Kirill Pankratov (neznaika_nalune) wrote,
Kirill Pankratov
neznaika_nalune

Categories:

Откуда берутся ураганы? (немного физики)



Учим матчасть (в дополнение к этому).


Для образования урагана необходимо несколько условий: тёплая поверхность океана (обычно больше 27 градусов и чем теплее, тем лучше), первоначальное возмущение в виде "закрутки" воздушного потока, отсутствие сильного вертикального градиента скорости ветра (который нарушает атмосферную конвективную ячейку) и удалённость от экватора по крайней мере на 10 градусов широты. Последнее условие, несмотря на то что у экватора может быть самая тёплая вода, необходимо для достаточной силы Кориолиса (из-за вращения Земли), которая играет чрезвычайно большую роль в атмосферной динамике и образовании ураганов. На экваторе горизонтальная компонента силы Кориолиса обращается в ноль, и динамика воздушных масс около экватора сильно отличается от остальной атмосферы. На этой странице показаны области возникновения ураганов в Атлантическом океане, с разбивкой по месяцам.

В принципе воздушные потоки всегда имеют тенденцию к образованию вихрей. На границе между двумя различными областями воздуха (или воды) развивается гидродинамическая неустойчовость - сначала эта граница становится "волнистой", потом на ней образуются вытянутые "петли", которые замыкаются и превращаются в кольца, отделяющиеся от основной струи. Подобные явления случаются и с океанскими течениями, например с Гольфстримом. На этой спутниковой фотографии показывающей температуру поверхности воды в Северной Атлантике во время прохождения урагана "Офелия" две недели назад, можно видеть как развивается неустойчивость Гольфстрима. По мере удаления от берега она проходит все стадии - от волн до оторвавшихся вихрей. Эти вихри, называемые "кольцами Гольфстрима" размером 200-300 км могут существовать несколько лет, и путешествовать по океану за тысячи километров практически не смешиваясь с окружающей водой. Описанное выше - чисто адиабатический эффект, без подпитки энергии.

Огромные вихри характерны не только для земных атмосферы и океана. Устойчивыми вихрями, подобными ураганам, являются и солнечные пятна, и знаменитое "Большое Красное Пятно" Юпитера (вот здесь и здесь более подробные фотографии его). Это "пятно" является ураганом размером с саму Землю и существует уже по крайней мере много сотен лет без принципиальных изменений формы и размера.

Но не всякий вихрь в земной атмосфере становится ураганом. Для превращения его в "Катрину" или "Риту" нужна термодинамическая "само-подпитка" которая создаётся в результате испарения тёплой воды и конвекции в центре вихря в верхние слои атмосферы. Первоначально возникнув, эта конвекция поддерживается за счёт следующего механизма: поднимаясь вверх, где окружающая атмосфера холоднее, часть растворённой влаги конденсируется. При этом выделяется тепло, воздух становится ещё легче и поднимается всё выше, достигая тропопаузы (границы стратосферы) и растекаясь в стороны. За счёт легкости тёплого воздуха создаётся область пониженного давления, в которую снизу устремляются новые воздушные массы. Сила Кориолиса (вызванная вращением Земли) при движении этих масс к центру урагана (его "глазу") раскручивяет воздух всё быстрее против часовой стрелки (в южном полушарии - по часовой стрелке). Ветер становится всё сильнее и это повышает испяряемость океанской воды (что ведёт к более интенсивной конвекции и т.д.). Таким образом создаётся положительная обратная связь приводящая к усилению устойчивой самоподдерживающейся атмосферной структуры - урагана.

Этот эффект усиления и самоподдержки возможен только в условиях тёплой поверхности океана - больше 26 градусов. В противном случае эффекта испарения недостаточно для преодоления диссипации энергии, расходующейся на турбулентную вязкость и образование океанских волн. Поэтому сила урагана зависит от температуры поверхости воды, через которую проходит его основное ядро (а эта сила, в свою очередь, влияет на его траекторию).

Общий размер урагана может превышать тысячу километров, но при этом центральная конвективная ячейка где идёт основное преобразование энергии, обычно составляет не более 10 км. Эта конвективная ячейка далеко не единственная: вокруг неё концентрическими кругами расположены другие конвекционные полосы, шириной всего в несколько километров. они тоже влияют на динамику урагана.


Как затухают ураганы?
Когда ураганы находятся на суше (или над холодным океаном), самоподдерживающийся механизм перестаёт работать и ураганы постепенно затухают. Главным образом это получается за счёт вязкости и трения о поверхность (т.е. качание деревьев и расбрасывание в стороны американских фанерных домов). Но есть ещё один важный механизм: излучение волн Россби. Это крупномасштабные, горизонтальные (и невидимые) волны, длина которых варьируется от сотен до тысяч километров, образуются за счёт вращения Земли и её кривизны (точнее, широтной зависимости проекции угловой скорости Земли на локальную горизонталь). Этот механизм вызван колебаниями завихренности частицы воздуха между её "собственной" и "планетарной" компонентой (более подробно я писал об этом при рассказе о траектории движения ураганов), подобно тому как волны на поверхности воды вызваны колебаниями энергии между потенциальной и кинетической составляющей. Волны Россби сильно анизотропны: они идут в основном в западном направлении. При движении любой атмосферный вихрь излучает эти волны, расходуя часть своей энергии.

Дополнительную информацию - можно почитать в Википедии

Subscribe

  • Павел Хлебников

    Большая статья в Ленте.ру про подзабытую уже историю убийства Пола Хлебникова, главреда русского издания "Форбса" в 2004-м году. Наш дантист…

  • Пятнадцать голых баб / резвятся у пруда

    К происшествию в Дубае. Ну как не вспомнить БГ

  • Африканские сказки - 1

    В комментариях к недавнему популярному посту Мы не скачем многие читатели придрались или попросили прокомметировать один абзац, который не был очень…

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 12 comments

  • Павел Хлебников

    Большая статья в Ленте.ру про подзабытую уже историю убийства Пола Хлебникова, главреда русского издания "Форбса" в 2004-м году. Наш дантист…

  • Пятнадцать голых баб / резвятся у пруда

    К происшествию в Дубае. Ну как не вспомнить БГ

  • Африканские сказки - 1

    В комментариях к недавнему популярному посту Мы не скачем многие читатели придрались или попросили прокомметировать один абзац, который не был очень…