и ряд других фактов. Например, циклоны
возникают чаще антициклонов потому, что более
плотной (расположенной ниже) отрицательной об-
ласти проще поддерживать вращение всей атмо-
сферной области в системе циклона, чем менее
плотной (вследствие большей высоты расположе-
ния) положительной области "раскрутить" систему
антициклона, а "организовать" меньшую по разме-
рам систему всегда проще. По этой же причине
средние размеры антициклонов оказываются
больше, чем средние размеры циклонов, поскольку
различен порог на размеры заряженных подсистем
для поддержания вращения. По-видимому, влага
способствует образованию отрицательно заряжен-
ной области, и потому над водной поверхностью
чаще возникают циклоны. Температура в "глазе" ТЦ
обычно повышена всего на (0 – 2)°C, а иногда эта
разность вообще незаметна, в то время как на высо-
те 12 км (местонахождение положительно заряжен-
ной области) повышение температуры достигает 10°
C и выше, то есть механизмы ТЦ не привязаны к по-
верхности.
Ось циклона или антициклона, как правило, не
вертикальна, а сильно наклонена к поверхности Зем-
ли. Напомним, что магнитное поле Земли также на-
клонено к поверхности, а из физики плазмоподоб-
ных систем следует, что заряженная область стре-
мится иметь ось вращения по магнитному полю. В
реальности наклон оси, прецессию и движение си-
стемы как целого определяют несколько факторов:
гидродинамическая вращающаяся подсистема (свя-
занная внизу с Земной поверхностью, а вверху с со-
ответствующим потоком) и вращающаяся заряжен-
ная подсистема, стремящаяся двигаться по законам
магнитной гидродинамики в самосогласованных
неоднородных электрическом и магнитном полях.
Именно поэтому чисто гидродинамические модели
не могут описать такие движения в атмосфере. В от-
личие от обычных циклонов в ТЦ, где одновремен-
но присутствуют две противоположно заряженные
области, ось практически вертикальна. Возможно,
данное обстоятельство обусловлено электрическими
силами, которые стремятся расположить противопо-
ложно заряженные вращающиеся области друг под
другом, симметризуя систему.
Одним из факторов, влияющих на уменьшение
размеров вращающихся образований в ряду тайфу-
ны – ураганы – торнадо, может являться увеличение
вертикальной составляющей магнитного поля Зем-
ли. Именно поэтому торнадо наблюдаются в основ-
ном в субтропиках и умеренной зоне (второй важ-
ный фактор для горизонтального размера торнадо –
движение в предгорьях, а не над океаном). Если
идея электромагнитной природы ТЦ верна, то долж-
на наблюдаться некоторая корреляция между появ-
лением дополнительных заряженных частиц в атмо-
сфере Земли и зарождением тропических депрессий
(возмущений).
Еще одно наблюдение. Вблизи экватора на до-
вольно низких высотах регистрируются высокоэнер-
гетические частицы. Если бы они имели космиче-
ское происхождение, то в результате отклонения
магнитным полем Земли их высыпания происходи-
ли бы ближе к полюсам. При отсутствие повышен-
ной радиоактивности земной коры остается предпо-
ложить, что такие частицы являются следствием
развития кризисных атмосферных процессов
(например, тайфунов). Процессы в ионосфере могут
оказывать активное влияние на тайфуногенез. Из-
вестно, например, что во время магнитных бурь
(или чуть позже) возникают отрицательные ионо-
сферные возмущения в области F2 (уменьшается от-
ношение концентраций n(O2) / n(N2), наблюдается
разогрев и падение концентрации электронов ne).
При этом такие возмущения отсутствуют в приэква-
ториальной области [11], усиливаясь для высоких
широт. Однако, иногда они наблюдаются только на
средних широтах. Должно наблюдаться и взаимно
обратное явление – отклики кризисных атмосфер-
ных процессов в ионосфере. Упомянем еще один
факт: торнадо часто наблюдается в предгорьях. Если
верно предположение о важной роли электромаг-
нитных процессов, то данный факт можно объяс-
нить наличием дополнительного истечения зарядов
от выпуклых высоких горных поверхностей непо-
средственно в область, содержащую заряды (грозо-
вое облако). В случае верности сделанных предпо-
ложений открывается перспектива не только лучше
прогнозировать зарождение, усиление и движение
изучаемых природных вихревых структур, но, воз-
можно, даже управлять различными стадиями их
развития и траекторией движения.
3. ПЛАЗМЕННАЯ МОДЕЛЬ ВИХРЯ И НЕ-
КОТОРЫЕ ОЦЕНКИ
Перейдем теперь к оценке электрических и маг-
нитных сил в ТЦ и описанию качественной модели
вихря в предтайфунной фазе. Известно, что плот-
ность электрического заряда в ТЦ может достигать
величин (10-9 – 10-4) Кл/м3, а электрические поля со-
ставляют: вертикальное Ez ~ (104 – 106) В/м [7,8], го-
ризонтальное Ey ≤ 104 В/м [9], причем наибольшие
поля наблюдаются в стене "глаза" ТЦ и в полосах
дождя. Соответственно, электрические силы, дей-
ствующие в каждом кубическом метре обьема
тайфуна, в среднем будут порядка Fe = qE ~ (10-5 –
102) Н. Магнитные силы Fm = qvB достигают значе-
ний до 10-5 Н. Оценим равновесную скорость, кото-
рую могут приобрести наночастицы льда радиусом
r с зарядом N. Приравнивая силы электрическую и
Стокса в достаточно реальном случае заряда, равно-
го заряду одной тысячи электронов, находящегося
на микронном кристалле льда, получаем скорость
50 м/с. Как видим, скорости наночастиц могут быть
довольно большими (тем большими, чем меньше их
размер).
Для сопоставления гидродинамических сил с
электромагнитными учтем, что заряженные области
достигают в радиусе сотен и тысяч километров для
ТЦ (и десятков километров для торнадо). При этом
силы трения определяются градиентами скоростей.
В результате абсолютные скорости ветра в ТЦ могут
достигать значительных величин. Оценим центро-
бежные силы Fc = mv2 /R: для скорости ветрового
потока v ≤100 м/с в стене "глаза" тайфуна с R =5 (мы
намеренно берем малый радиус, чтобы увеличить
центробежную силу) получаем силу Fc ≤2,6 Н/м3.
Силы Кориолиса имеют тот же порядок величины.
Для градиента давления с характерным размером L
имеем оценку ∇P ~ (1 км /L) ⋅ (δP /50 Гпа) ⋅ 5 Н/м3.
Далее плотность электрической энергии (как плот-
ность энергии заряженной области W1 = q ϕ / 2 , так
и поля W2 = ε E2/2 ) составляет по порядку ту же ве-
личину, что и плотность кинетической энергии вет-
ровых потоков в ТЦ. Таким образом, электромаг-
нитные силы сопоставимы с гидродинамическими и
должны учитываться при анализе динамики вихря.
Заметим еще, что уже обычная конвекция приводит
к восходящему потоку газа, поэтому для "нетри-
виальной" топологии движения в тайфуне нужен до-
полнительно только механизм создания и поддержа-
ния вращательного движения, которое может обес-
печиваться электромагнитными силами.
Чтобы понять, как и почему возникает враща-
тельное движение, напомним известное явление из
физики плазмы (так называемый L – H переход). В
плазменных устройствах самой различной конфигу-
рации часто возникает вращение плазмы с больши-
ми скоростями v ~ (0,2 – 0,8) vs , где vs – скорость
звука в плазме. Возникновение в присутствие маг-
нитного поля В вращения в квазинейтральной плаз-
ме обусловлено следующим [12]. Центробежная
сила по-разному действует на ионы и электроны
вследствие различия их масс. В какую бы сторону
относительно вектора В не возникло вращение, в ре-
зультате частичного разделения зарядов возникнет
электрическое поле E, направленное радиально, а в
скрещенных полях E, B возникает азимутальный
дрейф только одного направления и будет поддер-
живаться только вращение с частотой Ω || B. Разуме-
ется, подобное разделение зарядов является малым,
а электрическое поле слабым. Однако, если в систе-
ме есть избыток зарядов одного знака, то определяе-
мое им электрическое поле может быть значитель-
ным, а скорость установившегося вращения весьма
большой. При этом, несмотря на общий избыток за-
ряда одного знака, его радиальное распределение
может на некотором радиусе менять знак и могут
быть две области (вблизи оси и на периферии) с
разными направлениями вращения. Таким образом,
качественной моделью вихря может служить модель
частично ионизованной плазмы в магнитном поле.
Градиент температуры вносит дополнительный
вклад во вращение вследствие температурногради-
ентного дрейфа.
Для математического описания данной модели
можно воспользоваться как подходом магнитной
гидродинамики, так и кинетическим подходом. Если
интересоваться только стационарным решением, то
интеграл столкновений в кинетическом описании
будет тождественно равен нулю, и основная задача
состоит в нахождении стационарного распределения
частиц с учетом того, что среда является многофаз-
ной и многокомпонентнойя, а частоты вращения
компонент могут слегка отличаться друг от друга.
Далее по аналогии с [12], для развитой фазы ТЦ
можно записать стационарную систему интегродиф-
ференциальных уравнений, включающую электри-
ческое поле, эффективные потенциалы зарядов, ло-
кальные частоты вращения компонент, степень
ионизации ионов, силы вязкости, возмущения маг-
нитного поля, обусловленные токами в вихре, пере-
нос влаги и фазовые переходы пар – вода, закон Ома
для заряженных подсистем. Из уравнений видно,
что при наличии двух областей (с разными знаками
избыточного заряда) заряженные частицы вблизи
оси вращаются в сторону, противоположную заря-
женным частицам, удаленным от оси, т.е. имеем то-
рообразную структуру вихря, вблизи оси которого
может существовать область относительного зати-
шья ("глаз" тайфуна). Если же имеется только одна
сравнительно небольшая заряженная область (грозо-
вое облако), то получаем более быстрое цилиндри-
ческое вращение в одну сторону почти сразу от оси
(торнадо). Хотя при большой скорости вращения в
торнадо также возможно образование структуры
типа ТЦ с "глазом" посредине. Для очень мощного
ТЦ может реализоваться совсем экзотическая ситуа-
ция, когда внутри малой центральной заряженной
области происходит разделение зарядов и образуют-
ся две противоположно заряженные области. Такое
метастабильное состояние ТЦ с двумя "глазами" бу-
дет существовать, пока не произойдет релаксация
зарядов и останется один "глаз". К сожалению, из
качественного стационарного решения для пред-
тайфунной стадии, учитывая необходимые характе-
ристики атмосферы, можно численно оценить толь-
ко характерные скорости или адиабатическое пове-
дение в зависимости от некоторых параметров. Что-
бы рассмотреть сам процесс возникновения, роста и
установления ТЦ, а также поведение его в движении
(траекторию), нужно переходить к математическому
описанию явления в рамках последовательной
EMHD-теории.
Большой интерес представляет процесс органи-
зации мощной облачной структуры ТЦ (где сосредо-
тачивается значительное число зарядов). Здесь так-
же большую роль могут играть силы электромагнит-
ной природы. Вспомним, например, известное явле-
ние диэлектрофореза, когда на частицу действует
сила F = 0,5 ( ε1 - ε2 ) ∂E / ∂r, перемещающая частицу
с диэлектрической проницаемостью ε1 в среде с про-
ницаемостью ε2 в область более высокого значения
напряженности электрического поля. Поскольку ди-
электрическая проницаемость водяного пара, и уж
тем более воды и льда, существенно отличается от
диэлектрической проницаемости воздуха, то упомя-
нутая сила должна играть заметную роль в процессе
увеличения локальной влажности, скучивании обла-
ков к заряженной зоне и удержании облаков в еди-
ной структуре. В развитом ТЦ эта сила также при-
нимает участие в формировании движения частиц
(примеси, воды, пара, льда) к оси ТЦ (подток). Заме-
тим, что очень часто ТЦ возникают в океане над
островами. Это может быть связано с локально по-
вышенным зарядообразованием, связанным с
большей нагретостью земной поверхности в окру-
жении океана (увеличение испарения) и большей
турбулизацией ветровых потоков (сложный рельеф
поверхности островов). В результате действия всех
этих механизмов для ТЦ формируется следующая
структура заряженных областей (по высоте): между
положительно заряженной земной поверхностью и
отрицательным слоем тропопаузы вблизи земной
поверхности в центре ТЦ существует небольшая об-
ласть положительного заряда, далее на высоте (4 –
8) км находится наиболее существенная область от-
рицательного заряда, и, наконец, на высоте (10 –
16) км располагается область положительного заря-
да (заметим, что для торнадо практически отсут-
ствует в центре нижняя область положительного за-
ряда). Наличие вверху области положительного за-
ряда дает возможность образования над тайфуном
антициклона, что часто наблюдается.
В развиваемом подходе можно понять качествен-
но еще одно явление – образование спиральных по-
лос дождя в ТЦ. Сами по себе спиральные структу-
ры не являются неожиданностью, так как приближе-
ние частиц к центру происходит именно по спира-
лям. Значительная устойчивость спиральных полос
дождя определяется рядом факторов. Во-первых, в
полосах дождя наблюдаются повышенные поля и их
градиенты, что как уже указывалось, способствует
дополнительному "скучиванию" облачной структу-
ры (взамен выпадающих осадков). Во-вторых, уже
возникшие "зародыши" водяных капель и льда при-
водят к постепенному выпадению осадков именно в
этой области. В-третьих, фактически наночастицы
полос дождя ведут себя как пассивная примесь. Их
движение несколько отличается от движения возду-
ха в ТЦ (как правило, отстает от среднего
движения). В результате в полосы дождя собирается
значительно большее количество испаряющегося
водяного пара из тех ближайших секторов, где нет
дождя. Теоретически общее число полос дождя мо-
жет быть определено из баланса собранной (с
большей области) и сконденсировавшейся влаги и
количества осадков, выпавших в полосах дождя.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе сделана попытка систематизировать не-
которые дополнительные "странные" факты, остаю-
щиеся за пределами анализа в традиционных теори-
ях ТЦ. Основное внимание уделяется роли заряжен-
ных областей в формировании и поддержании вра-
щательных атмосферных явлений и роли магнитно-
го поля Земли в формировании несимметричной
структуры тайфуногенеза. Рассмотрена плазменная
модель крупномасштабного вихря для описания за-
рождения и последующей квазистационарной фазы
ТЦ.
ЛИТЕРАТУРА
1. R. Hare. On the Causes of the Tornado or Water-
spout // Am. J. Sci. Arts. 1837, v.2, p.153-161.
2. H. Riehl. Tropical Meteorology, McGraw-Hill,
1954, 346 p.
3. А.П. Хаин, Г.Г. Сутырин. Тропические цикло-
ны и их взаимодействие с океаном. Л.: Гидро-
метеоиздат, 1983, 271 с.
4. К.В. Оояма. Об основных проблемах теории и
моделирования тропических циклонов. М.:
Мир, 1985, 412 с.
5. Е.М. Добрышман. Некоторые статистические
характеристики и особенности тайфунов //
Метеорология и Гидрология. 1994, № 11, с.83-
99.
6. С.С. Моисеев, Р.З. Сагдеев, А.В. Тур и др. Фи-
зический механизм усиления вихревых возму-
щений в атмосфере // ДАН. 1983, т. 273,
вып. 12, с. 549-553.
7. T.C. Marshall, W.D. Rust. Electrical Structure
and Up-draft Speeds in Thunderstorms over the
Southern Great Plains.// J. Geophys. Res. 1995,
v. 100, p. 1001-1015.
8. B. Vonnegut. Electrical Theory of Tornadoes //
J. Geophys. Res. 1960, v. 65, p. 203-212.
9. R.A. Black, J. Hallet. Electrification of the Hurri-
cane. // J. Atmos. Sci. 1999, v. 56, p. 2004-2028.
10. E.Y. Krasilnikov. Electromagnetohydrodynamic
Nature of Tropical Cyclones, Hurricanes, and
Tornadoes. // J. Geophys. Res. 1997, v. 102,
p. 13571-13580.
11. А.Д. Данилов. Популярная аэрономия. Л: Гид-
рометеоиздат, 1978, 253 с.
12. S.N. Arteha. The Effects of the Rotation in Plas-
ma. // Phys.Plasmas. 1996, v. 3(8), p. 2849-2858.
УДК 533.9
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-110985 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:46:57Z |
| publishDate | 2003 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Артеха, С.Н. Гольбрайх, Е. Ерохин, Н.С. 2017-01-07T16:21:17Z 2017-01-07T16:21:17Z 2003 О роли электромагнитных взаимодействий в динамике мощных атмосферных вихрей / С.Н. Артеха, Е. Гольбрайх, Н.С. Ерохин// Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 4. — С. 94-99. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110985 533.9 Проблема зарождения, усиления и устойчивого существования мощных атмосферных вихрей типа тропических циклонов, ураганов и торнадо имеет как большое теоретическое, так и практическое значение. В настоящей работе сделана попытка с единых позиций взглянуть на эти кризисные явления с учетом важной роли электромагнитных сил. Рассмотрена электромагнитная модель тропических циклонов (ТЦ), включающая плазмоподобные подсистемы. Обращено внимание на целый ряд общеизвестных важных наблюдательных данных и дополнительных косвенных фактов, которые не объясняются общепринятыми чисто термодинамическими и гидродинамическими теориями ТЦ. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Нелинейные процессы О роли электромагнитных взаимодействий в динамике мощных атмосферных вихрей Article published earlier |
| spellingShingle | О роли электромагнитных взаимодействий в динамике мощных атмосферных вихрей Артеха, С.Н. Гольбрайх, Е. Ерохин, Н.С. Нелинейные процессы |
| title | О роли электромагнитных взаимодействий в динамике мощных атмосферных вихрей |
| title_full | О роли электромагнитных взаимодействий в динамике мощных атмосферных вихрей |
| title_fullStr | О роли электромагнитных взаимодействий в динамике мощных атмосферных вихрей |
| title_full_unstemmed | О роли электромагнитных взаимодействий в динамике мощных атмосферных вихрей |
| title_short | О роли электромагнитных взаимодействий в динамике мощных атмосферных вихрей |
| title_sort | о роли электромагнитных взаимодействий в динамике мощных атмосферных вихрей |
| topic | Нелинейные процессы |
| topic_facet | Нелинейные процессы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110985 |
| work_keys_str_mv | AT artehasn oroliélektromagnitnyhvzaimodeistviivdinamikemoŝnyhatmosfernyhvihrei AT golʹbraihe oroliélektromagnitnyhvzaimodeistviivdinamikemoŝnyhatmosfernyhvihrei AT erohinns oroliélektromagnitnyhvzaimodeistviivdinamikemoŝnyhatmosfernyhvihrei |