Газоразрядная теория смерча
Пропонується електромагнiтний механiзм утворення смерчу. Смерч розглядається як контрольований прилипанням газовий розряд, що створюється в атмосферi сильним хмарним зарядом у присутностi геомагнiтного поля. Обертання середовища в ньому здiйснюється електромагнiтною силою Лоренца. Проведено розрахун...
Saved in:
| Date: | 2009 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8472 |
| 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: | Газоразрядная теория смерча / А. Г. Боев // Доп. НАН України. — 2009. — № 4. — С. 70-75. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860241687350083584 |
|---|---|
| author | Боев, А.Г. |
| author_facet | Боев, А.Г. |
| citation_txt | Газоразрядная теория смерча / А. Г. Боев // Доп. НАН України. — 2009. — № 4. — С. 70-75. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Пропонується електромагнiтний механiзм утворення смерчу. Смерч розглядається як контрольований прилипанням газовий розряд, що створюється в атмосферi сильним хмарним зарядом у присутностi геомагнiтного поля. Обертання середовища в ньому здiйснюється електромагнiтною силою Лоренца. Проведено розрахунок електричних, магнiтних i гiдродинамiчних полiв дозвукового вихору. Одержанi результати якiсно та кiлькiсно вiдповiдають даним спостережень.
An electromagnetic mechanism of the tornado formation is proposed. A tornado is considered as a gas discharge controllable by attachment which is created in the atmosphere by a strong cloudy charge in the presence of the geomagnetic field. The medium rotation is initiated by the electromagnetic Lorentz force. The calculation of the electrical, magnetic, and hydrodynamic fields of a subsonic whirlwind has been conducted. The obtained results correspond qualitatively and quantitatively to the observational data.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:30:13Z |
| format | Article |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
4 • 2009
ФIЗИКА
УДК 533.9.03,533.52
© 2009
А.Г. Боев
Газоразрядная теория смерча
(Представлено академиком НАН Украины Л.Н. Литвиненко)
Пропонується електромагнiтний механiзм утворення смерчу. Смерч розглядається як
контрольований прилипанням газовий розряд, що створюється в атмосферi сильним
хмарним зарядом у присутностi геомагнiтного поля. Обертання середовища в ньому
здiйснюється електромагнiтною силою Лоренца. Проведено розрахунок електричних,
магнiтних i гiдродинамiчних полiв дозвукового вихору. Одержанi результати якiсно
та кiлькiсно вiдповiдають даним спостережень.
1. Проблема понимания природы интенсивных атмосферных вихрей (смерчей, тайфунов),
механизма их образования и источников их разрушительной силы является одной из слож-
нейших в физике атмосферы. Учитывая огромный материальный урон, наносимый ими
ежегодно, эту проблему можно считать не только научной, но и общечеловеческой. Вместе
с тем, несмотря на многие усилия и обширный наблюдательный материал, накопленный
в течение почти двух веков, эта проблема до сих пор не решена.
Предлагаемый механизм предполагает одновременное существование трех элементов:
а) сильного плоского облачного заряда на периферии грозового облака; б) достаточно су-
хой атмосферы под ним; в) геомагнитного поля. При этом смерч рассматривается как
стационарный газовый разряд, контролируемый прилипанием, создаваемый в атмосфере
электрическим полем облачного заряда в присутствии геомагнитного поля. Токи, текущие
в плазме разряда, создают магнитные поля и электромагнитные силы (силы Лоренца), ко-
торые и приводят в движение атмосферу под зарядом. При этом появляется и вращающая
сила. Она пропорциональна вертикальной компоненте геомагнитного поля.
2. Смерч представляет собой часть грозового облака [1], поэтому в теле смерча при-
сутствуют и облачные капли. При вращении центробежная сила стремится выбросить кап-
ли на периферию, но этого не происходит, так как они останавливаются силой лобового
сопротивления (силой Стокса [2]), создаваемой встречным радиальным потоком воздуха,
сопровождающим вращение вихря. В результате капли начинают вращаться на некотором
расстоянии от оси вихря, образуя капельную стенку. Толщина ее определяется степенью
разброса капель по размерам. Внутренняя граница стенки RT , как показывают расчеты,
находится вблизи нулевого значения скорости радиального потока Vr(RT ) ≈ 0.
70 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №4
Капли заряжены [3], поэтому при вращении они создают конвективный азимутальный
ток jϕ = ρdVϕ (ρd — плотность капельного заряда в теле вихря, Vϕ — скорость вращения).
Таким образом, капельная стенка представляет собой капельный соленоид. Магнитное поле
соленоида внутри него постоянно и убывает до нуля на толщине стенки [4].
3. Математическая формулировка предлагаемого механизма включает в себя три свя-
занные между собой задачи: электрическую, магнитную и гидродинамическую. В рамках
электрической задачи на основе уравнения для электрического потенциала Φ
∆Φ + µ(~∇lnς · ~∇Φ) = −
4πρd,0
ε
, ~E = −~∇Φ,
µ ≡
ς∂ ln ς
∂ς
, ς ≡
E
p
, ε
(
E
p
)
6= 0
(1)
и балансовых уравнений для концентрации и температур частиц [5] находится электри-
ческое поле в плазме разряда и все ее параметры. В уравнении (1) E — напряженность
электрического поля; p — давление; ε — диэлектрическая проницаемость плазмы; ρd,0 —
плотность облачного заряда. При нормальном давлении уравнение (1) может быть линеа-
ризовано почти без ограничений на концентрацию заряженных частиц. В конкретных рас-
четах облачный заряд моделировался круглым бесконечно тонким заряженным диском.
Процесс прилипания [5] электронов к молекулам воды и кислорода, характерный для
атмосферы, допускает существование стационарного разряда лишь в достаточно сухой атмо-
сфере [6]. Кроме того, этот процесс характеризуется большим пороговым полем горения,
ниже которого разряд существовать не может. В неоднородном электрическом поле это
приводит к возникновению у разряда пространственных границ.
4. По найденным токам ставится и решается задача определения магнитных полей. В ци-
линдрической системе координат r, ϕ, z, связанной с осью вихря, она сводится к решению
следующих уравнений (jr = σEr, jz = σEz, jϕ = ρdVϕ, где jr, jz , jϕ — плотности токов,
σ — проводимость плазмы):
1
r
∂
∂r
(
r
∂Br
∂r
)
−
Br
r2
+
∂2Br
∂z2
=
4π
c
∂jϕ
∂z
,
1
r
∂
∂r
(
r
∂Bz
∂r
)
+
∂2Bz
∂z2
= −
4π
c
1
r
∂
∂r
(rjϕ), (2)
1
r
∂
∂r
(
r
∂Bϕ
∂r
)
−
Bϕ
r2
+
∂2Bϕ
∂z2
=
4π
c
(
∂jz
∂r
−
∂jr
∂z
)
,
1
r
∂
∂r
(rBr) +
∂Bz
∂z
= 0. (3)
Здесь Bz описывает поле капельного соленоида, азимутальное магнитное поле Bϕ определя-
ется токами проводимости и может быть очень большим (достигать значений сотен и тысяч
Гаусс). Кроме того, Bϕ может изменять знак в зависимости от расстояния до заряда. Это
связано со знакопеременностью правой части уравнения.
Компоненты силы Лоренца, действующей на плазму, находятся по следующим фор-
мулам:
Fr = −
1
c
jzBϕ, Fϕ = −
1
c
jr(B0 + Bz), Fz =
1
c
jrBϕ, (4)
где B0 — вертикальная компонента геомагнитного поля, азимутальная компонента Fϕ (вра-
щающая сила) строится с учетом магнитного поля капельного соленоида Bz. Следует отме-
тить, что радиальная Fr и вертикальная Fz компоненты силы могут менять направления
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №4 71
в зависимости от расстояния до заряда вместе с Bϕ. Например, радиальная компонента вда-
ли от заряда (h/a > 0,72, h — высота заряда, a — его радиус) приводит к сжатию плазмы
как в Z-пинче, а вблизи заряда — к разрежению ее.
5. Вихрь образуется в турбулентной атмосфере, поэтому в качестве уравнений движения
среды использовались осредненные уравнения гидродинамики с коэффициентом турбулент-
ной вязкости. Они анализировались в приближении пограничного слоя (∂/∂r ≫ ∂/∂z, Vr ≪
≪ Vz, Vϕ). При этом плотность среды в вихре задается следующим выражением:
ρ(r, z)
ρ∞(z)
=
T∞
T
[
exp
{
−γ
∞∫
r
M2
ϕ(t, z)
t
dt
}
+
∞∫
r
dx
p∞
jzBϕ
c
exp
{
−γ
x∫
r
M2
ϕ(t, z)
t
dt
}]
. (5)
Здесь ρ∞, p∞, T∞ — плотность, давление и температура вдали от вихря; γ = 1,4 — показа-
тель изэнтропы; Mϕ — вращательное число Маха, определенное по скорости звука в невоз-
мущенной атмосфере. Первое слагаемое в скобках описывает влияние центробежной силы,
второе — радиальной компоненты силы Лоренца. Центробежная сила приводит к разре-
жению среды всегда, сила Лоренца — лишь под невысоким облаком. Вращающая сила,
действующая на единицу массы среды, с учетом (5) и магнитного поля капельного соле-
ноида имеет следующий вид:
Fϕ
ρ
= −
jr
B0 +
4π
c
∞∫
RT
ρdVϕdr, 0 6 r 6 RT ,
B0 +
4π
c
∞∫
r
ρdVϕdr, RT 6 r 6 RE ,
0, RE 6 r < ∞.
cρ∞
T∞
T
[
exp
{
−γ
∞∫
r
M2
ϕ(t, z)
t
dt
}
+
∞∫
r
dx
p∞
jzBϕ
c
exp
{
−γ
x∫
r
M2
ϕ(t, z)
t
dt
}]
.
(6)
Интегралы в числителе описывают магнитное поле капельного соленоида. Верхняя стро-
ка в нем соответствует вращающей силе внутри капельного соленоида. Строки ниже — силе
в его стенке и вне границы разряда RE .
Анализ показывает, что сила (6) будет вызывать циклоническое вращение, если облач-
ный заряд отрицательный. Кроме того, вращение не возникает там, где отсутствует вер-
тикальная компонента геомагнитного поля, например, на магнитном экваторе. Далее, чем
быстрее вращается вихрь, тем больше становится вращающая сила, действующая на него.
Таким образом, здесь возникает ситуация, типичная для неустойчивостей. Под действием
такой силы вихрь будет раскручиваться, пока не схлопнется. Для существования стаци-
онарных вихрей, наблюдаемых в природе, сила (6) должна быть чем-то компенсирована.
И такую компенсацию частично осуществляет капельный соленоид. При отрицательных
каплях и определенной скорости вращения магнитное поле капельного соленоида уничто-
жает внутри него вертикальную компоненту геомагнитного поля, а вместе с ней и вращаю-
щую силу. В результате, внутри капельного соленоида возникает невращающаяся область —
ядро вихря. Вне ядра вращающая сила есть, но здесь она, вследствие радиальной неодно-
родности, компенсируется силой вязкости. Так возникает стационарный вихрь. Средняя
72 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №4
по сечению стенки скорость стационарного вращения его может быть оценена следующим
образом:
V ϕ ≈
cB0
2π|ρd,0|RT
. (7)
Здесь c — скорость света; ρd,0 — плотность облачного заряда. Для создания вихря со ско-
ростью вращения 100 ∼ 150 м/с, радиусом 10 ∼ 30 м, в магнитном поле (2 ÷ 5) · 10−5 Тл
необходима плотность облачного заряда ρd,0 ∼ 10−3 ÷ 10−2 Кл/м3. Эта величина на 3–5
порядков превышает обычно наблюдаемые в самолетных и зондовых измерениях флукту-
ации облачного заряда [3]. Это есть, по-видимому, одна из причин относительно редкого
появления смерчей на фоне большого числа гроз.
Расчет гидродинамических полей сводится к следующей системе уравнений (Vr, Vz —
радиальная и вертикальная скорости, p — давление, g — ускорение свободного падения).
В области ядра и вне его (0 6 r < ∞, 0 < z < h, радиальное и осевое движения):
1
r
∂
∂r
(rρVr) +
∂
∂r
(ρVz) = 0, Vr
∂Vz
∂r
+ Vz
∂Vz
∂z
=
Fz
ρ
+
ν̃
r
∂
∂r
(
r
∂Vz
∂r
)
,
где
Fz
ρ
≡ −
1
ρ
∂p
∂z
− g =
∞∫
1
dt
t
∂V 2
ϕ
∂z
, 0 6 r 6 RT ,
∞∫
r/RT
dt
t
∂V 2
ϕ
∂z
, RT 6 r < ∞.
(8)
На оси вихря (r = 0): Vr = 0, Vz < C. Вдали от вихря (r → ∞): Vr, Vz → 0. Вне ядра
(RT 6 r < ∞, 0 < z < h, вращение):
Vr
r
∂(rVϕ)
∂r
+ Vz
∂Vϕ
∂z
=
Fϕ
ρ
+ ν̃
∂
∂r
(
1
r
∂(rVϕ)
∂r
)
.
Скорость вращения должна удовлетворять следующим условиям:
B0 =
4π
c
∞∫
RT
|ρd|Vϕdr, Vϕ → 0, r → ∞.
Эффективный коэффициент кинематической вязкости имеет вид
ν̃ = νT exp
{
γ
∞∫
r
M2
ϕ(t, z)
t
dt
}
.
Здесь νT — кинематический коэффициент турбулентной вязкости. В случае дозвукового
вихря с тонкой капельной стенкой и линейной зависимости радиального тока проводимос-
ти от высоты эта система уравнений сведена к системе обыкновенных интегро-дифферен-
циальных уравнений, которая затем решалась численно. В разреженном ядре существует
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №4 73
медленное радиально-вертикальное движение, вне его — восходящее спиральное движе-
ние. Скорость вращения и скорость вертикального движения экспоненциально убывают при
удалении от границы ядра. При этом скорость вращения характеризуется более сильным
законом убывания, так как вращение, согласно (8), является источником вертикального
и радиального движений. В результате, на некотором расстоянии от стенки ядра имеется
интервал, где вращение почти отсутствует, а вертикальная скорость еще достаточно велика.
Это область каскада. Для соотношения компонент скоростей получаем:
Vz
Vϕ
≈ 0,3,
Vr
Vz
=
RT
2h
.
При решении этой задачи определяется радиус ядра RT и шаг спирального движения λ
в стенке вихря:
RT ∼ ν
1/2
T V −1/2
ϕ ,
λ
RT
≈ 1,86.
Для кинематического коэффициента турбулентной вязкости νT = 10 м2/с [7], высоты
заряда 500 м и скорости вращения Vϕ = 150 м/c получим: RT ≈ 39,2 м, Vz ≈ 43 м/с,
Vr ≈ 1,7 м/с.
Полученное распределение скоростей хорошо согласуется с картиной наблюдаемого дви-
жения в смерчах.
Согласно описанному механизму, возникновение и существование смерча определяется
следующими факторами.
1. Сильным (ρd,0 ∼ 10−3 ÷ 10−2 Кл/м3), относительно низким (h/a < 0,72) периферий-
ным облачным зарядом. Вихрь под отрицательным зарядом имеет циклоническое направ-
ление вращения.
2. Достаточно сухой атмосферой под зарядом и вертикальной компонентой геомагни-
тного поля B0.
3. Источником энергии вихря является облачный заряд. Электрическая энергия заряда
радиусом 1 км и толщиной 10 м имеет порядок 1012–1014 МДж, мощность, развиваемая им
в течение получаса — 5 · 108 ÷ 1010 МВт.
4. Среда приводится во вращение плазменно-геомагнитной силой Fϕ,0 = −jrB0/c, уве-
личенной радиальной компонентой силы Лоренца и центробежной силой.
5. Стационарный режим вращения вихря характеризуется образованием в нем капельно-
го соленоида, состоящего из вращающихся заряженных капель. Магнитное поле соленоида
уничтожает в центре вихря геомагнитное поле и вращающую силу, приводя к образованию
невращающегося разреженного ядра.
6. Положение границы ядра характеризуется нулевым значением радиальной скоро-
сти движения среды. Радиус ядра уменьшается с увеличением скорости вращения (RT ∼
∼ V −1/2
ϕ ), толщина капельной стенки определяется распределением капель по размерам.
7. Капли рассеивают свет и радиоволны, определяя видимый образ вихря. При малодис-
персном распределении капель вихрь представляется в виде тонкого кругового цилиндра.
В противном случае — в виде широкого кругового конуса.
8. Кроме вертикальных смерчей возможны и межоблачные (в том числе и горизонталь-
ные) вихри с аналогичными свойствами.
9. Смерч характеризуется сильными, достаточно слабо убывающими с расстоянием эле-
ктрическим и магнитным полями. Плазма разряда, образующего смерч, способна отражать
74 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №4
радиоволны сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Эти обстоятельства могут быть
использованы для диагностики смерчей.
10. Проведенный анализ и корреляция с наблюдательными данными позволяют тракто-
вать смерч как атмосферно-облачный газовый разряд.
1. Наливкин Д.В. Смерчи. – Москва: Наука, 1984. – 112 с.
2. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. – Москва: ГИТТЛ, 1953. – 788 с.
3. Имянитов И.М., Чубарова Е. В., Шварц Я.М. Электричество облаков. – Ленинград: Гидрометео-
издат, 1971. – 92 с.
4. Тамм И.Е. Основы теории электричества. – Москва: Наука, 1966. – 624 с.
5. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. – Москва: Наука, 1987. – 592 с.
6. Боев А. Г., Ясницкая Н.Н. Холодный атмосферный разряд // Вопросы атомной науки и техники.
Сер. Плазменная электроника и новые методы ускорения. – 2006. – № 5. – С. 142–145.
7. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. – Ленинград: Гидрометеоиздат, 1976. – 640 с.
Поступило в редакцию 07.11.2008Радиоастрономический институт
НАН Украины, Харьков
A.G. Boev
Gas discharge theory of tornado
An electromagnetic mechanism of the tornado formation is proposed. A tornado is considered
as a gas discharge controllable by attachment which is created in the atmosphere by a strong
cloudy charge in the presence of the geomagnetic field. The medium rotation is initiated by the
electromagnetic Lorentz force. The calculation of the electrical, magnetic, and hydrodynamic fi-
elds of a subsonic whirlwind has been conducted. The obtained results correspond qualitatively and
quantitatively to the observational data.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №4 75
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-8472 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:30:13Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Боев, А.Г. 2010-06-01T08:54:48Z 2010-06-01T08:54:48Z 2009 Газоразрядная теория смерча / А. Г. Боев // Доп. НАН України. — 2009. — № 4. — С. 70-75. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8472 533.9.03,533.52 Пропонується електромагнiтний механiзм утворення смерчу. Смерч розглядається як контрольований прилипанням газовий розряд, що створюється в атмосферi сильним хмарним зарядом у присутностi геомагнiтного поля. Обертання середовища в ньому здiйснюється електромагнiтною силою Лоренца. Проведено розрахунок електричних, магнiтних i гiдродинамiчних полiв дозвукового вихору. Одержанi результати якiсно та кiлькiсно вiдповiдають даним спостережень. An electromagnetic mechanism of the tornado formation is proposed. A tornado is considered as a gas discharge controllable by attachment which is created in the atmosphere by a strong cloudy charge in the presence of the geomagnetic field. The medium rotation is initiated by the electromagnetic Lorentz force. The calculation of the electrical, magnetic, and hydrodynamic fields of a subsonic whirlwind has been conducted. The obtained results correspond qualitatively and quantitatively to the observational data. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Фізика Газоразрядная теория смерча Gas discharge theory of tornado Article published earlier |
| spellingShingle | Газоразрядная теория смерча Боев, А.Г. Фізика |
| title | Газоразрядная теория смерча |
| title_alt | Gas discharge theory of tornado |
| title_full | Газоразрядная теория смерча |
| title_fullStr | Газоразрядная теория смерча |
| title_full_unstemmed | Газоразрядная теория смерча |
| title_short | Газоразрядная теория смерча |
| title_sort | газоразрядная теория смерча |
| topic | Фізика |
| topic_facet | Фізика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8472 |
| work_keys_str_mv | AT boevag gazorazrâdnaâteoriâsmerča AT boevag gasdischargetheoryoftornado |