Строительные исследования
страница - 0
МОДЕЛЬ ЗАРОЖДЕНИЯ ТОРНАДО И ПРОТИВОДЕЙСТВИЕ ЭТОМУ ЯВЛЕНИЮ
Карельский В. Г., Марин М.Ю. (latin@iht.mpei.ac.ru) Институт высоких температур РАН
В настоящее время усиливается понимание того, что Земля в целом представляет собой чрезвычайно сложную, динамичную и энергонасыщенную систему [1]. В этой связи все более актуальной задачей становится создание обобщенной физической модели атмосферы. Чтобы такая модель отвечала современным требованиям и представлениям, в ней необходимо учитывать термо-, электро- и гидродинамические механизмы атмосферных процессов, влияние солнечно-земных связей, унитарных геополей и их локальных возмущений, в том числе, техногенного характера. Имеющихся данных для создания подобной модели еще явно недостаточно, поэтому всестороннее исследование спектра атмосферных явлений остается наиболее интересной и слабоизученной проблемой современной геофизики.
В частности, многочисленные катастрофы, вызванные смерчами - торнадо, постоянно привлекают к этому явлению внимание ученых и специалистов. Однако, несмотря на все усилия исследователей, торнадо до последнего времени остается чрезвычайно опасным и загадочным природным феноменом.
В настоящей статье авторы предлагают для обсуждения собственные подходы к описанию процессов зарождения торнадо с учетом электромагнитных сил и рассматривают некоторые возможности противодействия этому опасному явлению.
1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
Мы не останавливаемся на феноменологии торнадо, подробно описанной в многочисленных публикациях. Любое обобщение наблюдений за этим феноменом в полной мере демонстрирует его необычную сущность.
События, подобные возникновению торнадо, являются лишь звеном в чреде взаимосвязанных атмосферных процессов. Истинную роль, которую играет атмосферное электричество в этих процессах, еще предстоит разгадать. В силу определенных причин (в том числе еще до конца не исследованных и непонятных) накопление электрических зарядов в атмосфере происходит неравномерно и сопровождается их разделением по полярности. Как показывают многочисленные метеонаблюдения, локализация атмосферных зарядов (в том числе, формирование грозовых облаков) происходит в областях
с наибольшим содержанием влаги [2]. Установлено также, что возникновение торнадо находится в прямой зависимости от развития исключительных по мощности грозовых процессов.
Многочисленные эксперименты по измерению электрических полей в атмосфере представлены в обобщенном виде В. Мучником [3] и Н. Красногорской [12]. В этих монографиях приведены результаты измерений, показывающие наличие в атмосфере областей локализации объемных электрических зарядов различной полярности (с плотностью заряда до 10-6 Кл/м3) и значительных градиентов электрического поля (до 106 В/м) в вертикальном и горизонтальном направлениях.
Однако, как отмечают сами исследователи, измерение структуры полей является сложной задачей даже в стационарных условиях. Проведение подобных измерений во время полета самолета или аэродинамического зонда, в динамичных натурных условиях еще более проблематично и не обеспечивает необходимой точности. Поэтому имеющейся информации об электрическом строении атмосферы явно недостаточно для решения важнейших научных и практических задач.
Для объяснения причин возникновения торнадо в настоящий момент используются как термо- и гидродинамические модели процессов в атмосфере [4], так и электрогра-видинамическая (ЭГД) теория Хевисайда [5]. Однако, в первом случае гидродинамическая модель устойчивости атмосферных вихрей позволила только объяснить образование смерчей, возникающих в восходящих потоках нагретого воздуха - "пыльных дьяволов", но такой подход не привел ни к достаточно глубокому пониманию проблемы торнадо, ни к реальным возможностям ее решения.
Предлагаемая ЭГД-теория Хевисайда, несмотря на привлекательность используемого теоретического аппарата, пока не имеет реального подтверждения и не дает никаких практических результатов.
Можно уверенно утверждать, что возможности существующей системы фундаментальных знаний для описания атмосферных феноменов еще далеко не исчерпаны. Это подтверждает, например, статья Е. Красильникова [6], где продемонстрирован подход к проблеме возникновения тропических ураганов и торнадо на основе известных законов электромагнитогидродинамики (ЭМГД). В этой статье показано, что одной из причин возникновения торнадо может служить взаимодействие электрических и магнитных полей с электрически заряженной средой материнского облака. В пользу такого подхода говорят многочисленные наблюдения, которые свидетельствуют о протекании интенсивных электрических процессов в воронке торнадо и вблизи неё [7], [8].
Измерения электрических параметров атмосферы и различные природные явления, например, "сухие грозы" и грозы во время снегопадов свидетельствуют о протекании активных электрических процессов в самых различных условиях, при различных состояниях атмосферной влаги. С учетом этого одним из подтверждений участия элек-
тромагнитных сил в образовании торнадо могло бы служить возникновение воронки в отсутствии материнского облака. И такие факты существуют. Так, например, в обзоре работы [5] приведено описание случая возникновения воронки над морем при ясной погоде. При этом материнское грозовое облако сформировалось сразу после образования смерча.
Разработка физически непротиворечивой модели, учитывающей ЭМГД-механизмы, для описания различных атмосферных явлений, включая торнадо, начаты сравнительно недавно, но уже сейчас данный подход позволяет вести поиск эффективных средств противодействия этим явлениям. С этой целью попытаемся проанализировать некоторые атмосферные ЭМГД-процессы, которые могли бы способствовать зарождению торнадо.
2. МОДЕЛЬ ЗАРОЖДЕНИЯ ТОРНАДО
Авторы предлагают следующую модель зарождения торнадо.
Важную роль в образовании торнадо играют особо возмущенные участки атмосферы, в которых искажения электрического поля достигают критических значений. Для определенности рассмотрим возникновение в атмосфере локальных областей с предельными градиентами поля, сопоставимыми по величине с напряжением пробоя воздуха. Об обнаружении в атмосфере подобных областей Имянитовым и Лободиным упоминается в [3]. Будем называть такие области экстремальными. Среда в них может оказываться в сильно неравновесном состоянии и испытывать многообразные изменения, сопровождаемые интенсивными перемещениями масс и объемных зарядов. Интерес представляют естественные процессы, приводящие к возникновению критических значений градиента потенциала электрического поля не только по вертикали (что является нормальным предгрозовым признаком и может длительное время не нарушать равновесных условий), но и в горизонтальном направлении. Проанализируем возможные ситуации с этой точки зрения.
Расчет неравномерности электрического поля однородных и поляризованных облаков, представленный Н. Красногорской [12], проводился для неподвижного облака и давал значения градиентов поля по вертикали, удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными измерениями. Однако в горизонтальном направлении результаты расчетов не имели ничего общего с измерениями, выполненными различными авторами, например, Филипсом и Кинцером (по данным, приведенным в [3]) или Фитцджеральдом [2] при облете грозовых облаков. Это расхождение можно объяснить помехами, возникающими при измерениях напряжения поля в условиях экспериментов, а также большой неравномерностью распределения объемного заряда реального облака.
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3] [стр.4] [стр.5] [стр.6]