CC BY
107
/70 Civil SecurityTechnology, Vol. 13, 2016, No. 1 (47) УДК 533.6+519.63
Проблема предсказания и уничтожения смерча
ISSN 1996-8493
© Технологии гражданской безопасности, 2016
С.П. Баутин, И.Ю. Крутова, А.Г. Обухов
Аннотация
Рассмотрены вопросы, связанные с природными смерчами, часто приносящими большие разрушения и человеческие жертвы на территории Российской Федерации. Кратко изложена схема возникновения и функционирования смерчей, отвечающая газодинамическим эффектам, сопровождающим их движение. Даны ее математические и экспериментальные обоснования, а также рекомендации по раннему обнаружению смерчей и способам их уничтожения, в том числе на стадии разрушительного действия.
Ключевые слова: смерч; предсказание; уничтожение; математическое моделирование; эксперимент.
The Problem of Prediction and the Destruction of a Tornado
ISSN 1996-8493
© Civil Security Technology, 2016
S. Bautin, I. Krutova, A. Obuhov
Abstract
The problems associated with natural tornadoes, often bringing great destruction and loss of human life in the territory of the Russian Federation. Summarized scheme of the functioning of the tornadoes and corresponding gas-dynamic effects that accompany their movement. Given its mathematical and experimental studies, as well as recommendations for the early detection of tornadoes and their means of destruction, including at the stage of destructive action.
Key words: tornado; prediction; destruction; math modeling; experiment.
Смерчи как природное явление возникают довольно часто в теплых и ровных местностях, в том числе на территориях Российской Федерации. Они являются одним из опасных и разрушительных природных катаклизмов, ведущих к возникновению чрезвычайных ситуаций (далее — ЧС), сопровождающихся людскими и материально-техническими потерями. Поэтому проблема предсказания и уничтожения смерчей является довольно актуальной для МЧС России. Кроме того, важно иметь представление о схеме возникновения и функционирования смерча, отвечающей газодинамическим эффектам, сопровождающим его движение. Также необходимо развивать математические и экспериментальные обоснования возникновения и развития таких процессов, а также рекомендации по раннему обнаружению смерча и способам его уничтожения, в том числе на стадии разрушительного действия.
В [9-11] приведены примеры смерчей, ураганов и торнадо, наблюдавшихся на протяжении большого промежутка времени и приносивших значительные разрушения и человеческие жертвы. На рис. 1 даны фотографии с места Ильменской трагедии 14 июня 2014 г. в Челябинской области, во время которой погибло двое детей.
Различными вопросами смерчей многие исследователи занимались довольно долго (подробная библиография указана в [6]). Однако лишь в [2] предложена достаточно убедительная теория, объясняющая причины их возникновения, функционирования и
естественного исчезновения, подтвержденная экспериментально и путем математического моделирования. Только в [2] дан обоснованный ответ на главный вопрос: откуда и в какой элемент течения идет постоянное внешнее вложение энергии, обеспечивающее достаточно продолжительное существование смерчей — до нескольких часов.
Основными моментами возникновения и устойчивого функционирования смерча, впервые сформулированными в [2] и в последующем развитыми в [6, 7]), явились следующие.
Начальным движением при возникновении восходящего закрученного потока является вертикальное движение вверх теплого воздуха, вызванное локальным прогревом солнечной энергией участков ровной суши или водной поверхности и прилегающих к ним воздушных масс. На рис. 2а стрелками показан восходящий поток, а теплая часть поверхности Земли выделена жирно.
На смену восходящим объемам воздуха поступают новые. Эти новые объемы воздуха приходят в область восходящего потока снизу (рис. 2б). Так начинает образовываться придонная часть восходящего потока. Начальное придонное движение вдоль поверхности Земли имеет радиальный характер: от периферийных областей к основанию восходящего теплового потока со всех сторон. На рис. 2 в начальное радиальное движение в плоскости хОу изображено векторами скорости V отдельных частиц газа, а заштрихованный круг обозначает область восходящего теплового потока.
Рис. 1. Последствия смерча 14.06.2014. на озере Ильменском Челябинской области
Рис. 2. Возникновение конвективного потока и закрутки газа в его придонной части
/72 ^П SecurityTechnology, Vol. 13, 2016, No. 1 (47)
Но сразу из-за горизонтального движения воздуха в формирующейся придонной части благодаря действию силы Кориолиса возникает также и окружное движение. Это и называется закруткой газа. В случае Северного полушария закрутка газа идет в положительном направлении, т.е. против хода часовой стрелки, и в отрицательном направлении в случае Южного полушария. Эту ситуацию иллюстрирует рис. 2в, на котором F — векторы силы Кориолиса, действующие на материальные частицы, движущиеся со скоростями V к общему центру. Под действием силы Кориолиса каждая частица в случае Северного (Южного) полушария отклоняется вправо (влево) от направления своего движения. В результате этого в движущейся к некоторому центру сплошной среде и возникает закрутка в положительном (отрицательном) направлении Северного (Южного) полушария. Если восходящий поток и, следовательно, движение воздуха к его основанию, будет сохраняться долго, то вращение Земли через действие силы Кориоли-са закрутит воздух в придонной части восходящего закрученного потока до большой скорости. Но при этом подстилающая поверхность должна быть ровной, чтобы ее рельеф не разрушил закрутку воздуха в придонной части.
Переход от такого движения воздуха к самоподдерживающемуся устойчивому функционированию восходящего закрученного потока сопровождается следующим интересным визуальным эффектом (см. рис. 3).
Схема движения воздуха при образовании воронки изображена на рис. 4. В самой верхней части смерча, где вертикальная скорость движения воздуха наименьшая, имеет место и наименьший шаг винтового движения у восходящего вращающегося потока. Этот факт и максимальная высота восходящего потока приводит к тому, что в центре вертикальной части потока в этом месте давление воздуха имеет самое малое значение. Температура в облаке существенно ниже, чем в восходящем закрученном конвективном потоке, и, следовательно, давление там тоже ниже. Это и способствует появлению в этой части смерча воронки — зоны пониженного давления, даже по сравнению с давлением в средней части вертикального столба. Поскольку угловая скорость вращения потока с течением времени все время возрастает, то поэтому и центробежная сила внутри вертикальной части потока возрастает, а это, в свою очередь, приводит к дальнейшему опусканию вниз области пониженного давления. При этом основное движение воздуха вне этой воронки остается восходящим вверх и, естественно, закрученным. Как только эта воронка достигает подстилающей поверхности, то в нее из-за резкого возрастания перепада давления между внешним воздухом и воздухом в центральной части опустившейся воронки и начинает активно всасываться воздух, его скорость резко возрастает и начинается разрушительное действие смерча.
Рис. 3. Образование и опускание вниз воронки в смерче
Когда на смерч надвинется облако, как правило грозовое, то на границе с облаком в самой верхней части смерча возникает вращающаяся воронка, которая с течением времени опускается вниз (см. рис. 3). Многие исследователи полагали и полагают, что именно здесь и возникает закрутка воздуха в смерче, а не в придонной части. Но при этом никакого разумного объяснения своему выводу не приводили и не приводят.
Подробные наблюдения говорят о том, что восходящий закрученный конвективный поток воздуха уже сформировался к моменту образования воронки.
Рис. 4. Схема движения вниз области пониженного давления
Таким образом облако, надвинувшееся на вертикальную часть восходящего закрученного потока, часто исполняет роль «спускового крючка» для перехода к самоподдерживающейся стадии функционирования смерча, сопровождающейся разрушительным действием.
Поступление энергии на такое самоподдерживающееся восходящее закрученное движение воздушных масс происходит следующим образом:
1) вращение Земли закручивает газ в придонной части (рис. 5, слева);
2) закрутка газа передается в вертикальную часть потока и центробежная сила создает в окрестности оси вертикальной части зону пониженного давления
Рис. 5. Схема внешнего вложения энергии в смерче
(рис. 5, середина); 3) это, в свою очередь, приводит к возникновению эффекта «трубы с тягой» (рис.
5, справа), т.е. создает пониженное давление р1 в окрестности ее оси и создает эффект непроницаемых стенок, поскольку давление воздуха в вертикальной части восходящего закрученного потока на ее границе совпадает с давлением внешнего покоящегося воздуха р0; 4) снизу в «трубу с тягой», имеющей в центре пониженное давлениер1, вдавливается внешний воздух под действием силы тяжести, которая создает давление р0.
Из приведенной схемы течения газа в восходящем закрученном потоке следует, что в начальные моменты времени основную энергию на создание и поддержание восходящего конвективного потока дает Солнце. Вращение Земли приводит к возникновению закрутки воздуха и к увеличению с течением времени окружной скорости движения в придонной части. В дальнейшем для самоподдерживающегося режима функционирования смерча требуется перепад давления р0>р1, вызывающий поступление воздуха в смерч извне. Этот перепад давления обеспечивается вращением воздуха в придонной части смерча и силой притяжения воздуха к Земле.
Описанная схема согласуется с наблюдаемыми газодинамическими эффектами у смерча.
Научное обоснование предложенной схемы. Исследования восходящих закрученных потоков продолжаются как теоретически [1, 3, 8], так и экспериментально [4, 9]. Однако уже полученные результаты дают основание считать, что предложенная схема возникновения и устойчивого самоподдерживающегося движения смерча обоснована.И также верно указаны источники энергии на его возникновение и продолжительное существование. Обоснование схемы основано на доказательстве соответствующих математических теорем [2, 3, 6], на численных расчетах, в том числе трехмерных нестационарных течений [1,
6, 8] и на результатах экспериментов [4, 9].
Математическое моделирование течения газа в смерче ведется с использованием системы уравнений газовой динамики [12] и полной системы уравнений Навье — Стокса [6], в обеих системах учтено
действие сил тяжести и Кориолиса. В этом случае в системы уравнений в качестве постоянного сомножителя у нелинейных слагаемых входит О — модуль вектора угловой скорости вращения Земли.
Для системы уравнений газовой динамики — квазилинейной системы уравнений с частными производными гиперболического типа — рассмотрена начально-краевая задача о радиальном стоке в вертикальный цилиндр первоначального покоящегося в поле тяжести газа. Математически строго доказано, что если 0 = О, то есть если вращение Земли не учитывается, то в единственном решении рассматриваемой задачи закрутка газа не возникает. А если учитывать вращение Земли при ненулевом значении О, то в решении сразу при 1>0 возникает закрутка газа в нужную сторону.
Результаты численных расчетов от простых одномерных течений до самых сложных трехмерных нестационарных согласуются как с данными натурных наблюдений за смерчами различной интенсивностью [1, 2, 6-8], так и с данными экспериментов [4, 9]. В рассчитанных потоках окружная скорость растет до больших значений. На рис. 6 приведены мгновенные линии тока одного из рассчитанных течений в конкретный момент времени.
Возможность предсказания, обнаружения и уничтожения смерчей. Полученные результаты ис-
Рис. 6. Мгновенные линии тока одного трехмерного нестационарного течения
/74 См! SecurityTechnology, Vol. 13, 2016, N0. 1 (47)
следований и их совпадение с тем, что наблюдается и в природных условиях, и в экспериментах, позволяют высказать конкретные предложения по выявлению смерчей на ранних стадиях их образования и по уничтожению смерча с разумными энергетическими затратами.
Первый шаг по выявлению мест возникновения смерча — выявление тепловых пятен на ровной земляной или водной поверхности. Подобная технология уже реализуется МЧС России с помощью спутников для выявления пожаров.
Следующий шаг — анализ данных, необходимых для прогнозирования возникновения смерчей и возможных последствий: наличие или вероятность возникновения грозовых фронтов, близость населенных пунктов, большое скопление людей и др.
После получения информации о наиболее возможных и опасных местах возникновения смерчей следует провести детальное исследование выявленных мест, в том числе с помощью авиации, включая беспилотные летательные аппараты. Цель этого этапа — обнаружение восходящих конвективных потоков и закрутки воздуха вокруг них. Для такого диагностирования кроме визуального осмотра возможно использовать и оптические свойства воздуха с различными значениями его термодинамических параметров.
Естественно, что при обнаружении подобных потоков, чем раньше будут предприняты превентивные меры, тем меньше негативных последствий принесет выявленный воздушный поток. В качестве возможных превентивных мер можно указать на уничтожение приближающихся грозовых фронтов и (или) на уничтожение самого восходящего закрученного потока с помощью разрушения его вертикальной части. Представляется, что именно этот способ будет наиболее эффективен в борьбе со смерчем, в том числе достигшим разрушительной фазы.
В [2] был предложен один из способов борьбы с природными восходящими закрученными потоками. Позже этот способ был запатентован [5]: разрушить «внешние непроницаемые стенки» вертикальной части восходящего закрученного потока и тем самым изменить течение во всем восходящем закрученном потоке.
Кстати, человечество имеет положительный опыт борьбы с природными восходящими закрученными потоками подобным образом с применением корабельных пушек еще в XIX веке, что описано русским писателем И.А. Гончаровым в книге «Фрегат Паллада».
После разрушения «внешних непроницаемых стенок» внешний покоящийся воздух устремится в разрыв «стенки», поскольку внешнее давление р0 больше, чем давление р1 в центре вертикальной части восходящего закрученного потока на всем участке, где разрушены «стенки». На рис. 7 такое движение обозначено горизонтальными линиями со стрелками. В результате заполнения разорванной части восходящего закрученного потока внешним воздухом давление в ней станет практически равно внешнему давлению р0.
Рис. 7. Схема движения воздуха при разрушении вертикальной части смерчей
Тогда если в этой, заполненной извне, части и возникнет движение, то оно не будет обладать ни закруткой, ни вертикальной составляющей вектора скорости газа.
Поскольку воздух в вертикальной части восходящего закрученного потока движется вверх, то верхняя от места указанного воздействия часть потока будет продолжать двигаться вверх. Это движение будет освобождать все больше места для заполнения освобождающейся области внешним покоящимся газом и очень быстро захлопнется внешним воздухом (см. рис. 7).
На нижнем крае разрушенной «стенки» будет наблюдаться другая картина. Фактически возникнет ситуация, которая в газовой динамике называется распад разрыва. А именно, по одну сторону от этой поверхности разрыва — сверху — будет располагаться газ с одними значениями параметров, а по другую сторону от этой поверхности — снизу — будет газ с другими значениями параметров. При этом давление вверху будет больше, чем внизу. Не вдаваясь в детали известного в газовой динамике решения задачи о распаде разрыва [12], следует указать только на следующий факт. Чем больше значение давления сверху, тем вероятнее появление границы раздела, идущей вниз, на которой вертикальная скорость будет близка к нулю. Иначе говоря, чем больше разность указанных давлений, тем больше на границе разрыва будет тормозиться идущий вверх газ и тем быстрее область с заторможенным газом, отмеченная темным цветом на рис. 7, будет распространяться вниз. В итоге заторможенный газ закроет выход воздуха вверх из закрученной придонной части, и придонная часть из-за отсутствия стока газа вверх со временем сама перестанет вращаться из-за диссипативных процессов и взаимодействия с неровностями, находящимися на земной поверхности.
И, наконец, самый важный вопрос: какую энергию надо вложить, чтобы разрушить восходящий закрученный поток подобным воздействием? Представляется, что не очень большую. Во-первых, давление, которое надо преодолеть для разрушения «стенок», есть давление во внешнем воздухе, т.е. порядка всего одной атмосферы или даже меньше. Во-вторых, именно давление внешнего воздуха в месте разрушения «стенок» будет тормозить ту часть восходящего
закрученного потока, что лежит ниже места разрушения «стенок». Конечно, если это давление окажется недостаточным для торможения газа ниже места разрушения стенок, то одновременно с разрушением «стенок» необходимо будет соответствующим внешним воздействием увеличивать давление сверху от поверхности разрыва «стенок».
Следовательно, при указанном способе внешнего воздействия на вертикальную часть восходящего закрученного потока основная энергия потребуется на разрушение «стенок». А тормозить поток в целом будет давление внешнего воздуха, т.е. работу по уничтожению восходящего закрученного потока произведет сама природа.
Таким образом, практическая реализация описанных в данном сообщении подходов к предсказанию и уничтожению смерчей позволит более эффективно организовать работу МЧС России по предупреждению и ликвидации возможных последствий этих природных явлений. А развитие современных научных представлений о возникновении и функционировании смерчей, отвечающих газодинамическим эффектам, сопровождающим их движение, совершенствование математического моделирования возникновения и развития таких процессов будет способствовать еще большей эффективности указанной работы.
Литература
1. АбдубаковаЛ.В., Обухов А.Г. Численный расчет термодинамических характеристик трехмерного восходящего закрученного потока газа // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математические науки. Информатика. 2014. № 7. С. 157-165.
2. Баутин С.П. Торнадо и сила Кориолиса. Новосибирск: Наука, 2008, 96 с.
3. Баутин С.П. Математическое моделирование течения в вертикальной части восходящего закрученного потока // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52. № 2. С. 271-275.
4. Баутин С.П., Баутин К.В., Макаров В.Н. Экспериментальное подтверждение возможности создания потока воздуха, закрученного силой Кориолиса // Вестник УрГУПС. 2013. № 2 (18). С. 27-33.
5. Баутин С.П., Баутин П.С., Баутина А.С. Способ управления восходящим закрученным потоком воздуха для прекращения его движения. Патент РФ 2407281, МПК A01G15/00. Заявл. 2009114525 от 16.04.2009, опубл. 27.12.2010, Бюл. № 36.
6. Баутин С.П., Крутова И.Ю., Обухов А.Г., Баутин К.В. Разрушительные атмосферные вихри: теоремы, расчеты, эксперименты. Новосибирск: Наука; Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2013. 215 с.
7. Баутин С.П., Обухов А.Г. Математическое моделирование разрушительных атмосферных вихрей. Новосибирск: Наука, 2012. 152 с.
8. Баутин С.П., Обухов А.Г. Математическое моделирование придонной части восходящего закрученного потока // Теплофизика высоких температур. 2013. Т. 51. № 4. С. 567-570.
9. Вараксин А.Ю., Ромаш М.Э., Копейцев В.Н. Торнадо. М.: Физ-матлит, 2011. 312 с.
10. Наливкин Д.В. Ураганы, бури и смерчи. Географические особенности и геологическая деятельность. Л.: Наука, 1969. 487 с.
11. Наливкин Д.В. Смерчи. М.: Наука, 1984. 112 с.
12. Овсянников Л.В. Лекции по основам газовой динамики. М.; Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003. 336 с.
Сведения об авторах
Баутин Сергей Петрович: д. ф.-м. н., проф., Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС). 620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66. E-mail: SBautin@usurt.ru
Крутова Ирина Юрьевна: к. ф.-м. н., Снежинский физико-технический институт - филиал ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (СФТИ НИЯУ «МИФИ»), зав. каф. 456776, Челябинская обл., г. Снежинск, ул. Комсомольская, 8.
E-mail: IYKrutova@mephi.ru
Обухов Александр Геннадьевич: д. ф.-м. н., проф., Тюменский государственный нефтегазовый университет (ТГНГУ).
625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38. E-mail: aobukhov@tsogu.ru
Information about authors
Bautin Sergey P.: Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Ural State University of Railway Transport. 620034, Ekaterinburg, str. Kolmogorov, 66. E-mail: SBautin@usurt.ru
Krutova Irina Y.: Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Snezhinsk Physical and Technical Institute - a branch of the Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Professional Education "National Research Nuclear University "Moscow Engineering Physics Institute", Head of Department. 456776, Chelyabinsk region, Snezhinsk, str. Komsomolskaya, 8. E-mail: IYKrutova@mephi.ru
Obuhov Aleksandr G.: Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Tyumen State Oil and Gas University. 625000, Tyumen, str. Volodarsky, 38. E-mail: aobukhov@tsogu.ru
