CC BY
59
Сер. 4. 2009. Вып. 4
ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
УДК 551.51 С. Л. Васильев
ПОЛНАЯ ТЕОРИЯ РЕГУЛЯРНЫХ ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР
Введение. Среди нерешённых фундаментальных проблем классической физики турбулентность, несомненно, является старейшей. О турбулентности известно не более чем в начале 19 века, когда Л. Навье вывел уравнения, описывающие течение жидкости и газов. Такое положение нельзя не признать совершенно необычным, если принять во внимание гигантский прогресс, достигнутый с тех пор в понимании структуры материи и Вселенной, тем более, что гидродинамика была и остаётся областью науки, легко доступной для эксперимента [1—5].
Современные представления о термодинамическом режиме вихревых образований отражены вероятностно-статистическим методом описания турбулентности, как стохастических, нерегулярных структур с осреднением линейного масштаба и периода. Аналитические исследования движений жидкости и газа с целью поиска обобщённого решения открыли проблему адекватности уравнений Навье-Стокса.
В частности, результаты исследований отечественных авторов, прежде всего,
О. А. Ладыженской и И. А. Кибеля позволяют сформулировать в базисе второго начала термодинамики теорему об адекватности уравнений Навье-Стокса: «Движения вихревых структур генеративно-диссипативных процессов в открытых сложных динамических системах трёхмерны и носят регулярный характер».
Полагая, что формальный математический аппарат достаточно развит, отнесём поиск общего решения задачи к области физики. Показано, что исходные уравнения описывают резонансные состояния в движении вихревых структур генеративнодиссипативного процесса; это стало возможным благодаря открытию эффекта турбулентного трения. Согласно которому вихревое образование смещается относительно точки заторможенности наибольшей по модулю тангенциальной составляющей вращения (область наибольших значений касательных напряжений), и скорость и направление перемещения закономерно изменяются в зависимости от соотношения потенциалов сил, действующих на динамическую систему «вихрь - внешний ветер» [6-22], рис. 1.
Генерация и диссипация - единый процесс превращений кинетической энергии в атмосфере, протекает с постоянной скоростью. Генеративный каскад сопровождается удвоением масштаба и периода, диссипативным делением. Масштаб и период в собственном фазовом пространстве регулярной вихревой структуры обусловлен значением потенциала возмущающего импульса.
Все аналитические решения задач турбулентности, полученные в базисе представлений о «среднем масштабе и периоде», в стохастическом процессе могут быть представлены как дифференциальные формы движения в собственном фазовом пространстве регулярной вихревой структуры.
Показано, что процесс циклогенезиса - это результат функциональной сопряжённости геофизических полей, а климат - ни что иное, как долговременные, цикличные пространственно-временные вариации циклогенезиса.
© С. Л. Васильев, 2009
__ _ Деформация сдвига в поле
_ внешнего ветра
>
Вектор перемещения циклонического вихря
Антициклонический вихрь
Рис. 1. Кинематическая схема эффекта турбулентного трения
Исходные положения.
1. Рассмотрим движение атмосферы как процесс высвобождения энергии неустойчивости, в результате которого образуется анизотропность в поле давления и температуры:
Р = рКТ. (1)
2. Согласно теореме Бьёркнеса [3, 4] пересечение поверхности T = const P = const, р = const T = const приводит к вихреобразованию. Как показали лабораторные эксперименты, вихрь обладает устойчивостью и во многом напоминает упругое тело [3, 4].
3. Циркуляция скорости вдоль произвольного контура [3, 4], а, следовательно, и вдоль круговых линий тока в вихревом образовании по определению теоремы Кельвина:
5C = q5A, (2)
где q - вектор конвективного движения, нормальный xy; 5A = bxby - элемент площади, охваченной циркуляцией.
4. Вертикальные (конвективные) движения развиваются по адиабатическим законам; процесс протекает без теплообмена с окружающей средой (по определению).
5. Элементарные восходящий и компенсирующий нисходящий объёмы воздуха взаимосвязаны и представляют собой элементарный динамический модуль [14] (рис. 2).
6. Турбулентное трение - работа «элементарного модуля», вихревого образования против сил вязкости.
7. Динамический потенциал элементарного модуля - q+, q- - определяется энергией неустойчивости, значение которой вычисляется с использованием известного уравнения стратификации [3, 4].
8. Долгопериодное движение воздушной массы и связь скорости с полем давления описаны геострофическим соотношением [3, 4]:
z —* /
Jx' 1 У
Jг /^0 т+
И ; " J x
Рис. 2. Элементарный динамический модуль (ДМ):
— восходящий и нисходящий потоки; соответственно, Ус — внешний ветер
V2
1
1 <9р
2юг sin ф 2ю sin ф р dr1
(3)
где V± - циклострофический ветер (по касательной к круговой изобаре), ю - угловая скорость вращения Земли, ф - широта места, р - плотность воздуха, Р - давление; г - радиус круговой циркуляции.
9. Движение воздуха у поверхности Земли начинается на верхней границе «слоя шероховатости» [3, 4], «свободная конвекция» начинается с высоты 10 м в средних широтах и 20 м в тропической зоне [3, 4, 14].
10. Абсолютное движение воздушной массы является результатом векторной суммы всех сил, действующих на открытую сложную генеративно-диссипативную динамическую систему - атмосферу Земли [3, 4, 14, 16, 22].
Дорожка Кармана. На рис. 3 представлен фрагмент космического фотоснимка облачности в северном полушарии. На рис. 4 - известная регулярная вихревая структура - «дорожка Кармана» при числах И,е = 100. Согласно закону сохранения массы присутствуют J+ - активный восходящий поток и .1- - компенсирующий нисходящий поток.
Рис. 3. Фрагмент космического фотоснимка облачности в северном полушарии Земли
Рис. 4. Графический анализ дорожки Кармана: 1 - линии тока; 2 - аттрактор (движение)
Теорема 1. Не трудно убедиться, что организованная переносом облачная структура абсолютно совпадает по форме с «дорожкой Кармана». Это обстоятельство позволяет заключить, что мы имеем дело с рядом однородных объектов. Ряд однородных объектов - вихревых образований - характеризуется тем, что на всём пространственно-временном масштабе сохраняется действие всех физических законов.
Возьмём в качестве адекватной аналоговой физической модели вихревую регулярную циркуляцию в безразлично стратифицированной жидкости с избыточным возмущающим импульсом, развивающуюся за погружённым в движущуюся жидкость телом.
С этой целью фотографическое изображение вихревой дорожки повернём на 180° вокруг оси х. При этом вектор силы тяготения переориентируется вверх по отношению к горизонтальному движению, что позволяет рассматривать жидкость как неустойчиво стратифицированную среду - аналог атмосферной конвекции.
На основе анализа линий тока выделен аттрактор вихревых структур. В левой части снимка «стартовый» активный вихрь смещается по направлению аттрактора вправо. Приближаясь к точке перегиба, вытесняется к внешнему потоку, получает дополнительный импульс, увеличивается по размеру вдвое и отклоняется влево. При следующем переходе вдоль оси х картина повторяется. В случае внешнего потока и вихревого возмущения под действием вынужденной конвекции, согласно «исходным положениям» 2, 3, 4, 6, 9:
Теорема 2. Вихревое образование смещается относительно точки заторможенности (динамического равновесия) наибольшей по модулю тангенциальной составляющей вращения, а скорость и направление перемещения закономерно изменяются в зависимости от потенциалов сил действующих на динамическую систему вихрь - внешний поток (течение) [6-22], рис. 1.
Теорема 3. Согласно «исходным положениям» 3, 5, 7 представим сумму векторных полей действующих сил как движение воздушной массы и динамического модуля, в котором высвобождается энергия неустойчивости (конвекция) [13, 14, 16-18]. Сложение векторных полей динамического модуля (ДМ) и внешнего ветра (Ус) приводит к удвоению масштаба ДМ и периода, как по горизонтали, так и по высоте от слоя к слою. Уравнение циркуляции для каждого слоя, примет вид
где т - период, п = 1,2,4,8,16... - волновое число, А = АхАу - сечение потока, р - плотность.
Согласно теории Флоке [1] в неустойчивых системах возбуждение наиболее эффективно, когда оно происходит каждые полпериода: частота равна половине частоты возбуждения (период равен удвоенному периоду) - субгармоническая неустойчивость.
Отсюда следует
Теорема 4. Процесс высвобождения энергии неустойчивости в атмосфере протекает по адиабатическим законам и носит регулярный вихревой характер предельных субгармонических каскадов.
По данным А. С. Монина и Г. С. Голицына, мелкомасштабная турбулентность в приземном слое характеризуется максимумом спектральной плотности с периодом колебаний т = 1 мин, что соответствует масштабу горизонтальных турбулентных неоднородностей Ь = й-х = 600 м [5]. Турбулентность мезометеорологического масштаба соответствует периоду т = 20 мин, а линейный размер неоднородностей порядка эффективной толщины атмосферы Н =10 км [5]. Известно, что наибольший контраст вертикальных градиентов температуры отмечается на высоте « 600 + 800 м [5]. Примем высоту 600 м за верхнюю границу слоя с волновым числом п =1. Следуя выше изложенному принципу (Флоке и эффект турбулентного трения), проинтегрируем по вертикали ДМ, сопоставим результаты интегрирования и стадии развития конвективных облаков (по морфологической классификации) [3, 4], табл. 1.
т
Рис. 5. Диаграмма динамически неустойчивых состояний в регулярных вихревых структурах свободной атмосферы
Таблица 1
Пространственно-временные соотношения ДМ по стадиям развития конвекции
п t, мин г, м Предельная стадия развития конвекции в слое Примечания
16 ~ 16 ~ 9600 Cb, Cbinc кучево-дождевые, грозовые
8 8 4800 Си cong мощно-кучевые
4 4 2400 Си med кучевые
2 2 1200 Си hum облака хорошей погоды
1 ^ 1 ^ 600 приземный слой
Теорема 5. На рис. 5. показана диаграмма неустойчивых состояний в развивающейся регулярной вихревой структуре предельного фазового пространства в условиях избыточного возмущающего импульса 7 +. Направление абсциссы указывает на процесс генерации кинетической энергии в вихревой структуре. Обратное направление соответствует состоянию диссипации кинетической энергии. Согласно закону четырёх третей Ричардсона-Обухова этот процесс протекает с постоянной скоростью. Поэтому, следуя закону сохранения массы, можно утверждать, что процесс генерации кинетической энергии в атмосфере так же протекает с постоянной и такой же скоростью. Процесс генерации сопровождается удвоением масштаба и периода, а диссипации - делением масштаба и периода на 2.
Скорость превращений кинетической энергии в атмосфере постоянна.
Генерация и диссипация суть единый процесс превращения кинетической энергии в сложной открытой динамической генеративно-диссипативной системе, какой является атмосфера Земли, и он носит каскадный характер [6-22].
Уравнение стратификации. Критерий устойчивости воздушной массы определяется [6] по известному уравнению стратификации
У~Ув _ <; ш1
Уа~У~ > ШГ {Ь)
где у - температурный градиент в воздушной массе, ув - температурный градиент в восходящем потоке, уа - температурный градиент в нисходящем потоке, АТ - площадь сечения восходящего потока, А^ - площадь сечения нисходящего потока, юТ, - вер-
тикальные скорости в нисходящем и восходящем потоках, соответственно.
В ДМ, как это было показано выше, АТ и А^, юТ и равны. Тогда уравнение стратификации для ДМ перепишем:
-—— < 1 (стратификация устойчивая), (6)
Та — У
У — Ув
----- > 1 (стратификация неустойчивая). (7)
Та — У
Предел между устойчивостью и неустойчивостью зависит не только от вертикального градиента температуры, но и от кинематики движения [6, 7]. Так, под действием эффекта турбулентного трения на противоположной от точки компенсации периферии вихря (^у(р'и) > 0) создаются преимущественные условия для развития следующей конвективной ячейки и т. д. Образуется гряда облаков. Величина площади, охваченной процессом высвобождения энергии неустойчивости, зависит от спектральной плотности вихревых образований в приземном слое. Как отмечалось ранее, турбулентные вихри могут развиваться как снизу вверх, так и сверху вниз [6-22]. В условиях, когда вихри развиваются сверху вниз, обратная неустойчивость определяется соотношением
« 1. (8)
Та - У
Резонансное состояние - смерчи, торнадо, тропические циклоны представляющие особый интерес, как менее изученные и трудно прогнозируемые, - определяется соотношением
1^1 = 1. (9)
Та - У
В этом случае восходящий и нисходящий потоки в ДМ синхронно и активно развиваются.
В тропическом циклоне закрученные гряды конвективных облаков совмещаются в центре компенсирующими потоками, что собственно и вызывает резонансное состояние, которое поддерживается горизонтальной конвергенцией, создающей избыток массы в верхней тропосфере [6-22].
Безразличное равновесие определяется соотношением
7 ~ 75 = ±0. (10)
Та - У
Состояние малоградиентного барического поля, в котором способны развиваться как восходящие потоки, так и нисходящие, в зависимости от притоков (дневной прогрев,
ночное выхолаживание). Так, например, радиационный туман при дневном прогреве
приподнимается в виде низкой слоистой облачности.
Натурный эксперимент. С целью проверки на существование в естественных условиях эффекта турбулентного трения на примере конвективных облаков развитых форм использовался метод активного воздействия на микроструктуру в конвективном и нисходящем - компенсирующем потоках льдообразующим реагентом гетерогенной кристаллизации - йодистым серебром AgI.
Рис. 6. Изменение интенсивности осадков (в условных единицах) при динамических переходах:
1 — (а ^ Ь ^ с); 2 — естественный процесс; 3 — (с ^ Ь ^ а); 4 — (с ^ а); ^ — момент воздействия при переходе 4
Рабочая гипотеза: искусственное изменение направленности переходов динамических состояний путём высвобождения скрытой теплоты фазовых переходов в восходящем и нисходящем потоках, последовательно или одновременно [6-14].
Техническое оснащение эксперимента. Для проведения натурных опытов, в качестве платформы носителя, использовались самолёты-метеолаборатории Ан-12БП «ЦИКЛОН» и Ил-18Д «ЦИКЛОН». В качестве средств активного воздействия на конвективные облака развитых форм использовались изделия ПВ-50, оснащённые шашкой активного дыма (аэрозоля) 2 % йодистого серебра в составе П-50-04-11, способной создать 2 • 1015 льдообразующих ядер при температуре облака —10 °С. Изделия ПВ-50 выпускались из бортовой установки КДС-155.
В качестве средств объективного контроля результатов воздействия и состояния атмосферы использовалась бортовая аппаратура: РЛС Гроза-40 (обзорный); БМР-1 с узконаправленным вниз лучом (длина волны 3,2 см - вертикальный радиолокационный разрез облака и зоны осадков); БАРС-1 - бортовая автоматическая регистрирующая система (разработчик ЛНИЦ ЦАО - контроль состояния атмосферы).
Обобщённые результаты эксперимента. Во всех случаях реакция облаков на воздействие соответствовала рабочей гипотезе. Изменение динамики облака в соответствии с переходами рис. 1, 6 сопровождалось регистрируемым визуально изменением состояния верхней границы облака и сопутствующими явлениями. Более полное описание эксперимента опубликовано в работах [6-14]. При переходе 1 (рис. 6) феноменологический ряд выглядит следующим образом: верхняя граница облака (ВГ) принимает яркие очертания; высота ВГ начинает быстро расти, что соответствует состоянию рис. 1в, скорость перемещения облака возрастает, направление перемещения отклоняется влево; интенсивность осадков увеличивается; в зоне турбулентного трения А отмечается развитие электрических явлений, слабые электрические разряды; под наковальней,
z, км
9876
543 -21
~г~
12
10
а
14
16
10
б
12 14
16 х, км
Рис. 7. Вертикальные разрезы радиоэха (отражаемость в условных единицах) от СЬ, подвергнутого воздействию 15 июля 1979 г. в:
17 ч 16 мин (а); 17 ч 34 мин (б); стрелками указано место введения реагента
ориентированной на противоположную от А периферию облака - зону дивергенции потоков - наблюдаются нисходящие вниз от наковальни облачные структуры, содержащие большое количество ледяных кристаллов. При переходе 3 феноменологический ряд выглядит следующим образом: прекращается развитие электрических явлений в зоне А; интенсивность осадков снижается; скорость перемещения падает; направление перемещения облака отклоняется вправо; высота верхней границы понижается; ВГ утрачивает яркие очертания, наблюдается развитие вертикально ориентированных структур.
В случае резкого перехода от состояния рис. 1в к состоянию рис. 1а феноменологический ряд выглядит следующим образом: быстрое отделение наковальни от основного массива облака; полное прекращение электрических явлений; резкое снижение интенсивности осадков; наковальня отделяется от основного массива облака, растекаясь в виде облаков верхнего яруса кристаллической структуры; основной массив облака продолжает оседать, приобретая ячеистую структуру в виде высококучевой облачности рис. 6, 7.
Анализ результатов натурного эксперимента. За весь период исследований (с 1977 по 1989 гг.) было проведено более 100 опытов (пригодных для анализа). При различных воздействиях на конвективные облака наиболее информативной, строго регистрируемой на формальном носителе интегральной характеристикой, отражающей динамическое состояние исследуемой системы, является изменение скорости, направления перемещения конвективной ячейки и изменение при этом интенсивности осадков [8-17]. На рис. 6, 7:
Теорема 6. Как следует из анализа графика 2, естественная изменчивость осадков значительна настолько, что применение стандартного статистического подхода с определением доверительных интервалов в качестве критериев достоверности
4
6
разности сравниваемых рядов данных не правомерно. Вся трудность проблемы заключена в том, что в природе нет абсолютно одинаковых условий и нет двух одинаковых облаков. Разделение рядов данных интенсивности осадков во времени и пространстве по признаку динамических переходов даёт право утверждать наличие эффекта воздействия на третьем уровне значимости с вероятностью Р = 0,999 (метод Фише-ра-Стьюдента; непараметрический критерий Вилкоксона) [6-22].
В силу уже упомянутых естественных причин это различие не отражает общего количества осадков (увеличения либо ослабления) в конкретных условиях. И в этом смысле может быть использовано как качественная оценка в процентном отношении: «не более» или «не менее». В конкретных условиях общее количество осадков определяется осадкогенерирующей способностью конвективной ячейки - стратификацией воздушной массы.
Анализ приведённых (исходных) уравнений в базисе эффекта турбулентного трения. Развитие циркуляции в регулярной вихревой структуре дорожки Кармана определяется векторной суммой составляющих движения: По, Уо в начале координат, «стартового» вихря в конвективной части дорожки (.1+) и компенсирующего (1~). Вихри (.1+) и (.1-) имеют общую траекторию (аттрактор). Поэтому система приведённых уравнений [3, 4], описывающих развитие циркуляции и эволюцию характеристик движения, примет более сложный вид:
и = и0 + ^(В + Р)х+^(г -д)у V = Уз + 1(г + д)х + ^(В - Р)у
и = и0 + у2(В + Р)х+^(г-Ч)у у = Уо + ^(г + д)х + ^(В - Р)у
(11)
^ . ди дУ
^ дх + ду ) 0 ’ ^ ^ дх ду ) с ’ 4
ц+ - генерация (приток энергии), ц- - диссипация (сток энергии). Члены высших порядков опущены, но это не исключает возможности использования уравнений (11) для определения дифференциальных характеристик движения в пределах малых объёмов.
Перепишем исходные уравнения (11), (12), раскрыв скобки коэффициентов при переменных х, у:
д V дх
дУ
ду
дУ
дх
тг
ду ,
дУ ди ~д^ +( )
V = Уо + - Ьг-
д И дх дУ дх
ди
2х+ — ду
дУ 2х+ — ду
2у
2у
(13)
где По, Уо - «внешний ветер», движение массы воздуха, в котором высвобождается энергия неустойчивости (д± - конвективный и компенсирующий вихри).
угол поворота инерциальной системы координат;
ІШ--ПСР
Ц
+
±
ц
д2
о^§1 > 0 соответствует активному высвобождению энергии неустойчивости - генерация кинетической энергии, рис. 5;
д2ф ^ п " к
< и - диссипация кинетическои энергии, рис. 5;
\{2х, 2у) - удвоение масштаба и периода, равного полупериоду (нелинейная теория резонанса Флокке [1]);
^ - собственно эффект турбулентного трения, обусловленный динамическим равновесием тангенциальной составляющей вихревого устойчивого движения и вектором перемещения воздушной массы;
Щ- = 0 - точка динамического равновесия (заторможенности) тангенциальной составляющей вращения и внешнего ветра, рис. 1;
^ =>• | тах | - область наибольших значений и на противоположной периферии вихря;
^ = 0 - на противоположных перифериях значения векторной суммы равны по модулю и противоположно направлены, рис. 1;
^ - эффект Магнуса, обусловленный перепадом давления на противоположных перифериях вихря.
Теорема 7. Коэффициент г в исходных уравнениях (11), (12) определяет направленность энергетического перехода в сложной динамической системе.
Теорема 8. Полагая, что вихревые структуры - ряд однородных объектов, а связь поля скоростей и поля давления описана геострофическим соотношением (исходное положение 8), то движения вихревых структур в генеративно-диссипативных процессах открытых сложных динамических систем трёхмерны и носят регулярный характер; они являются результатом векторной суммы всех действующих сил.
Физика циклогенеза. Очевидно, что реальная атмосфера имеет вихревую структуру. Изменение масштаба, скорости и направления перемещения вихревого образования обусловлено эффектом турбулентного трения, как интегральным эффектом всего комплекса действующих сил.
1. Активно развивающимся (генеративным) может быть как восходящий, так и нисходящий каскады; и тот, и другой могут быть компенсирующими.
2. Субгармонический каскад бифуркаций и интенсивность вихревого образования определяются направленностью и плотностью тепловых потоков в атмосфере; характеризуются знаком энтропии протекающего термодинамического процесса, который, учитывая наличие в атмосфере естественных и антропогенных аэрозолей, носит гетерогенный характер.
3. Развитие форм облачности (нефанализ) и явлений - феноменологический ряд характеризует направленность протекающих в атмосфере термодинамических процессов.
4. На стадии активного развития эффект турбулентного трения обеспечивает рост «параметра устойчивости», циклоны смещаются относительно поверхности турбулентного трения - точки бифуркации (эффект Футзивары), циклоны сливаются - масштаб вихревого образования увеличивается вдвое.
5. На стадии заполнения значение «параметра устойчивости» уменьшается и не соответствует масштабу вихревого образования; происходит деление неустойчивого вихря на два устойчивых и так далее.
а. В молодом циклоне на стадии активного развития, вектор турбулентного трения совпадает по направлению с вектором Россби и направлен к полюсу; на стадии
заполнения вектор турбулентного трения направлен противоположно вектору Росс-би - к экватору.
б. В антициклонах наоборот - на стадии активного развития вектор турбулентного трения направлен к экватору, на стадии диссипации - к полюсу; удвоение и деление масштаба также обусловлено величиной «параметра устойчивости».
9. Сила тяжести, являясь составляющей силы плавучести, также влияет на развитие конвективных процессов в атмосфере.
10. Влияние орографии на процесс циклогенеза общеизвестно. Но наиболее ярким примером образования циклона под влиянием орографии в совершенно особенных условиях - на тёплом фронте является скорее всего, единственное место на Земле - югозападная часть Карского моря. Северо-восточная ветвь тёплого течения Гольфстрим - Нордкапское течение, огибая Скандинавский полуостров, достигает пролива Карские ворота. Остров Новая Земля и хребет Пай Хой (Полярный Урал) по конфигурации расположены так, что при западно-восточном переносе воздушных масс обеспечивают усиление циклонической циркуляции в ограниченном ими пространстве. Со спутника (в ИК-диапазоне) фиксируется феноменологический ряд, отражающий развитие вынужденной конвекции с последующим формированием мезомасштабного вихря на тёплом (!) фронте. Некоторое время этот циклон продолжает углубляться, скорость ветра иногда достигает 20 + 25 м/с, затем смещается вдоль побережья в восточном направлении, постепенно теряет силу и заполняется.
11. В условиях тропической зоны восходящий каскад достигает предельного развития при условии «прогретого океана» на глубину от 80 до 100 м (по разным оценкам) до температуры от 26 до 28 °С. Поверхность турбулентного трения образуется между соседними конвективными ячейками в гряде облаков. Материнское облако первым достигает верхней границы слоя активной конвекции, каждое последующее облако смещается относительно наиболее развитого соседнего. Гряда закручивается в мезомасштабный кластер, при этом активный прямой каскад в каждом облаке оказывается с внешней стороны кластера, а компенсирующие обратные каскады совмещаются в центре кластера. В гряде п-ячеек, очевидно, что компенсирующий каскад в центре интенсивней в п раз. Наступает резонансное состояние динамической системы; в центре молодого циклона образуется безоблачная зона - «глаз». Тропический циклон (ТЦ) начинает смещаться относительно самого себя, согласно эффекту турбулентного трения. На рис. 10 показан вектор перемещения ТЦ, полученный методом эффекта турбулентного трения, и действительное перемещение ТЦ [11, 12].
12. Главный момент в активном, субгармоническом каскаде развивается на уровне верхней границы слоя активной конвекции, на той же высоте происходит активный обмен кинетической энергией между движениями различного масштаба - формируется генеральный перенос воздушных масс.
13. Интенсивность процесса определяется потенциалом энергии неустойчивости.
Заключение. Некоторые аспекты практического применения теории.
1. Схема прогноза перемещения тропического циклона [11, 12], рис. 8.
2. Один из важнейших факторов обеспечения безопасности полётов (реактивной авиации и космических кораблей типа Шаттл) является знание состояния атмосферы. В частности, динамики развития субгармонических каскадов регулярных вихревых структур. Летательный аппарат, преодолевая анизотропную среду по наклонной глиссаде во всех случаях испытывает резонансные вибрации, вызванные неоднородностью плотности среды. Масштаб и период вихревых образований в каскаде меняется от слоя к слою, удваиваясь по масштабу и периоду от слоя
100 °
■<-----О-------< 10
Прогностический вектор движения
“G = 1CN
Вектор движения тайфуна
160° в. д.
165°
170°
175°
Рис. 8. Кинематическая схема эффекта турбулентного трения, совмещённая с полем ветра в тропическом циклоне: поле ветра получено Пальмером
к слою. Вызванная резонансом усталость металла сокращает срок службы летательного аппарата.
3. Ещё один аспект проблем «изменения климата». 18.06. - 20.06.2007. Европейское бюро по контролю воздушного пространства, посредством канала «Евроньюс», довело до сведения мировой общественности данные по загруженности воздушного пространства Евросоюза в течение одних суток. По определению самих авторов информации, количество самолётов в воздухе «напоминает пчелиный рой». Это исключительное
обстоятельство заставляет задумываться над проблемами связанными не только с безопасностью полётов и загрязнением воздуха продуктами сгорания топлива, но и динамическим воздействием спутной струёй летательного аппарата на процесс высвобождения энергии неустойчивости в атмосфере.
Так, с позиций современных представлений физики циклогенезиса, динамическое воздействие спутной струёй летательного аппарата обеспечивает развитие активного обратного каскада вихревых образований. Учитывая, что процесс носит непрерывный характер при высокой спектральной плотности вихревых структур, мы получили над территорией Европы циркуляционный центр действия техногенного происхождения. Карманова структура синоптического масштаба, совмещаясь с техногенным циркуляционным центром действия, регенерируется. Вызванное активным воздействием опускание воздушной массы происходит по сухоадиабатическому закону, температура воздуха при этом повышается через каждые сто метров на 0,98 °С. Рост температуры воздушной массы над территорией Евросоюза способствует усилению конвективных процессов и может сопровождаться наводнениями, смерчами, грозами, градом.
Возникновение техногенных центров действия и реакция природы обязывают задуматься над дальнейшим развитием концепции технического прогресса.
Литература
1. Берже П., Помо И., Видаль К. Порядок в хаосе. О детерминистском подходе к турбулентности / пер. с фр. М., 1991, 364 с.
2. Карман Т. Турбулентность // Усп. физ. наук. 1939. T. XXI. Вып. 1. 74 с.
3. Петерсен С. Анализ и прогноз погоды / пер. с англ. Л., 1961. C. 45-50.
4. Зверев А. С., Кирюхин Б. В., Кондратьев К. Я. и др. Курс метеорологии (физика атмосферы) / под ред. П. М. Тверского. 1951. SSS с.
5. Монин А. С. Прогноз погоды как задача физики. М., 1969. 1S3 с.
6. Васильев С. Л. О циркуляции в зоне конвективного облака // Тр. Гл. геоф. обсерв. 19S3. Вып. 469. C. 107-113.
7. Он же. Об эффекте турбулентного трения // Тез. докл. научн.-техн. конф. ВИКА им. А. Ф. Можайского. 1992. C. 75.
S. Он же. Способ воздействия на конвективные облака. Патент России № 951090916, приоритет от 15.06.95.
9. Vasilyev S. L. Method of acting on convective clouds. Int. Appl. № PCT/GB/0214S, priority date claimed 15.06.95. The International Bureau of WIPO.
10. Васильев С. Л. Отчёт о выполнении работ по искусственному увеличению осадков в Ставропольском крае. Тема Ш.19ж.0І. ГТО. 34 с.
11. Он же. Способ защиты от тропического циклона. Патент России № 202S649, приоритет от 26.06.91.
12. Vasilyev S. L. Method of protecting against Tropical Cyclones. Int. Appl. № PCT/GB95/02203, priority date claimed 13.07.95, The International Bureau of WIPO.
13. Васильев С. Л. Некоторые эвристические аспекты эффекта турбулентного трения // Экология космоса: мат. научн. семин. СПб., 2002. C. 100-110.
14. Он же. Физика циклогенезиса // Дистанционное зондирование окружающей среды. СПб., 2004. С. 91-9S.
15. Он же. Человек и природа - парадигма XXI века // Научн. журн. ассоциации «Наука и сотрудничество». М., 2005. C. 32.
16. Он же. Прогноз высвобождения энергии неустойчивости. Перенос в фазовом пространстве тропосферы. Топология регулярных вихревых структур // Мат. научн. семин. «Экология и космос». СПб., 2005. C. 14-20.
Зб
17. Он же. Анизотропность неустойчиво стратифицированной атмосферы // Тр. 4-й Межд. конф. «Естественные и антропогенные аэрозоли». СПб., 2003. С. 344-358.
18. Он же. Анализ регулярных движений в течении нестратифицированной жидкости на примере «дорожки Кармана» // Там же. С. 93.
19. Он же. К вопросу об адекватности уравнений Навье-Стокса // Тез. докл. 5-й Межд. конф. «Естественные и антропогенные аэрозоли». СПб., 2006. С. 22.
20. Он же. Анизотропность-неустойчиво стратифицированной атмосферы // Докл. 9-го научн. симп. Вьетнамской научн.-техн. ассоциации в РФ М., 2007. С. 116-151.
21. Он же. К вопросу об адекватности уравнений Навье-Стокса // Мат. научн. семин. «Экология космоса». СПб., 2007. С. 29-34.
22. Он же. От турбулентности к регулярным вихревым структурам // Тез. докл. 5-й Межд. конф. «Естественные и антропогенные аэрозоли». СПб., 2008. С. 243-248.
Принято к публикации 1 июля 2009 г.
