Дерзкие мысли о климате

Верхоглядство, исходящее из предположения, что все изначальное элементарно и достаточно хорошо всеми изучено и не заслуживает особого внимания, видимо чаще всего подводит исследователя, возлагающего свои надежды на математику. Нечто подобное, мне кажется, случилось с изучением вихревого движения, составляющем основу наиболее грозных динамических явлений атмосферы. Наибольший интерес в познании природного вихря представляет его способность невероятно увеличивать, скорость ветра в зоне своего действия (до 300…400 км/ч) и способность рушить, поднимать и переносить по воздуху нередко все, что попадается на пути его сравнительно не быстрого (не более 15…20 км/ч) продвижения: дома, автомобили, вагоны и так далее.

Во всех встречающихся справочниках вихревое движение характеризуется одним основным явлением – движением жидкости или газа, сопровождающееся вращением частиц вокруг мгновенной оси и вращением слоев вихря со значительно отличающимися друг от друга скоростями. С этих отправных представлений начинается и каждое математическое описание вихревого движения. Но давайте не будем торопиться запрягать математику и посмотрим внимательнее, что же представляет собою вихрь. Обратимся к внешне простой задаче в свое время сформулированной А. Эйнштейном, а позднее повторенной академиком М. А. Лаврентьевым, но, похоже, так и оставшейся не решенной; почему в стакане с раскрученным чаем, чаинки собираются в центре дна стакана?

Мне представляется эта задача полнее решаемой, если обратить внимание на то, что в стакане возникает не только вихрь, но от него возбуждается еще определенное движение чаинок и, наконец, взаимосвязь между этими движениями дает дополнительный материал для усмотрения и понимания ряда событий, сопутствующих вихрю. Повернем спокойно ложечкой по кругу чай в стакане и посмотрим сначала, как образуется вихрь. По движению чаинок можно заметить, что чай не просто стал самостоятельно вращаться в стакане, но это вращение далее приобретает все более увеличивающуюся угловую скорость в приближении к центру стакана. Это и есть вихрь. Не сложно понять почему происходит ускорение вращения в центре стакана: внешний слой жидкости после раскручивания начинает тормозиться стенками стакана, но через мельчайшие вихри, образующиеся сначала между стенкой стакана и жидкостью, а затем между слоями жидкости, передает момент своего движения следующему внутреннему слою жидкого настоя чая. Тот в свою очередь и таким же путем передает момент движения (вращения) следующему внутреннему слою и так далее (рис. 18, а).

Ускорение вращения, то есть углового смещения внутренних слоев, происходит потому, что переданный им момент движения реализуется на вращение, но каждый раз по более короткому периметру окружности. Если мы теперь сопоставим скорость движения слоев вихря, то легко убедимся, что каждый слой, вращающийся по меньшему кругу, увеличивает не только угловую скорость вращения, но и линейную скорость движения относительно точек стенки стакана. Здесь создается тот же эффект изменения скоростей, который мы рассмотрели выше анализируя причины ускорения движения атмосферы при переходе воздушных масс в высокие широты Земли, получив новое объяснение причины возникновения струйных течений.

Рис. 18. Особенности развития вихря и спиралевидного движения посторонних масс в нём.

Согласно широко известной формуле длины окружности, где D – диаметр окружности, длина окружности уменьшается пропорционально уменьшению диаметра. Соответственно увеличивается и скорость вращения слоев жидкости с уменьшением диаметра окружности их вращения. Вместе с этим увеличивается и линейная скорость движения частиц вращающейся жидкости относительно стенок стакана. Если диаметр вращения уменьшается в 10 раз, то скорость движения частиц должна увеличиваться во столько же. На самом деле в вихре она увеличивается меньше из-за трения о стенки стакана.

И все же она действительно увеличивается, что наблюдается не только в стакане, но и в реальных вихревых движениях атмосферы в циклонах, смерчах, торнадо и тому подобных. И невозможно назвать иной причины ускорения ветра от обычной скорости 5… 10 км/ч до 300…400 км/ч, как порождением самой природы вихревого движения, тонкости которого еще нуждаются в специальном анализе.